- NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP ỐNG NANO TiO 2 /Ag ỨNG DỤNG TRONG QUANG XÚC TÁC. - LUẬN VĂN THẠC SĨ : VẬT LIỆU VÀ LINH KIỆN NANO. - Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm. - 1.1 Vật liệu ống nano TiO 2 (TNTs. - 1.1.1 Vật liệu TiO 2. - 1.1.2 Sự hình thành và chuyển pha của vật liệu TiO 2. - 1.1.3 Hiện tƣợng quang xúc trên bề mặt vật liệu nano TiO 2. - 1.1.4 Một số dạng vật liệu nano TiO 2. - 10 1.1.4.3 Tấm nano TiO 2. - 1.1.5 Một số tính chất của vật liệu nano TiO 2. - 1.1.6 Tổng hợp nano TiO 2 bằng phƣơng pháp thủy nhiệt Error! Bookmark not defined.. - 1.1.7 Ứng dụng của vật liệu nano TiO 2. - 1.1.7.2 Trong lĩnh vực quang xúc tác. - 1.2.1 Vật liệu nano bạc. - 1.2.3 Các phƣơng pháp tổng hợp hạt nano Ag. - 1.2.3.1 Phƣơng pháp khử hóa học. - 1.2.3.2 Phƣơng pháp khử vật lý. - 1.2.3.3 Phƣơng pháp sinh học. - 1.2.4 Tổng hợp nano Ag trên TNTs bằng phƣơng pháp khử quang. - 1.3 Vật liệu tổ hợp ống nano TiO 2 / Ag (TNTs/Ag. - 2.1 Chế tạo ống nano bằng phƣơng pháp thủy nhiệt. - 2.2 Tổng hợp nano TNTs/Ag bằng phƣơng pháp chiếu đèn UVC. - 2.2.2 Quy trình phản ứng khử quang tổng hợp TNTs/Ag Error! Bookmark not defined.. - 2.3 Khảo sát khả năng quang xúc tác của vật liệu TNTs/Ag lên Methylene Blue Error! Bookmark not defined.. - 2.3.2 Hệ thí nghiệm đo quang xúc tác. - 2.3.3 Quy trình đo quang xúc tác. - 2.4 Các phƣơng pháp phân tích. - 3.1 Tổng hợp ống nano TiO 2 (TNTs. - 3.2 Tổng hợp TNTs/Ag bằng phƣơng pháp khử quang. - 3.3 Khảo sát khả năng quang xúc tác của TNTs/Ag. - 3.3.1 Khảo sát đặc tính quang xúc tác của vật liệu TNTs, TNTs/Ag và TiO 2. - 3.3.2 Khảo sát đặc tính quang xúc tác giữa các mẫu TNTs/Ag tổng hợp với nồng độ AgNO 3 khác nhau. - 3.3.3 Khảo sát ảnh hƣởng quá trình nung lên đặc tính quang xúc tác. - SEM: Scanning electron microscopy (Kính hiển vi điện tử quét) TNTs: Ống nano TiO 2. - TNTs/Ag: Ống nano TiO 2 /Ag. - 5 Hạt cầu nano TiO 2 và cơ chế tán xạ ánh ánh [55. - 6 Ảnh SEM mặt cắt ngang của vật liệu nano TiO 2 [51]. - 8 Hệ thủy nhiệt tổng hợp TNTs. - 1 Quy trình tổng hợp TNTs. - 4 Quy trình tổng hợp vật liệu tổ hợp TNTs/Ag Error! Bookmark not defined.. - 1 Giản đồ nhiễu xạ tia X của (a) TiO 2 thƣơng mại, (b) ống nano TiO 2. - 3 Ảnh TEM khảo sát ảnh hƣởng của thời gian khử quang lên hình thái vật liệu TNTs/Ag. - (c,d) TNTs/Ag 24h. - 8 Ảnh TEM khảo sát ảnh hƣởng của nhiệt độ nung lên hình thái vật liệu. - TNTs/Ag. - 9 Các mẫu dung dịch khảo sát quang xúc tác sau khi chiếu UVA 150 phút.. - 11 Khảo sát đặc tính quang xúc tác UVA của các mẫu TNTs/Ag 24h tại các nồng độ dung dịch AgNO 3 trong phản ứng khử quang 0,01M, 0,02M, 0,04M. - 12 Khảo sát đặc tính quang xúc tác UVA của các mẫu TNTs/Ag 24h tại các nhiệt độ nung khác nhau. - 13 Khảo sát đặc tính quang xúc tácUVA của các mẫu TNTs và TNTs/Ag tại cùng nhiệt độ nung. - Một phƣơng pháp xử lý nƣớc lý tƣởng cần có khả năng phân hủy các chất độc hữu cơ hoàn toàn mà không để lại các thành phần có hại. - Các phƣơng pháp sinh học, cơ học, nhiệt, hóa, xử lý vật lý hoặc sự kết hợp của chúng có thể áp dụng để làm sạch nƣớc bẩn. - Sự lựa chọn phƣơng pháp tối ƣu còn phụ thuộc vào đặc tính tự nhiên của nguồn ô nhiễm trong nƣớc bẩn, và mức độ ô nhiễm cho phép của nguồn nƣớc sau xử lý. - Hơn thế nữa, hiệu quả kinh tế của phƣơng pháp xử lý nƣớc cũng đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn phƣơng pháp. - Một số phƣơng pháp xử lý nƣớc đang đƣợc sử dụng phổ biến đã đạt đƣợc những thành công nhất định tuy nhiên mỗi phƣơng pháp đều có hạn chế riêng, và phạm vi ứng dụng phù hợp. - Nổi lên trong những thập kỷ gần đây là công nghệ nano và các phƣơng pháp xử lý nƣớc bằng chất xúc tác nano với nhiều ƣu điểm so với các phƣơng pháp truyền thống.. - Công nghệ nano là khoa học nghiên cứu và chức năng hóa vật liệu có kích thƣớc nano và hƣớng tới mục tiêu tạo ra vật liệu hoặc linh kiện nano với những tính chất ƣu việt bằng cách tăng diện tích bề mặt vật liệu so với vật liệu khối [8]. - Việc tăng tỷ số diện tích so với thể tích sẽ tăng độ nhạy của vật liệu đối với tác nhân vật lý, hóa học và sinh học . - Nhờ công nghệ nano, việc sử dụng các chất xúc tác nano, hạt nano kim loại và bộ lọc nano đã cải thiện đƣợc đáng kể hiệu suất cũng nhƣ giảm giá thành và thân thiện với môi trƣờng trong quy trình xử lý môi trƣờng . - Nhờ kích thƣớc hạt có thể điều khiển từ 1nm đến 100nm và sự đồng nhất về hình thái, những tính chất ƣu việt của vật liệu nano đã đƣợc khám phá và ứng dụng trong các lĩnh vực điện, quang học, cảm biến, xúc tác, sinh học . - Trong lĩnh vực quang xúc tác và diệt khuẩn, vật liệu nano TiO 2 và nano bạc có ƣu thế vƣợt trội . - TiO 2 là vật liệu không độc hại, phổ biến trong các ứng dụng trong lĩnh vực năng lƣợng mặt trời [19] và đặc biệt là xử lý môi trƣờng bởi tính quang xúc tác mạnh và bền vững hóa học của chúng [8, 20]. - Vì vậy vật liệu nano TiO 2 thể hiện rõ đặc tính quang xúc tác mạnh trong vùng ánh sáng tử ngoại và có những hạn chế về quang xúc tác trong điều kiện ánh sáng khả kiến Nhằm khắc phục hạn chế này, nhiều nhóm nghiên cứu đã tìm cách pha tạp nano TiO 2 nhằm cải thiện hoạt tính kháng khuẩn và quang xúc tác, trong đó bạc là một ứng viên có triển vọng [8].. - Ngày nay, các nhà nghiên cứu đã tìm ra quy trình quang khử ion bạc trên nền vật liệu TiO 2 nhằm chế tạo ra vật liệu vừa có khả năng kháng khuẩn vừa có đặc tính quang xúc tác . - Nhờ quy trình quang khử này, đã tổng hợp đƣợc vật liệu tổ hợp ống nano TiO 2 và bạc. - Sự hiện diện của nano bạc trong vật liệu tổ hợp này đã cải thiện đáng kể khả năng hấp thụ photon nhờ hiệu ứng plasmon bề mặt và từ đó làm tăng số lƣợng cặp điện tử - lỗ trống trên bán dẫn nano TiO 2 [43]. - Các nghiên cứu về tính quang xúc tác của vật liệu tổ hợp trên đã đƣợc thực hiện trên các chất nhƣ α- hexachlorobenzene và dicofol [20]. - Các nghiên cứu mới nhất đang tập trung theo hƣớng kết hợp bán dẫn nano TiO 2 và bạc để tạo ra vật liệu tổ hợp dị thể nhằm ứng dụng trong việc xử lý nƣớc cũng nhƣ môi trƣờng.. - CHƢƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1 Vật liệu ống nano TiO 2 (TNTs). - Tuy nhiên, TiO 2 có nhiều đặc tính đặc biệt không chỉ trong ứng dụng phẩm màu mà còn trong các ứng dụng khác với đặc tính quang xúc tác mạnh để phá vỡ cấu trúc hữu cơ. - Trong quá trình tổng hợp TiO 2 bằng các phƣơng pháp khác nhau, pha tinh thể ban đầu của TiO 2 thƣờng là anatase. - Phƣơng pháp thủy nhiệt có để tổng hợp tinh thể TiO 2 trực tiếp từ dung dịch và kiểm soát pha kết tinh.. - Quang xúc tác đã phát triển mạnh và tập trung sự chú ý trong những năm gần đây bởi những ứng dụng sâu rộng trong nhiều lĩnh vực chủ chốt nhƣ công nghiệp, môi trƣờng, năng lƣợng [18, 24]. - Kể từ phát hiện về khả năng phân tách nƣớc đƣợc báo cáo trong nghiên cứu của Fujishima và Honda năm những tính chất quang xúc tác của loại vật liệu phù hợp đã đƣợc dùng để chuyển đổi năng lƣợng mặt trời thành năng lƣợng hóa học nhằm oxi hóa hoặc khử các chất thành các thành phần hữu dụng nhƣ khí hydro [46], hydrocarbon [59, 74] và loại bỏ vi khuẩn [5, 8], chất ô nhiễm trên bề mặt vật liệu hoặc hấp phụ kim loại nặng khi kết hợp với khoan sét [16, 19], không khí và nƣớc. - Trong các vật liệu quang xúc tác phổ biến, TiO 2 là vật liệu đƣợc nghiên cứu nhiều nhất và ứng dụng rộng rãi vì đặc tính oxi hóa mạnh nhằm phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ, tính kỵ nƣớc, độ bền hóa học, bền vững lâu dài, không độc hại, giá thành thấp và trong suốt đối với ánh sáng khả kiến . - Các đặc tính quang xúc tác của TiO 2 có đƣợc do sự hình thành cặp điện tử - lỗ trống khi hấp thụ ánh sáng cực tím có năng lƣợng lớn hơn độ rộng vùng cấm vật liệu [10] (Hình 1.2). - của bề mặt. - Sự hình thành của TiO 2 nano với những hình thái, tính chất đặc biệt đã thu hút sự chú ý nghiên cứu của cộng đồng khoa học, và nhiều loại vật liệu TiO 2 cấu trúc nano nhƣ hạt cầu, thanh nano, ống nano, sợi nano, tấm, và cấu trúc kết nối khác đã đƣợc. - tổng hợp . - Vật liệu TiO 2 cấu trúc nano đã đƣợc sử dụng rộng rãi không chỉ trong lĩnh vực quang xúc tác mà còn trong pin mặt trời nhạy quang, pin lithium – ion.. - Có nhiều yếu tố ảnh hƣởng lên đặc tính quang xúc tác của oxit titan , bao gồm kích thƣớc, diện tích bề mặt hiệu dụng, thể tích khoang, cấu trúc khoang, độ kết tinh .v.v. - Vì thế việc cải thiện đặc tính của vật liệu thực hiện thông qua điều chỉnh các thông số ảnh hƣởng lên tính chất quang xúc tác vật liệu tạo thành [33, 48]. - Bên cạnh đó, thông số chiều cấu trúc là một thông số quan trọng ảnh hƣởng mạnh lên tính chất vật liệu TiO 2 . - Vật liệu 1 chiều dạng sợi hoặc ống có ƣu thế giảm tỷ lệ tái hợp vì khoảng cách khuếch tán hạt tải ngắn. - Vật liệu tấm nano 2 chiều có bề mặt mịn và độ bám dính cao, hoặc cấu trúc 3 chiều có độ linh động hạt tải cao bởi cấu trúc liên kết lẫn nhau [18, 24]. - Việc lựa chọn loại cấu trúc vật liệu nano TiO 2 cho ta lợi thế khi điều chỉnh tính chất vật liệu theo mong muốn.. - 1.1.4 Một số dạng vật liệu nano TiO 2 1.1.4.1 Hạt cầu TiO 2. - Các đặc tính đặc biệt và hữu dụng của nhóm vật liệu này đã đƣợc báo cáo trong nhiều nghiên cứu [32, 85]. - Những tính chất này nói chung sẽ cải thiện đặc tính quang xúc tác vì tốc độ các phản ứng quang xúc tác phụ thuộc nhiều vào diện tích bề mặt tiếp xúc của vật liệu đối với chất hữu cơ [40, 42]. - 5 Hạt cầu nano TiO 2 và cơ chế tán xạ ánh ánh [55].. - Các hạt cầu tạo thành có thể đƣợc xử lý bằng phƣơng pháp thủy nhiệt trong dung dịch NaOH, tính chất của hạt cũng phụ thuộc vào quá trình rửa và nung sau đó. - Các hạt cầu TiO 2 đƣợc nung tại 400 o C có tính quang xúc tác mạnh nhất, khả năng phân hủy chất hữu cơ tốt nhất so với các hạt đƣợc nung ở 500 o C và 600 o C [47]. - Vật liệu TiO 2 với cấu trúc một chiều, nhƣ sợi và ống có các tính chất đặc biệt và ƣu điểm trong các phản ứng quang xúc tác. - Trong cấu trúc sợi và ống nano TiO 2 , tỷ lệ diện tích bề mặt so với thể tích lớn làm giảm tỷ lệ tái hợp điện tử - lỗ trống và có tỷ lệ truyền tải điện tích giữa các mặt cao, hai hiệu ứng này giúp làm tăng hiệu suất và phạm vi ứng dụng trong lĩnh vực quang xúc tác [7]. - Ngày nay, sợi TiO 2 đã đƣợc sử dụng trong nhiều lĩnh vực bao gồm quang xúc tác, cảm biến khí [30, 58], pin mặt trời nhạy màu [72, 73], pin [57]. - Có nhiều phƣơng pháp để tổng hợp sợi vật liệu TiO 2 1 chiều nhƣ electrospinning, đây là một phƣơng pháp đơn giản và hiệu quả để tổng hợp sợi nano TiO 2 sử dụng điện trƣờng mạnh, với cách thiết lập hệ tổng hợp dơn giản nhƣ phƣơng pháp phun điện tử [62]. - Anod hóa cũng là một phƣơng pháp hiệu quả để tổng hợp ống TiO 2 sử. - Huỳnh Nguyễn Thanh Luận, Huỳnh Chí Cƣờng, Lâm Quang Vinh, Hà Thúc Chí Nhân, Lê Văn Hiếu Tổng hợp vật liệu nano Ag và TiO 2 nhằm ứng dụng diệt khuẩn", Hội nghị Khoa Học trƣờng Đại học Khoa Học Tự Nhiên.. - Thái Thủy Tiên, Quyền, Lê Văn Quyền, Âu Vạn Tuyền, Hà Hải Nhi, Nguyễn Hữu Khánh Hƣng, Huỳnh Thị Kiều Xuân Nghiên cứu tổng hợp TiO 2 ống nano bằng phƣơng pháp anod hóa ứng dụng trong quang xúc tác", Tạp chí Phát triển Khoa Học và Công Nghệ. - Phạm Văn Việt, Trần Ngọc Quang, Cao Minh Thì, Vũ Thị Hạnh Thu, Lê Văn Hiếu Hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano TiO 2 cấu trúc một chiều (1D)", Đại học Sài Gòn. - Synthesis of Ag–