Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng

Bộ xây dựng

Viện vật liệu xây dựng

Báo cáo kết quả đề tài nghiên cứu
Theo nghị định th việt nam-trung quốc
Tên đề tài:

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano
xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng

Chủ nhiệm đề tài: TS. Mai Ngọc Tâm

7454
15/7/2009

Hà Nội - 2009


Bộ xây dựng

Viện vật liệu xây dựng

Báo cáo tổng kết

đề ti
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc
tác quang hóa cho sơn xây dựng

H nội 12-2008

Bộ xây dựng

Viện vật liệu xây dựng

Báo cáo tổng kết

đề ti
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc
tác quang hóa cho sơn xây dựng

Chủ nhiệm đề ti: TS. Mai Ngọc Tâm
Các cộng tác viên:
1)

KS. Trần Quốc Huy

2)

KS. Phạm Đức Nhuận

3)

Th.S. Trần Thu H

H Nội, ngy

tháng

năm 2009

Viện Vật liệu xây dựng


Mục lục

Mở đầu
Phần I
Tổng quan về việc ứng dụng công nghƯ vμ
vËt liƯu nano cho s¬n vμ líp phđ trong vật
liệu xây dựng
1.1
1.1.1
1.1.2
1.1.3
1.1.3.1.
1.1.3.2.
1.2.
1.2.1.
1.2.2.
1.2.3.
1.2.4.
1.2.5.
1.2.6.
1.2.7.
1.3.

2.1
2.1
2.3

3.1
3.1.1

Vật liệu nano xúc tác quang hóa
Xúc tác quang hóa v cơ chế của xúc tác quang hoá
Vật liệu nano xúc tác quang hóa Titan dioxyt (TiO2)
Phơng pháp điều chế nano TiO2 xúc tác quang hóa
Các phơng pháp chế tạo vật liệu nano
Điều chế nano TiO2 bằng phơng pháp Sol-gel
Những ứng dụng của vật liệu nano xúc tác quang hóa
Những ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau
Những ứng dụng nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dùng
øng dơng cđa bét nano TiO2 xóc t¸c quang hãa trong sơn
diệt khuẩn
ứng dụng của bột nano TiO2 xúc tác quang hóa trong sơn tự
lm sạch
ứng dụng vật liệu nano TiO2 xúc tác quang hóa để lọc không
khí v phân hủy các độc tố
Một số thnh tựu nghiên cứu v ứng dụng bột nano TiO2 xúc
tác quang hóa cho sơn v lớp phủ tại Trung Quốc
Tình hình nghiên cứu v ứng dụng công nghệ v vật liệu
nano TiO2 xúc tác quang hóa ở Việt Nam.
Sơn xây dựng v thnh phần cơ bản của sơn
Phần II
Nội dung v phơng pháp nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu
Phơng pháp nghiên cứu
Nguyên vật liệu, hóa chất sử dụng
Phần III

Các kết quả nghiên cứu
nghiên cứu hoạt tính xúc tác quang hóa trong điều
kiện khí hậu việt nam
Nghiên cứu định tính hoạt tính xúc tác quang hóa cđa nano
TiO2 trong ®iỊu kiƯn khÝ hËu ViƯt Nam

Trang
1

4
4
4
5
8
8
10
12
12
13
14
16
19
20
23
24
27

27
28
29

31

31
32


3.1.2

Nghiên cứu định lợng hoạt tính xúc tác quang hóa của nano
TiO2 trong điều kiện khí hậu Việt Nam
3.2
Nghiên cứu lựa chọn thnh phần cấp phối sơn nano xúc
tác quang hóa
3.2.1
Lựa chọn thnh phần, cấp phối cho sơn
3.2.2
Xác định tỷ lệ xúc tác tối u trong thnh phần sơn nano
3.2.3
Chế tạo sơn nano TiO2 xúc tác quang hóa trong phòng thí
nghiệm
3.2.4
Kết quả khảo sát thnh phần cấp phối v các tính chất của
sơn nano
3.3
Nghiên cứu các tính năng của sản phẩm sơn nano
3.3.1
Tính năng diệt khuẩn của sơn nano
3.3.1.1. Khảo sát khả năng diệt khuẩn của sơn nano trong môi trờng
nuôi cấy vi sinh vật
3.3.1.2. Khảo sát khả năng diệt khuẩn của sơn nano trong môi trờng

không khí
3.3.2
Tính năng tự lm sạch của sơn nano
3.3.3. Khả năng lm sạch không khí của sơn nano
3.4
Xây dựng qui trình công nghệ chế tạo sơn nano
3.4.1. Sơ đồ công nghệ
3.4.2. Mô tả công nghệ
3.5.
Sản xuất v thử nghiệm sơn diệt khuẩn v sơn tự lm
sạch
3.5.1.
3.5.2.
3.5.3.
3.5.4.
3.5.5

Sản xuất thử sơn ngoi trời (sơn tự lm sạch)
Sản xuất thử sơn trong nh (sơn diệt khuẩn)
Thử nghiệm sơn tự lm sạch
Thử nghiệm sơn diệt khuẩn
Tính toán hiệu quả kinh tế của sơn nano xúc tác quang hóa

Phần IV
Kết luận v kiến nghị
Ti liệu tham khảo

34
37
37

39
41
43
45
45
45
50
55
57
58
50
60
60

61
63
64
65
65
70
72


Lời cám ơn
Trong quá trình thực hiện đề ti. Nhóm đề ti đà nhận đợc nhiều sự hợp tác giúp đỡ
rất tận tình v quý báu của các cơ quan, tổ chức sau:
1) Xin trân trọng cám ơn sự hợp tác chân thnh của Viện hn lâm khoa học vật liƯu
Trung Qc cịng nh− c¸c gi¸o s− tiÕn sü Sui Tong Bo v Ji Zhijiang v các đồng
nghiệp khác của CBMA với t cách l đối tác của đề ti trong chơng trình hợp
tác KHCN theo Nghị định th giữa 2 ChÝnh phđ ViƯt Nam vμ Trung Qc.

2) Xin tr©n trọng cám ơn sự hợp tác của Tiến sỹ Lê Mai Hơng - Phó Viện trởng,
Trởng phòng Hoạt chất sinh học - Viện Hóa hợp chất tự nhiên -Viện KHCN Việt
Nam trong việc thử nghiệm tính năng diệt khuẩn của sơn nano
3) Xin trân trọng cám ơn sự hợp tác cđa ViƯn Kü tht NhiƯt ®íi - ViƯn KHCN ViƯt
Nam trong viƯc ®o vμ thư nghiƯm ®é bỊn thêi tiÕt của sơn nano.
4) Xin trân trọng cám ơn sự hợp tác giúp đỡ của Phòng thí nghiệm trọng điểm vật
liệu polymer composite của Trung tâm nghiên cứu vật liệu polymer - Trờng Đại
học Bách khoa thnh phố Hồ Chí Minh trong việc đo góc tiếp xúc của bề mặt sơn
v thư nghiƯm mét sè tÝnh chÊt cđa mμng s¬n nano.
5) Xin trân trọng cám ơn sự hợp tác giúp đỡ của Phòng Hóa Phân tích -Viện Công
nghệ hóa học - Phân viện KHCN Việt Nam tại thnh phố Hồ Chí Minh trong việc
đo xác định hm lợng của xanh methylene để đánh giá mức độ hoạt tính của xúc
tác quang hóa nano TiO2.
6) Xin trân trọng cám ơn sự hợp tác của Phòng thí nghiệm Nano - Trờng đại học
KHTN thnh phố Hồ Chí Minh trong việc phân tích ảnh kÝnh hiƯn vi ®iƯn tư qt
(SEM) cđa vËt liƯu nano xúc tác quang hóa nano TiO2.
7) Xin trân trọng cám ơn Trung tâm dịch vụ phân tích thí nghiệm - thc Së Khoa
häc c«ng nghƯ TP. Hå ChÝ Minh trong việc phân tích hơi formaline để đánh giá
mức độ lm sạch không khí của sơn nano xúc tác quang hóa.
8) Xin trân trọng cám ơn sự hợp tác của Trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lờng
chất lợng 3 (QUATEST 3) trong viƯc ph©n tÝch thư nghiƯm mét sè tÝnh chất của
mng sơn nano.
9) Xin trân trọng cám ơn sự hợp tác giúp đỡ của Trung tâm phân tích Kiểm nghiƯm
ViƯn VËt liƯu x©y dùng - Bé X©y dùng trong việc phân tích đánh giá cấu trúc v
thnh phân pha của vật liệu nano TiO2 bằng phơng pháp nhiễu xạ tia X.
10)
Xin trân trọng cám ơn sự hợp tác giúp đỡ của công ty Sơn á Đông trong
việc sản xuất thử nghiệm 200 kg sơn nano xúc tác quang hóa.
11) Xin trân trọng cám ơn sự hợp tác của Công ty TNHH Thơng mại Him Lam tại
Tp. Hồ Chí Minh trong việc thử nghiệm đáng giá chất lợng sơn tự lm sạch.

12) Xin trân trọng cám ơn sự quan tâm giúp đỡ của các cơ quan quản lý đề ti của
Bộ Khoa học Công nghệ, Bộ Xây dựng, Viện Vật liƯu x©y dùng


Mở đầu
Trong thời gian 20 năm trở lại đây, công nghệ nano đà đợc quan tâm v phát
triển rất nhanh chóng trên thế giới với những tiềm năng ứng dụng rÊt lín trong
nhiỊu lÜnh vùc trong ®ã cã lÜnh vùc vật liệu xây dựng. Có thể so sánh sự phát triển
nhanh chóng số lợng các công trình nghiên cứu v ứng dụng công nghệ nano vo
đời sống của chúng ta đầu thế kỷ 21 tơng tự nh sự phát triển nhanh chóng của
công nghệ bán dẫn, công nghệ vi mạch vμo ci thÕ kû 20.
Ngμy nay, c«ng nghƯ vμ vËt liệu nano đà đợc ứng dụng để chế tạo ra nhiều
loại vật liệu mới có tính năng đặc biệt nh nano composite, ứng dụng trong công
nghiệp chế tạo vi mạch v bán dẫn hoặc nano xúc tác quang hóa.Trong đó nano
xúc tác quang hóa l một trong những lĩnh vực phát triển nhanh v có nhiều ứng
dụng trong đời sống. Víi viƯc sư dơng bét Nano TiO2 ng−êi ta ®· chế tạo ra nhiều
lớp phủ có tính năng đặc biệt nh: khả năng lm sạch không khí, khả năng diệt
khuẩn, chống rêu mốc, các lớp phủ chống bám dính v tự lm sạch. Những lớp
phủ ny đà đợc dùng để phủ trên kính, bề mặt gốm sứ vệ sinh, mặt ngoi của xe
ô tô, sơn tờng trong v tờng ngoi của các công trình xây dựng. Với những
đặc tính tuyệt vời nh trên các loại sơn xúc tác quang hóa TiO2 đà đợc kỳ vọng
l sản phẩm lý tởng để lm sạch môi trờng trong thế kỷ 21. Tại nhiều nớc có
trình độ khoa học phát triển nh Mỹ, Nhật v Tây Âu hiện nay đang dẫn đầu về
số lợng các công trình nghiên cứu cũng nh các bằng sáng chế về vật liệu nano
xúc tác quang hóa TiO2. Thị trờng các sản phẩm xúc tác quang hóa trên thế giới
hiện nay đang phát triển rất mạnh. Nếu nh năm 2000 doanh số của sản phẩm xúc
tác quang hóa cha đáng kể thì đến năm 2003 doanh số bán ra đà đạt 1 tỷ USD
[1]. Tại các nớc châu á nh Nhật Bản, Hn Quốc .. các sản phẩm nano xúc tác
quang hóa đà trở nên phổ biến trên thị trờng. Trung Quốc đà bắt đầu nghiên cứu
vật liệu nano xúc tác quang hóa từ những năm 1992. Từ đó ®Õn nay nhμ n−íc

Trung Quèc ®· cÊp kinh phÝ cho khoảng 863 đề ti nghiên cứu về vật liệu nano
xúc tác quang hóa [2]. Trong các nhóm nghiên cứu ứng dơng vËt liƯu nano xóc
t¸c quang hãa cđa Trung Qc thì Viện Hn lâm khoa học vật liệu Trung Quốc
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBMCBMA, 2008.

1


(China Building Material Academy CBMA) l một đơn vị rất mạnh về nghiên
cứu ứng dụng vật liệu nano xúc tác quang hóa để chế tạo một số sơn có tính năng
đặc biệt nh: Sơn diệt khuẩn, Sơn Ion âm lọc không khí, Sơn tự lm sạch,... Đến
nay các sản phÈm s¬n vμ líp phđ sư dơng bét nano TiO2 xúc tác quang hóa của
Trung Quốc đà đợc bán trên thị trờng của Trung Quốc với giá cả rất cạnh tranh
so với các sản phẩm nano xúc tác quang hóa cùng loại của châu Âu v Mỹ.
Mối quan hệ hợp tác giữa Viện Vật liệu xây dựng Bộ Xây dùng vμ ViƯn
Hμn l©m khoa häc VËt liƯu Trung Qc (CBMA) đà có từ lâu v l mối quan hệ
truyền thống. Từ năm 2002 Viện Vật liệu xây dựng v CBMA đà hợp tác rất hiệu
quả trong thực hiện đề ti nghiên cứu chung về Bê tông cờng độ cao. Tiếp theo
sự hợp tác ny, 2 bên đà thống nhất hợp tác trong lĩnh vực mới đó l nghiên cứu
ứng dơng c«ng nghƯ vμ vËt liƯu nano trong vËt liƯu xây dựng.
Với mục tiêu tiếp cận, lm chủ v ứng dụng những công nghệ mới tiên tiến
trong việc chế tạo vật liệu xây dựng, Viện VLXD đà đề xuất hợp tác với Viện
Hn lâm KH Vật liệu xây dựng Trung Quốc (CBMA) trong việc nghiên cứu ứng
dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng trong thời gian 2 năm
(từ 2006-2007) v đà đợc Bộ Khoa học Công nghệ giao chủ trì thực hiện đề ti
hợp tác chung Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn
xây dựng. Đề ti đà thực hiện các nội dung nghiên cứu cơ bản sau:
- Nghiên cứu các tính chất v hoạt tính xúc tác quang hóa cđa bét Nano TiO2
trong ®iỊu kiƯn khÝ hËu ViƯt Nam.

- Nghiên cứu chế tạo bột nano TiO2 v thử nghiệm các tính chất xúc tác quang
hóa của sản phẩm chế tạo đợc, so sánh với sản phẩm cùng loại của nớc ngoi.
- Nghiên cứu thnh phần phối liệu để chế tạo 2 loại sơn diệt khuẩn v tự lm
sạch có chứa bột nano TiO2 xúc tác quang hóa.
- Nghiên cứu các tính chất của sản phẩm sơn nano xúc tác quang hóa: Thử
nghiệm tính năng diệt khuẩn, tính năng tự lm sạch, tính năng phân hủy các độc
tố, độ bền thời tiết...

________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBMCBMA, 2008.

2


- Xây dựng qui trình công nghệ sản xuất hai loại sơn nano tờng trong v
tờng ngoi.
- Sản xuất v thử nghiệm sơn nano ở qui mô pilot.

________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBMCBMA, 2008.

3


Phần I

Tổng quan về việc ứng dụng công nghệ v vật
liệu nano cho sơn v lớp phủ trong xây dựng
1.1. VËt liƯu nano xóc t¸c quang hãa
1.1.1. Xóc t¸c quang hóa v cơ chế của xúc tác quang hoá.

Xúc tác quang hóa l khả năng sử dụng năng lợng của quang tử ánh sáng
để thúc đẩy các quá trình hóa học (chủ yếu l quá trình oxy hóa v quá trình khử)
trên bề mặt của hạt xúc tác đó.
Trong tự nhiên, cây cối sử dụng năng lợng của ánh sáng mặt trời để quang
hợp trong đó bao gồm quá trình oxy hóa nớc để tạo ra oxy v khử khí CO2 để tạo
ra các phân tử các bon hydrate nh cellulose, đờng v hng loạt các hợp chất
khác cần thiết cho sự sống [3]. Nghiên cứu quá trình quang hợp tự nhiên của thực
vật, con ngời đà phát minh ra những ứng dụng khả năng quang hóa khác m
ngy nay ®· trë thμnh phỉ biÕn, vÝ dơ nh− chÕ t¹o các chất tiếp nhận v chuyển
hóa năng lợng ánh sáng thnh điện năng sử dụng năng lợng mặt trời.

Hình 1: Cơ chế hoạt động của xúc tác quang hóa nói chung [4, 5]
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng ”, VIBMCBMA, 2008.

4


Hình 1 trình bầy cơ chế hoạt động của xúc tác quang hóa nói chung m
theo đó dới tác dụng của năng lợng ánh sáng hg, các điện tử trong lớp vỏ hóa
trị của kim loại chuyển tiếp sẽ bị kích động v dịch chuyển từ các mức năng
lợng của dải hóa trị lên dải dẫn điện cao hơn. Khi đó các hạt xúc tác sẽ mất điện
tử v để lại lỗ trống tích điện (h+), từ đó dẫn đến bề mặt của xúc tác sẽ bị tích điện
v có nhu cầu trao đổi điện tử từ các chất đang tiếp xúc trên bề mặt của xúc tác
nh O2 hoặc H2O. Tiếp theo đó sẽ xảy ra các quá trình oxy hóa hoặc khử trên bề
mặt của chất xúc tác. Kết quả của 2 quá trình ny sẽ tạo ra những tác nhân oxy
.

hoá ở dạng gốc cực mạnh nh O2 , OH., các gốc tự do ny mạnh gấp hng trăm
lần các chất oxy hoá cơ bản hiện nay nh clo, ozone. Nhờ khả năng oxy hoá cực

mạnh ny m xúc tác quang hóa có thể phân huỷ hầu hết các hợp chất hữu cơ, khí
thải độc hại, vi khuẩn, rêu mốc bám trên bề mặt vật liệu hoặc khi tiếp xúc với bề
mặt của xúc tác quang hóa thnh những chất vô hại nh: CO2, H2O.
Có nhiều chất có khả năng xúc tác quang hóa. Đa số các chất ny l oxyt
của các kim loại trong nhóm chuyển tiếp của bảng hệ thống tuần hon Mendeleep
nh TiO2, ZnO2, WO3, FeTiO3, SrTiO3…[4, 5], trong ®ã TiO2 lμ chÊt cã khả năng
xúc tác quang hóa mạnh nhất v đợc quan tâm nghiên cứu v ứng dụng nhiều
nhất vì những lý do sau;
- L chất có giá thnh rẻ;
- Có khả năng phát huy tác dụng xúc tác quang hóa nhanh ở điều kiện bình
thờng (nh nhiệt độ phòng, áp suất khí quyển);
- Có khả năng oxy hóa đợc nhiều loại tạp chất hữu cơ (trong dải rộng)
thnh nớc v CO2;
- Không sinh ra các sản phẩm phụ độc hại trong quá trình của xúc tác
quang hóa.
1.1.2. Vật liệu nano xúc tác quang hóa Titan dioxyt (TiO2)
Titan dioxyt, thông thờng l mét chÊt rÊt quen thc trong ®êi sèng hμng
ngμy cđa chúng ta. Đà từ lâu bột TiO2 đà đợc dùng để lm bột mu trắng cho
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBMCBMA, 2008.

5


sơn, mỹ phẩm, kem đánh răng v thậm chí cho cả thực phẩm. Trong thực tế TiO2
tồn tại ở 3 dạng tinh thể l rutile, anatase v brookite. Hình 2 trình bầy cấu trúc
của dạng tinh thể nói trên của TiO2 với nguyên tử Ti l những quả cầu nhỏ còn
nguyên tử O l những quả cầu lớn. Ba dạng tinh thể ny có các thông số cấu tạo
khác nhau đợc trình bầy tại bảng 1

Rutile

Anatase

Brookite

Hình 2: Cấu trúc của 3 dạng tinh thể TiO2 [6]
Bảng 1: Các thông số cấu tạo của 3 dạng tinh thể TiO2 [6]
TT

Thông số cấu tạo

Dạng tinh thể
Rutile

Anatase

Brookite

Tứ diện

Tứ diện

Bát diện
a= 9,184;
b=5,447
c= 5,145
8

1

Cấu tạo tinh thể

2

kích thớc mạng lới tinh thể a= 4,5936
c=2,9587
(Ao)

a= 3,784
c=9,515

3

Đơn vị TiO2

2

4

4

Độ di liên kết Ti-O (Ao)

1,945(4);1,980(2)

1,87-2,04

5

Góc liên kết O-Ti-O (Ao)

81,2o; 90o

1,937(4);
1,965(2)
77,7o; 92,6o

6

Tû träng (g/cm3)

4,13

3,79

3,99

77,6 -105

Khi so s¸nh cÊu tróc v các thông số của 3 dạng tinh thể chúng ta có thể
thấy rằng rutile v anatase đợc cấu tạo bởi cấu trúc tứ diện nhng rutile gồm 2
đơn vị TiO2 tạo thnh còn anatase gồm 4 đơn vị TiO2 tạo thnh. Trong 3 dạng trên
thì rutile có cấu trúc bền vững hơn cả, còn 2 dạng còn lại kém bền hơn. ở điều
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dùng ”, VIBMCBMA, 2008.

6

kiện nhiệt độ cao hơn 700oC thì anatase v brookite đều chuyển về dạng rutile.
Giữa rutile v anatase thì anatase có tỷ trọng thấp hơn v có bề mặt riêng lớn hơn.
Trong nhiều công trình nghiên cứu trớc đây, ngời ta đà khẳng định khi tinh thể
của TiO2 ở kích th−íc nano (tõ 1-100 nm) sÏ cã ho¹t tÝnh xóc tác quang hóa [4, 5,
6]. Tuy nhiên mức độ hoạt tính xúc tác của ba dạng tinh thể rất khác nhau vμ
d¹ng tinh thĨ anatase cã ho¹t tÝnh m¹nh nhÊt. Điều ny đợc giải thích do dạng
tinh thể ny có cấu trúc tinh thể kém bền hơn nên mức độ hoạt động cao hơn [6].
Hầu hết bột TiO2 xúc tác quang hóa đều l dạng tinh thể anatase còn rutile thờng
chỉ đợc sử dụng nh l các chất pigment (Chất mu trắng) cho sơn v các sản
phẩm khác.
Hoạt tính xúc tác quang hóa của nano TiO2 cũng tuân theo cơ chế đà trình
bầy ở hình 2, v đợc giải thích rõ hơn trong hình 3 v các phơng trình (1), (2),
(3) [4].
TiO2 + hv (>3.2Ve)
e-cb + h+ vb
.
OH ۟ + H+
h+ + H2O
e- + O2
O 2

(1)
(2)
(3)

Hình 3: Cơ chế hoạt động của xúc tác quang hóa Nano TiO2 [1]
Khi hạt nano TiO2 xúc tác quang hóa tiếp nhận năng lợng của quang tử sẽ xảy ra
quá trình thay đổi diện tích v tạo nên các gốc oxy hóa mạnh nh OH v O 2
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn x©y dùng ”, VIBMCBMA, 2008.

7


nh trình bầy tại phơng trình hóa học (1), (2), (3). Với hạt nano TiO2 thì hng
ro năng lợng m ®iƯn tư cã thĨ v−ỵt qua ë møc Eg = 3.2 eV. Nh vậy chỉ cần
một bức xạ có mức năng lợng > 3,2 eV (tơng đơng với bớc sóng l=388 nm,
trong vùng ánh sáng tử ngoại) l có thể kích hoạt vật liệu nano TiO2 trở thnh xúc
tác quang hóa [4].
Trên thị trờng thế giới hiện nay đang bán một số sản phẩm nano TiO2 xúc
tác quang hóa của một số nớc nh: Mỹ, Đức, Nhật. Các loại sản phẩm xúc tác
quang hóa TiO2 nói trên đợc trình bầy tại bảng 2. Ngoi ra Trung Quốc, Hn
Quốc cũng có các sản phẩm cùng loại. Nhìn chung hầu hết các sản phẩm xúc tác
quang hóa đều l 100% dạng anatase. Chỉ duy có sản phẩm Degussa P-25 của
Đức l hỗn hợp bao gồm 70% anatase v 30% rutile.
Bảng 2: Một số sản phẩm nano xúc tác quang hóa trên thị trờng thế giới [5]
Sản phẩm

P-25

Nh cung
cấp
Thnh
phần pha
% TiO2

Degussa
(Đức)
70% Anatase
30% Rutile

99,5
Al2O30.3%
SiO20,2%
Fe2O30,01%

Tạp chất
(%)
Diện tích
bề mặt
riêng
(m2/g)

50

TPK101
Tayca
(Nhật)

TPK103
Tayca
(Nhật)

AMT100
Tayca
(Nhật)

A-DW-1

A-K-1

Kerr McGee
(Mỹ)

Kerr Mc Gee
(Mỹ)

Anatase

Anatase

Anatase

Anatase

Anatase

83,6

90,3

92,8

-

-

-

90
WO3=10%

SO4=2%
NaO2=100ppm

97
K2O=100ppm
SO4=2%
Na2O=100ppm

254

300

293

90

90

1.1.3. Phơng pháp điều chế nano TiO2 xúc tác quang hóa
1.1.3.1. Các phơng pháp chế tạo vật liệu nano:
Do những ứng dụng rất đặc biệt của nano xúc tác quang hóa TiO2 nên việc
chế tạo vật liệu TiO2 kích thớc nano đợc quan tâm nghiên cứu rất nhiều v hiện
nay có một số phơng pháp điều chế nano TiO2. Có thể tóm tắt phơng pháp chế
tạo vật liệu nano bằng 2 phơng pháp chính nh sau [3]: phơng pháp từ trên
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBMCBMA, 2008.

8

xuống (Top-down) v phơng pháp từ dới lên (Bottom-up) nh mô phỏng ở hình
4.

Phơng pháp từ trên xuống (Top-down)
Kích thớc nanomet

Phơng pháp từ dới lên (Bottom-up)

Hình 4: Sơ đồ mô phỏng 2 phơng pháp điều chế vật liệu kích thớc nano [3]
Phơng pháp từ trên xuống (Top-down) l phơng pháp tạo kích thớc hạt
nano từ những hạt có kích thớc lớn hơn còn phơng pháp từ dới lên (Bottomup) l phơng pháp hình thnh hạt nano từ các phân tử
Phơng pháp Top-down: có u điểm l đơn giản, rẻ tiền v hiệu quả có thể chế
tạo đợc một lợng lớn vật liệu nhng tính đồng nhất của vật liệu không cao.
Trong phơng pháp ny việc nghiền hoặc phá vỡ vật liệu từ kích thớc to đến kích
thớc nhỏ dần bằng máy nghiền cho đến kích thớc nano v cuối cùng ta thu
đợc vật liệu nano không chiều (hạt nano). Ngoi ra tùy theo các mục đích khác
ngời ta có thể sử dụng các phơng pháp tơng tự để tạo ra vật liệu ở dạng lớp
hoặc dạng có kích thớc nano.
________________________________________________________________________________
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBMCBMA, 2008.

9


Phơng pháp Bottom-up: l phơng pháp tạo thnh vật liệu nano từ các nguyên tử
hoặc ion. Đây l phơng pháp đợc quan tâm phát triển rất mạnh mẽ vì tính linh
động v chất lợng của sản phẩm cuối cùng. Phần lín c¸c vËt liƯu nano mμ chóng
ta dïng hiƯn nay đều đi từ phơng pháp ny. Phơng pháp từ dới lên có thể l
phơng pháp vật lý, hóa học hoặc kết hợp cả 2 phơng pháp hóa-lý.
- Phơng pháp vật lý tạo ra vật liệu nano từ nguyên tử hoặc quá trình chuyển pha.

Nguyên tử để hình thnh vật liệu nano đợc tạo ra từ quá trình vật lý nh: bốc bay
nhiệt (đốt, phún xạ, phóng điện hồ quang), quá trình chuyển pha (vật liệu đợc
nung nóng rồi cho nguội với tốc độ nhanh để thu đợc trạng thái vô định hình, xử
lý nhiệt để xảy ra chuyển pha vô định hình thnh tinh thể (kết tinh) có kích thớc
nano. Phơng pháp vật lý thờng để tạo ra các hạt nano, mng nano).
- Phơng pháp hóa học l phơng pháp tạo vật liệu nano từ các nguyên tử hoặc
Ion. Phơng pháp ny rất đa dạng, tùy thuộc vo vật liệu cụ thể m ngời ta thay
đổi kỹ thuật chế tạo vật liệu cho phù hợp. Trong phơng pháp ny có thĨ h×nh
thμnh vËt liƯu tõ pha láng (kÕt tđa, Sol-gel) v từ pha khí (nhiệt phân). Phơng
pháp ny cũng có thể tạo ra các hạt nano, dây nano, ống nano, mng nano, bột
nano
- Phơng pháp kết hợp l việc tạo vật liệu nano dựa trên các nguyên tắc vật lý v
hóa học nh điện phân, ngng tụ từ pha khí.
1.1.3.2. Điều chế nano TiO2 bằng phơng pháp Sol-gel:
Nh đà trình bầy ở trên, có nhiều phơng pháp điều chế vật liệu nano TiO2 ,
trong đó phơng pháp sol-gel đợc dùng phổ biến nhất hiện nay để chế tạo vật
liệu nano. Trong phơng pháp ny các chất nguyên liệu của phản ứng đợc phân
tán trong môi trờng sol-gel với một mức độ đồng nhất cao sẽ tạo ra sản phẩm có
các thông số rất thích hợp cho việc tạo thnh mng mỏng sau ny khi áp dụng cho
mng phủ. Để chế t¹o ra nano TiO2 ë d¹ng anatase mét sè nhμ nghiên cứu [7, 8, 9,
10] đà sử dụng các hợp chất hữu cơ của titan nh titanate. Các gốc hữu cơ R của
titanate có thể l - C3H7 (propyl) hoặc C4H9 (butyl).

________________________________________________________________________________ 10
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dùng ”, VIBMCBMA, 2008.


Ti(OR)4 + 4H2O

------>

Ti(OH)4 -------->

Ti(OH)4 + 4ROH
TiO2

+ 2H2O

Theo các quá trình hóa học trên thì lúc đầu Titanate sẽ bị thủy phân tạo thnh
Titanium hydroxyt ở dạng gel. Để tạo môi trờng sol-gel ngời ta thờng thực
hiện phản ứng thủy phân titanate trong các dung môi hữu cơ nh Ethanol,
Propanol, propylene glycol. Sau đó gel ớt ny sẽ đợc lọc, rửa, sấy khô thnh
bột TiO2 vô định hình. Quá trình nung xư lý nhiƯt sau cïng sÏ cho s¶n phÈm TiO2
tinh thể. Tùy theo điều kiện nung sẽ quyết định TiO2 ë d¹ng cÊu tróc tinh thĨ nμo,
lμ Rutile hay lμ anatase bởi trong quá trình nung sẽ diễn ra nh sau [3]:

TiO2

(400-480 oC)

(Vô định hình)

TiO2
(Anatase)

(690-740 oC)

TiO2
(Rutile)

Nh vậy ban đầu từ vô định hình TiO2 sẽ chuyển sang dạng anatase trớc ë
®iỊu kiƯn nhiƯt ®é tõ 480-690oC vμ sau ®ã nÕu quá trình tăng nhiệt độ vẫn tiếp tục
thì ở nhiệt độ cao hơn dạng anatase vừa mới hình thnh sẽ chuyển dần sang dạng
rutile. Trong thực tế, để chế tạo nano xúc tác quang hóa TiO2 ngời ta phải khống
chế ®iỊu kiƯn nung chØ tõ 400-700oC lμ thÝch hỵp ®Ĩ tạo thnh anatase.

Hình 5 : Kết quả phân tích XRD cđa c¸c mÉu kÕt tđa nano anatase TiO2:
a) mÉu sÊy ở nhiệt độ phòng, b) mẫu nung ở nhiệt độ 500oC ; c) mÉu nung ë
nhiƯt ®é 600oC [8]
________________________________________________________________________________ 11
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBMCBMA, 2008.


Hình 5 trình bầy quá trình nung kết tủa của phản ứng thủy phân TiCL4 tạo
thnh tinh thể anatase của TiO2 của các nh nghiên cứu tại Trờng đại học
Tsinghua, Bắc Kinh, Trung Quốc. Kết tủa thu đợc sau khi sấy khô ở dạng vô
định hình, nung ở 500oC v 600oC kết quả phân tích nhiễu xạ tia X cho thấy ở
500oC đà bắt đầu hình thnh tinh thể anatase v quá trình ny kéo di đến 600oC.
Giản đồ nhiễu xạ tia X đà chỉ rõ mẫu sản phẩm sau khi nung có các pic đặc trng
của tinh thể anatase [8]. Điều ny khẳng định rằng quá trình nung v nhiệt độ
nung l yếu tố rất quan trọng để tạo thnh tinh thể anatase.
Thờng thì các hợp chất Titanate gốc hữu cơ rất đắt tiền nên sẽ tạo ra sản
phẩm có giá thnh cao. Trong một số nghiên cứu gần đây một số tác giả đà thnh
công trong việc chế tạo nano xúc tác quang hóa TiO2 từ muối vô cơ nh TiCl4
hoặc Ti(OSO4) [7-10] dẫn đến giá thnh rẻ hơn tuy chất lợng sản phẩm có kém
hơn. Đối với mục đích sử dụng để chế tạo sơn v lớp phủ trong xây dựng thì đa số
vật liệu nano TiO2 đợc điều chế theo phơng pháp thủy phân TiCl4 để tạo nên
sản phẩm có giá thnh hạ. Ví dụ bột nano xúc tác quang hóa TiO2 của Trung quốc
sản xuất theo phơng pháp thủy phân muối vô cơ của Ti4+ có giá từ 20-30 USD
trong khi đó giá sản phẩm cùng loại của Deggusa (Đức) đắt gấp đôi (khoảng từ

60-70 USD). HiƯn nay bét nano TiO2 P25 (kÝch th−íc trung bình 25 nm) đang l
sản phẩm thông dụng trên thị trờng.
1.2. Những ứng dụng của vật liệu nano xúc tác quang hóa
1.2.1. Những ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau
Có thể nói rằng trong hơn mời năm nay vật liệu nano xúc tác quang hóa
đợc quan tâm nghiên cứu vμ øng dơng rÊt nhiỊu bëi nh÷ng tÝnh chÊt tut vời
của nó. Cho đến nay ngời ta đà tìm thấy nhiỊu lÜnh vùc øng dơng c¸c tÝnh chÊt
xóc t¸c quang hóa để chế tạo những vật liệu có tính năng đặc biệt. Bảng 3 trình
bầy một số lĩnh vực ứng dơng cđa xóc t¸c quang hãa nano TiO2.

________________________________________________________________________________ 12
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBMCBMA, 2008.


Bảng 3: Những ứng dụng của vật liệu nano TiO2 xóc t¸c quang hãa trong mét sè
lÜnh vùc [11]
TÝnh chÊt
LÜnh vực
Tự lm sạch
Vật liệu xây dựng
(self-cleaning)

Lọc không
khí (airpurification)
Lọc nớc
(Water
purification)
Y học
Kháng khuẩn
(antibacteria)

Khác

Vật liệu cho giao
thông
Khác
Trong nh
Ngoi trời
Lọc nớc

Trị liệu ung th
Bệnh viện
Nơi công cộng

ứng dụng
Sứ vệ sinh, gạch ốp tờng nh bếp, nh tắm, phòng vệ
sinh, đồ nội thất, đá xây dựng, rèm, mnh cửa sổ, cửa ra
vo, các đồ dùng bằng nhựa, nhôm, chụp đèn, sơn
tờng trong v tờng ngoi nh v các công trình xây
dựng.,
Sơn phủ cho tờng của đờng hầm giao thông, tờng cách
âm,
Đồ ga, nệm cho bệnh viện, quần áo cho bệnh viện
Tác nhân lọc không khí cho điều hòa, quạt gió, tờng
nh
Sơn đờng cao tốc, vạch kẻ giao thông, bảng hiệu giao
thông, sơn tờng hầm giao thông..
Xử lý nớc sông, nớc ngầm, nớc hồ, nớc cho hồ nuôi
cá, xử lý nớc thải công nghiệp
Dụng cụ nội soi
Gạch sn nh, tờng bệnh viện, tờng phòng phẫu thuật,

nơi vô trùng, quần áo v đồ dùng trong bệnh viện
Sơn tờng cho nh vệ sinh công cộng, nh tắm công cộng,
tờng cho trại chăn nuôi gia súc..

1.2.2. Những ứng dụng nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng
Hoạt tính xúc tác quang hóa của nano TiO2 đà đợc biết đến gần 60 năm
qua. Tuy nhiên trong thời gian dμi viƯc øng dơng cđa vËt liƯu nμy trong thμnh
phÇn của sơn đà rất hạn chế bởi tác dụng oxy hóa mạnh của xúc tác quang hóa
nano TiO2 rất mạnh đà phá hủy mng sơn sớm gọi l sự phấn hóa mng sơn.
Trong thời gian hơn 10 năm trở lại đây các tính chất xúc tác quang hóa của nano
TiO2 đà thu hút sự quan tâm của rất nhiều các nh khoa học trên thế giới. Nhờ đó
m bản chất khoa häc cịng nh− nhiỊu øng dơng quan träng cđa nano xúc tác
quang hóa TiO2 đà đợc sử dụng để chế tạo những vật liệu có những tính năng
đặc biệt. Có thể tóm tắt những ứng dụng của nano TiO2 trong sơn xây dựng nh
sự trình bầy ở hình 6 sau đây:

________________________________________________________________________________ 13
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng ”, VIBMCBMA, 2008.


Tự lm sạch

Chống rêu mốc

Chống bám bụi

Diệt khuẩn

Lọc không khí

Hình 6: Những ứng dụng chính của xúc tác quang hóa TiO2 để chế tạo một số loại
sơn có tính năng đặc biệt [4]
Hiếm có một loại chất no lại có nhiều tác dụng v đồng thời có nhiều chức
năng nh bột nano TiO2 xúc tác quang hóa. Thờng các loại sơn có các chức năng
nh chống rêu mốc, diệt khuẩn thì ngời ta phải cho vo thnh phần sơn các tác
nhân chống rêu mốc, kháng khuẩn. Hoặc l đối với loại sơn tự lm sạch, chống
bám bụi thì ngời ta cũng phải sử dụng các tác nhân riêng khác nhau cho mỗi loại
chức năng vừa kể trên. Tuy nhiên đối với bột nano xúc tác quang hóa thì cùng
một loại nano TiO2 có thể có tất cả các chức năng vừa kể trên. Điều ny cho thấy
khả năng ứng dụng to lớn của nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng
1.2.3. ứng dụng của bột nano TiO2 xúc tác quang hóa trong sơn diệt khuẩn
Để có tính năng diệt khuẩn hoặc kháng khuẩn trong sơn thông thờng
ngời ta có thể đa vo thnh phần của sơn các tác nhân diệt khuẩn mạnh nh Ion
Bạc (Ag+), Đồng (Cu2+), Kẽm (Zn2+) hoặc các tác nhân diệt khuẩn khác có nguồn
gốc hữu cơ [11]. Trong đó ion bạc đợc sử dụng thờng xuyên vì đó l chất ít độc
hơn.

________________________________________________________________________________ 14
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBMCBMA, 2008.


Bột nano xúc tác quang hóa TiO2 đợc ứng dụng lm tác nhân diệt khuẩn
cho sơn xây dựng có rất nhiều u điểm v đợc sử dụng ở nhiều nớc bëi c¸c lý
do sau:
- Bét nano TiO2 tham gia trong thnh phần của sơn không gây độc hại
- Bột nano TiO2 l chất diệt khuẩn rất mạnh.
- Ngoi tác dụng diệt khuẩn khi tham gia vo thnh phần của sơn nano TiO2 còn
có tác dụng diệt nấm, rêu mốc, thậm chí cả virut v có tác dụng lọc phân hủy các
chất độc tố trong không khí trong nh (nh khói thuốc lá, hơi dung môi, hóa
chất.....) rất có hiệu quả.

Tác dụng diệt khuẩn của bột nano TiO2 đà đợc nghiên cứu thử nghiệm
trong rất nhiều công trình nghiên cứu [2, 5, 11,]. Nh đà trình bầy ở mục 1.1.3 về
cơ chÕ t¸c dơng cđa xóc t¸c quang hãa, khi cã ánh sáng thì nano xúc tác quang
hóa sản sinh ra các tác nhân oxy hóa rất mạnh. Những tác nhân nμy cã t¸c dơng
diƯt vi khn, vi rót vμ c¸c mầm gây bệnh hoặc nấm mốc. Trong những nghiên
cứu trớc đây ngời ta đà khẳng định rằng khi thử nghiệm nu«i cÊy vi khuÈn E.
Coli trong m«i tr−êng cã tiÕp xúc với bề mặt có phủ sơn nano xúc tác quang hãa
th× chØ sau 1 giê toμn bé vi khuÈn bị tiêu diệt hết. Tại Miền Tây của Nhật Bản
năm 1996 đà xảy ra hiện tợng ngộ độc thực phẩm do trong thức ăn có chứa vi
khuẩn E.Coli, hậu quả l gần 1800 ngời phải nhập viện trong đó 12 ngời đà bị
tử vong. Ngời ta đà tìm ra nguyên nhân l do thực phẩm bị nhiễm khuẩn E.Coli
v loại vi khuẩn ny đà sản sinh ra một độc tố l O-157 endotoxin đà lm nhiều
ngời bị ngộ độc v có thể gây tử vong. Nhóm nghiên cứu của giáo s Akira
Fujishima ở Đại học Tổng hợp Tokyo đà tiến hnh khử độc tố bằng bột nano xúc
tác quang hóa TiO2 v kết quả l chỉ sau 2 giờ hầu hết vi khuẩn v các chất độc đÃ
bị phân hủy v sau 4 giờ thì chúng bị phân hủy hon ton. Để thấy rõ hiệu quả
của phơng pháp ny, ngời ta có thể so sánh với một phơng pháp khác cịng
tiÕn hμnh cïng thêi gian nμy vμ thÊy r»ng ®Ĩ tiêu diệt vi khuẩn v phân hủy độc tố
trên ngời ta cần phải xử lý nhiệt ở 250oC trong 30 phút hoặc phải xử lý bằng cồn
ethanol có chứa xút (NaOH) [4].
________________________________________________________________________________ 15
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng ”, VIBMCBMA, 2008.


1.2.4. øng dơng cđa bét nano TiO2 xóc t¸c quang hóa trong sơn tự lm sạch
Trên thực tế, để lm sạch bề mặt của các vật liệu xây dựng nh gạch, kính
ngời ta gặp rất nhiều khó khăn, tiêu tốn nhiều năng lợng, chất tẩy rửa, v tất
nhiên l giá thnh tơng đối cao. Để chế tạo vật liệu có bề mặt tự lm sạch ngời
ta sử dụng hai phơng pháp chính: Tạo ra vật liệu có bề mặt siêu a nớc (super
hydrophilic) hoặc siêu kị nớc (super hydrophobic).

Sự thấm ớt của chất rắn với nớc trong môi trờng không khí phụ
thuộc vo mối liên hệ giữa sức căng bề mặt (nớc/không khí, nớc/chất rắn, v
chất rắn/không khí). Tỉ số giữa các sức căng ny đợc xác định bằng góc tiếp xúc
giữa giọt nớc v bề mặt cho tr−íc. Gãc tiÕp xóc b»ng 00 nghÜa lμ thÊm −ít
hoμn toμn, gãc tiÕp xóc b»ng 1800 nghÜa lμ hoμn ton không thấm ớt. Đối với bề
mặt kị nớc góc thấm ớt khoảng 1000. Nếu góc thấm ớt lớn hơn 1000 ta có bề
mặt siêu kị nớc (xem hình 7).

Hình 7: Góc tiếp xúc CA v các bền mặt siêu a nớc v siêu kị nớc
Bằng cách chuyển cấu trúc siêu nhỏ của các vật liệu đặc biệt lên trên bề
mặt các vật liệu thông thờng ta có thể thu đợc vật liệu có bề mặt siêu kị nớc.
Một số công trình nghiên cứu đà chứng minh đợc mối tơng quan giữa cấu trúc
nano, khả năng thấm ớt v việc loại bỏ chất bẩn với hiện tợng tự lm sạch ở lá
cây sen v hiệu ứng tự lm sạch ny ny đợc gọi l hiệu ứng lá sen (Lotus
Effect) [12, 13].

________________________________________________________________________________ 16
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBMCBMA, 2008.


Hình 8: Hiện ứng lá sen có góc tiếp xúc >130o
Bề mặt của lá sen có cấu tạo một lớp lông cực nhỏ (kích thớc vi nano
mét) v chính những sợi lông đà lm cho góc tiếp xúc lớn hơn 1300, điều đó có
nghĩa l lực liên kết giữa hạt nớc v bề mặt đợc lm giảm. Giọt nớc khi tiếp
xúc với các bề mặt nh vậy sẽ lập tức chuyển sang dạng hạt tròn. Các phần tử
chất bẩn sẽ bị các hạt nớc cuốn khỏi bề mặt xù xì (hình 8.).

Bề mặt thờng

Bề mặt tự lm sạch

Hình 9: Tác dụng tự lm sạch của sơn nano
Quá trình lm sạch dựa trên góc tiếp xúc nhỏ (siêu a nớc) đợc biết đến
từ khi phát hiện ra x phòng. Một cách tổng quát, chất tẩy rửa lm giảm sức căng
bề mặt của nớc do đó góc tiếp xúc sẽ giảm. Tuy nhiên có một phơng pháp khác
có thể lm giảm sức căng bề mặt của nớc m không cần sử dụng chất tẩy rửa đó
chính l sử dụng các lớp mng mỏng hoạt động trên bề mặt sản phẩm. Các lớp
mng mỏng loại ny thờng đợc lm từ các oxit kim loại hoặc l sunphit có khả
năng xúc tác quang hóa.
________________________________________________________________________________ 17
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBMCBMA, 2008.


Trong những năm gần đây ngời ta hay sử dụng TiO2 dạng nano để lm các
lớp mng nh vậy [5]. Khi TiO2 nano đợc chiếu sáng bằng ánh nắng mặt trêi nã
sÏ t¹o ra gãc tiÕp xóc rÊt bÐ (< 10) khi đó các giọt nớc sẽ trải đều trên bề mặt
(góc tiếp xúc gần bằng 00) thay vì tạo thnh giọt nh đà trình by ở phần trên. Khi
ngừng chiếu sáng tính siêu hấp thụ nớc của lớp mng TiO2 ny đợc giữ lại
trong khoảng 2 ngy. Hơn thế nữa khi đợc chiếu sáng mng TiO2 sinh ra các tác
nhân có tính oxi hóa rất mạnh có thể diệt khuẩn, phân hủy các hợp chất hữu cơ v
vô cơ.
Để nghiên cứu tính năng tự lm sạch của các bề mặt sơn nano xúc tác quang
hóa, ngời ta có thể sử dụng một số phơng pháp nh sau
a) Phơng pháp ®o gãc tiÕp xóc cđa giät n−íc vμ bỊ mỈt sơn
Nh đà trình bầy ở trên có hai loại bề mặt có thể có tính năng tự lm sạch l
- Bề mặt siêu a nớc (super hydrophilic) có góc tiếp xúc rất nhỏ < 1o. Đối với
loại bề mặt ny khi có nớc thì sự thấm ớt giữa nớc v bề mặt sơn sẽ tốt nhất
giúp cho việc rửa trôi xảy ra dễ dng hơn. Trên thực tế việc sử dụng x phòng
hoặc các chất tẩy rửa l các chất hoạt động bề mặt cũng lm tăng sự thấm ớt của
nớc v các chất bẩn bám trên bề mặt.

- Bề mặt siêu kị nớc (super hydrophobic) với bề mặt ny góc tiếp xúc phải lớn
hơn > 100o. Đối với bề mặt ny việc tự lm sạch sẽ diễn ra theo hiệu ứng lá sen
nh đà trình bầy ở trên. Trong thực tế thì khi trong thnh phần của sơn có chứa
các tác nhân kỵ nớc nh các hợp chất của silicone sẽ lm cho bề mặt sơn trở
thnh siêu kị nớc.
b) Phơng pháp đánh giá qua sự oxy hóa phân hủy các chất bẩn trên bề
mặt của xúc tác quang hóa
Một trong những tính chất rất quan trọng của sơn nano xúc tác quang hóa l
khả năng oxy hóa phân hủy các tạp chất hữu cơ khi tiếp xúc với hạt nano TiO2.
Việc ny đồng nghĩa với khả năng tự lm sạch của bề mặt sơn. Nghĩa l khi tÝnh
chÊt xóc t¸c quang hãa ph¸t huy t¸c dơng chúng sẽ phân hủy các chất bẩn bám
trên bề mặt cđa s¬n thμnh khÝ CO2 vμ n−íc H2O vμ nh− vậy khi có ma hoặc nớc
rửa bề mặt của sơn sẽ dễ rửa các chất bẩn hơn. Trong một số nghiên cứu trớc đây
________________________________________________________________________________ 18
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn x©y dùng ”, VIBMCBMA, 2008.


ngời ta đà xác định mức độ tự lm sạch bằng của sơn nano xúc tác quang hóa
bằng phản ứng phân hủy lm mất mu một số chất chỉ thị mu nh Rhodamaine,
Xanh methylen hoặc Resazurin trong dung dịch nớc [7, 14, 15]. Các dung dịch
có nồng độ từ 4-6 x 10-4 mol/lit của các chất trên đợc phun lên bề mặt của sơn
sau đó các tiêu bản của sơn đợc đa ra ánh sáng mặt trời hoặc chiếu tia UV. Khả
năng tự lm sạch đợc đánh giá theo thời gian mμ dung dÞch chÊt chØ thÞ mμu bÞ
biÕn mÊt.
1.2.5. øng dơng vËt liƯu nano TiO2 xóc t¸c quang hãa để lọc không khí v
phân hủy các độc tố
Việc ứng dụng vật liệu nano xúc tác quang hóa để lọc không khí v phân
hủy độc tố trong không khí đà đợc nghiên cứu thử nghiệm trên sơn tờng của
các căn phòng v tờng ngoi của các căn nh hoặc các công trình xây dựng
khác.

Cơ chế của tác dụng lọc không khí của Nano xúc tác quang hóa nh đÃ
trình bầy tại mục 1.2.1. về cơ chế chung của xúc tác quang hãa. Khi cã ¸nh s¸ng
xóc t¸c quang hãa sinh ra các gốc oxy hóa tự do rất mạnh có thể oxy hóa các chất
hữu cơ độc hại về nớc (H2O) v khí cacbonic (CO2) không độc hại hoặc các chất
vô cơ khác ít độc hơn. Việc oxy hóa các chất hữu cơ theo phản ứng hóa học nh
sau [6]:

Các chất hữu cơ hầu hết có công thức hóa học CxHyXz
- NÕu X lμ nguyªn tư oxy (O) khi tiÕp xúc với xúc tác quang hóa sẽ bị oxy
hóa về các chất không độc hại l H2O, CO2
- Nếu X l nitơ (N) thì chất hữu cơ sẽ bị chuyển hãa thμnh H2O, CO2 vμ
ion X- sÏ lμ NO3- NÕu X l lu huỳnh (S) thì chất hữu cơ sẽ bÞ chun hãa thμnh H2O, CO2
vμ ion SO42- .
________________________________________________________________________________ 19
BC TK ĐT: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano xúc tác quang hóa cho sơn xây dựng , VIBMCBMA, 2008.