- Nghiên c ứ u đ i ề u ch ế v ậ t li ệ u TiO 2 bi ế n tính kích th ướ c nano mét và kh ả o sát kh ả n ă ng quang xúc tác c ủ a chúng. - Tuy nhiên, hi ệ u su ấ t c ủ a quá trình quang xúc tác này đ ôi khi b ị ng ă n c ả n b ở i độ r ộ ng vùng c ấ m c ủ a nó. - “Nghiên c ứ u đ i ề u ch ế v ậ t li ệ u TiO 2 bi ế n tính kích th ướ c nano mét và kh ả o sát kh ả n ă ng quang xúc tác c ủ a chúng”.. - Ta có các ứ ng d ụ ng xúc tác quang c ủ a TiO 2 đượ c đư a ra nh ư trong hình 3.. - Nhìn vào hình 4 ta có th ể th ấ y l ượ ng TiO 2 s ử d ụ ng cho l ĩ nh v ự c quang xúc tác chi ế m g ầ n 50% trong nh ữ ng ứ ng d ụ ng c ủ a TiO 2 và t ă ng d ầ n theo th ờ i gian [35].. - Hình 3: S ơ đồ ứ ng d ụ ng tính ch ấ t quang xúc tác c ủ a TiO 2 . - S ả n l ượ ng TiO 2 s ử d ụ ng h ằ ng n ă m trong l ĩ nh v ự c quang xúc tác:. - Hình 4: L ượ ng TiO 2 s ử d ụ ng h ằ ng n ă m trong l ĩ nh v ự c quang xúc tác.. - Quang xúc tác Quang đ i ệ n. - Ứ ng d ụ ng trong xúc tác quang hóa x ử lý môi tr ườ ng [1]. - Các ph ươ ng pháp v ậ t lý [2]. - Ph ươ ng pháp sputtering (b ắ n phá ion):. - Ph ươ ng pháp này th ườ ng đượ c dùng để đ i ề u ch ế màng TiO x đ a tinh th ể nh ư ng thành ph ầ n chính là rutile và không có ho ạ t tính xúc tác.. - Các ph ươ ng pháp hoá h ọ c. - Wei và c ộ ng s ự đ ã t ổ ng h ợ p các h ạ t nano TiO 2 đượ c đồ ng kích ho ạ t b ở i N và La v ớ i ho ạ t tính xúc tác t ố t h ơ n d ướ i ánh sáng nhìn th ấ y, t ạ i đ ó ch ấ t bi ế n tính N có nhi ệ m v ụ thu h ẹ p d ả i tr ố ng c ủ a TiO 2 và ch ấ t bi ế n tính La 3+ thì ng ă n c ả n s ự t ạ o thành k ế t t ụ c ủ a các h ạ t nano. - Chang và c ộ ng s ự c ũ ng đ ã thông báo v ề v ậ t li ệ u nano TiO 2 đượ c đồ ng kích ho ạ t b ở i Cr và N v ớ i s ự h ấ p th ụ ánh sáng nhìn th ấ y d ẫ n đế n m ộ t hi ệ u qu ả kh ử màu xúc tác quang xanh metylen, tr ừ khi ở n ồ ng độ ch ấ t thêm nit ơ th ấ p. - Các ứ ng d ụ ng xúc tác quang . - B ả n ch ấ t ph ả n ứ ng xúc tác quang c ủ a ch ấ t bán d ẫ n không ph ứ c t ạ p. - H 2 O 2 , ho ặ c O 2 , cùng đ óng vai trò quan tr ọ ng trong các ph ả n ứ ng xúc tác quang. - M ộ t di ệ n tích b ề m ặ t l ớ n v ớ i m ậ t độ b ề m ặ t h ằ ng s ố c ủ a các ch ấ t h ấ p ph ụ d ẫ n đế n t ố c độ ph ả n ứ ng xúc tác quang nhanh h ơ n. - Trong phát hi ệ n này, di ệ n tích b ề m ặ t riêng càng l ớ n thì ho ạ t tính xúc tác quang càng cao. - Khi kích th ướ c các h ạ t TiO 2 gi ả m xu ố ng, s ố l ượ ng các nguyên t ử đị nh ch ỗ trên b ề m ặ t t ă ng lên t ươ ng ứ ng v ớ i t ỉ lên di ệ n tích b ề m ặ t trên th ể tích c ũ ng t ă ng lên, đ i ề u này có th ể làm gia t ă ng thêm ho ạ t tính xúc tác. - M ộ t đ i ề u không thu ậ n l ợ i ở các h ạ t nano TiO 2 đ ó là chúng ch ỉ có th ể s ử d ụ ng ph ầ n tr ă m r ấ t nh ỏ ánh sáng m ặ t tr ờ i cho quá trình xúc tác quang. - Trên th ự c t ế , t ồ n t ạ i m ộ t kích th ướ c t ố i ư u đố i cho m ộ t ph ả n ứ ng xúc tác quang đặ c bi ệ t.. - H ọ đư a ra gi ả thuy ế t r ằ ng s ự ph ụ thu ộ c c ủ a hi ệ u su ấ t vào kích th ướ c h ạ t có ngu ồ n g ố c t ừ s ự khác nhau v ề ho ạ t tính hóa h ọ c ch ứ không t ừ các tính ch ấ t v ậ t lý c ủ a các ch ấ t xúc tác này.. - Wang và c ộ ng s ự đ ã th ấ y r ằ ng có m ộ t kích th ướ c t ố i ư u đố i v ớ i các h ạ t nano TiO 2 cho hi ệ u qu ả xúc tác quang t ố t nh ấ t trong vi ệ c phân h ủ y clorofom. - Yang và c ộ ng s ự đ ã tìm th ấ y r ằ ng các ố ng nano TiO 2 đượ c x ử lý b ở i dung d ị ch H 2 SO 4 có ho ạ t tính xúc tác quang trong quá trình phân h ủ y axit cam II theo th ứ t ự d ướ i đ ây: ố ng nano TiO 2 đượ c x ử lý b ở i dung d ị ch H 2 SO 4 1,0 mol/l >. - TiO 2 aerogel c ũ ng đượ c cho là h ứ a h ẹ n ho ạ t tính xúc tác quang t ố t. - Trong nhi ề u th ậ p k ỷ tr ướ c, v ậ t li ệ u nano TiO 2 đượ c kích ho ạ t b ở i kim lo ạ i nh ằ m nâng cao hi ệ u qu ả xúc tác quang trong quá trình phân h ủ y các ch ấ t ô nhi ễ m h ữ u c ơ khác nhau d ướ i ánh sáng nhìn th ấ y đ ã đượ c nghiên c ứ u r ộ ng. - Hình 8 cho bi ế t quá trình xúc tác quang phân h ủ y phenol v ớ i giai đ o ạ n ph ả n ứ ng d ướ i ánh sáng nhìn th ấ y và UV s ử d ụ ng các h ạ t nano TiO 2 đ ã đượ c kích ho ạ t b ở i Sn 4+ làm ch ấ t xúc tác quang [35].. - (a-Ch ấ t xúc tác TiO 2 nguyên ch ấ t. - Ch ấ t xúc tác quang TiO 2 đ ã đượ c kích ho ạ t b ở i V đ ã quang oxy hóa etanol. - Wei và c ộ ng s ự đ ã t ổ ng h ợ p các h ạ t nano TiO 2 đượ c đồ ng kích ho ạ t b ở i N và La v ớ i ho ạ t tính xúc tác t ố t h ơ n d ướ i ánh sáng nhìn th ấ y, t ạ i đ ó ch ấ t thêm N có nhi ệ m v ụ thu h ẹ p d ả i tr ố ng c ủ a TiO 2 và ch ấ t thêm La 3+ thì ng ă n c ả n s ự t ạ o thành k ế t t ụ c ủ a các h ạ t nano. - Chang và c ộ ng s ự đ ã thông báo v ề v ậ t li ệ u nano TiO 2 đượ c đồ ng kích ho ạ t b ở i Cr và N v ớ i s ự h ấ p th ụ ánh sáng nhìn th ấ y d ẫ n đế n m ộ t hi ệ u qu ả kh ử màu xúc tác quang xanh metylen, tr ừ khi ở n ồ ng độ ch ấ t thêm nit ơ th ấ p.. - Tuy nhiên, không ph ả i t ấ t c ả v ậ t li ệ u nano TiO 2 đượ c kích ho ạ t b ở i kim lo ạ i đề u có ho ạ t tính xúc tác quang cao h ơ n v ậ t li ệ u nano TiO 2 nguyên ch ấ t. - Martin đ ã phát hi ệ n ra các h ạ t nano TiO 2 đượ c kích ho ạ t b ở i V có ho ạ t tính xúc tác quang trong quá trình quang oxy hóa 4-clophenol th ấ p h ơ n so v ớ i các h ạ t TiO 2 nguyên ch ấ t. - Các v ậ t li ệ u nano TiO 2 đ ã đượ c kích ho ạ t b ở i phi kim đ ã đượ c coi nh ư ch ấ t xúc tác th ế h ệ th ứ ba. - Các v ậ t li ệ u nano TiO 2 đ ã đượ c kích ho ạ t b ở i các phi kim khác nhau đ ã đượ c nghiên c ứ u r ộ ng rãi v ề ho ạ t tính xúc tác quang d ướ i ánh sáng nhìn th ấ y. - Các v ậ t li ệ u nano TiO 2 đượ c kích ho ạ t b ở i phi kim đ ã đượ c ch ứ ng minh là có th ể làm t ă ng ho ạ t tính xúc tác quang c ủ a v ậ t li ệ u nano TiO 2 nguyên ch ấ t, đặ c bi ệ t ở vùng ánh sáng nhìn th ấ y.. - Nghiên c ứ u này đ ã cho th ấ y s ự t ă ng lên đ áng k ể ho ạ t tính xúc tác quang c ủ a các h ạ t nano TiO 2 kích ho ạ t b ở i N là do s ự t ạ o thành liên k ế t O-Ti-N nh ư oxynitride trong su ố t quá trình kích ho ạ t thay th ế . - S ự oxy hóa quang xúc tác các h ợ p ch ấ t h ữ u c ơ b ằ ng TiO 2 đ ã kích ho ạ t b ở i N d ướ i ánh sáng nhìn th ấ y ch ủ y ế u tr ả i qua các ph ả n. - Các ố ng nano TiO 2 đ ã kích ho ạ t b ở i N c ũ ng th ể hi ệ n ho ạ t tính oxy hóa xúc tác quang cao đố i v ớ i quá trình phân h ủ y khi isopropanol thành axeton và cacbon dioxit khi chi ế u sáng b ở i ánh sáng nhìn th ấ y.. - Hình 9: Các tính ch ấ t xúc tác quang c ủ a TiO 2-x N x và TiO 2 c ă n c ứ vào t ố c độ phân h ủ y do s ự thay đổ i ánh sáng làm m ố c ở quá trình h ấ p th ụ ánh sáng c ủ a xanh. - Ho ạ t tính xúc tác quang c ủ a TiO 2 đ ã kích ho ạ t b ở i l ư u hu ỳ nh c ũ ng đ ã đượ c nghiên c ứ u. - TiO 2 đ ã kích ho ạ t b ở i S đượ c phát hi ệ n là th ể hi ệ n m ộ t ho ạ t tính xúc tác. - TiO 2 đ ã kích ho ạ t S đ ã đượ c đ i ề u ch ế b ở i các ph ươ ng pháp khác nhau, th ể hi ệ n ho ạ t tính xúc tác quang khác nhau khi đượ c chi ế u sáng b ằ ng ánh sáng nhìn th ấ y do s ự ch ấ t mang đ i ệ n tích là khác nhau ở các m ẫ u này.. - M ộ t ho ạ t tính xúc tác quang đ áng chú ý đố i v ớ i quá trình phân h ủ y xanh metylen và isopropanal trong vùng ánh sáng nhìn th ấ y đ ã đượ c ch ứ ng minh đố i v ớ i TiO 2 đ ã kích ho ạ t b ở i C đ i ề u ch ế t ừ ch ấ t đầ u TiC. - Trong nghiên c ứ u hi ệ n t ượ ng quang phân h ủ y axeton, Yu và c ộ ng s ự đ ã th ấ y r ằ ng, TiO 2 đ ã kích ho ạ t b ở i F th ể hi ệ n ho ạ t tính xúc tác quang trong quá trình oxy hóa axeton thành CO 2 cao h ơ n P25 Degeussa. - Các v ậ t li ệ u nano TiO 2 đ ã kích ho ạ t b ở i N/F có ho ạ t tính xúc tác quang d ướ i ánh sáng nhìn th ấ y trong quá trình phân h ủ y c ả axtandehit và tricloetylen đề u cao do s ự t ạ o thành các l ỗ khuy ế t oxy trên b ề m ặ t h ơ n là do s ự t ă ng các tính ch ấ t h ấ p th ụ quang. - C ơ ch ế c ủ a ph ả n ứ ng quang xúc tác v ớ i titan đ ioxit kích th ướ c nano mét Nguyên lý c ơ b ả n v ề kh ả n ă ng quang xúc tác trên các ch ấ t bán d ẫ n là khi đượ c bi ế n tính b ở i ánh sáng có n ă ng l ượ ng l ớ n hay b ằ ng độ r ộ ng vùng c ấ m c ủ a ch ấ t bán d ẫ n (th ườ ng là tia t ử ngo ạ i do độ r ộ ng vùng c ấ m c ủ a nó khá l ớ n ~3.2eV) s ẽ t ạ o ra c ặ p electron- l ỗ tr ố ng (e, h. - Kích th ướ c h ạ t và c ấ u trúc TiO 2 ả nh h ưở ng nhi ề u đế n kh ả n ă ng xúc tác quang hoá. - B ộ t TiO 2 có kích th ướ c càng nh ỏ thì ho ạ t tính xúc tác càng cao. - H ầ u h ế t các tài li ệ u đề u ch ỉ ra r ằ ng TiO 2 d ạ ng b ộ t kích th ướ c nanomét có c ấ u trúc anatasese có ho ạ t tính xúc tác cao nh ấ t [10].. - Ph ươ ng pháp kh ả o sát kh ả n ă ng quang xúc tác c ủ a titan đ ioxit. - Trong lu ậ n v ă n này tác gi ả th ử ho ạ t tính quang xúc tác c ủ a b ộ t TiO 2 kích th ướ c nm đ i ề u ch ế đượ c thông qua kh ả n ă ng phân h ủ y màu dung d ị ch xanh metylen và kh ử ion amoni trong n ướ c c ủ a nó.. - đ ó xác đị nh đượ c ph ầ n tr ă m l ượ ng ch ấ t b ị phân h ủ y và đ ánh giá đượ c kh ả n ă ng xúc tác c ủ a b ộ t TiO 2 đ i ề u ch ế đượ c.. - Ph ươ ng pháp TEM. - Nghiên c ứ u đ i ề u ch ế b ộ t titan đ ioxit bi ế n tính kích th ướ c nano mét có ho ạ t tính quang xúc tác cao t ừ ch ấ t đầ u TiCl 4. - Nghiên c ứ u các y ế u t ố ả nh h ưở ng đế n kh ả n ă ng quang xúc tác c ủ a titan đ ioxit bi ế n tính.. - Xác đị nh đ i ề u ki ệ n thích h ợ p cho quá trình đ i ề u ch ế đượ c b ộ t titan đ ioxit bi ế n tính N có ho ạ t tính quang xúc tác cao theo ph ươ ng pháp th ủ y phân và ph ươ ng pháp t ẩ m.. - PH ƯƠ NG PHÁP TH Ự C NGHI Ệ M. - KH Ả O SÁT KH Ả N Ă NG XÚC TÁC QUANG HÓA C Ủ A TiO 2 LÀM M Ấ T MÀU XANH METYLEN. - Để kh ả o sát kh ả n ă ng xúc tác quang hoá cho quá trình phân hu ỷ các ch ấ t h ữ u c ơ trong dung d ị ch n ướ c chúng tôi đ ã kh ả o sát trên đố i t ượ ng là xanh metylen.. - N ồ ng độ xanh metylen. - N ồ ng độ xanh Metylen (g/l). - K ế t qu ả kh ả o sát ả nh h ưở ng c ủ a kh ố i l ượ ng TiO 2 đế n kh ả n ă ng xúc tác.. - Kh ố i l ượ ng TiO 2 (g). - Hình 16: Ả nh h ưở ng c ủ a l ượ ng TiO 2 đế n kh ả n ă ng xúc tác.. - Kh ố i l ượ ng Xanh metylen. - Kh ố i l ượ ng TiO 2 (g. - Hình 17: Ả nh h ưở ng c ủ a th ờ i gian ph ả n ứ ng đế n kh ả n ă ng xúc tác.. - N ồ ng độ xanh metylen (g/l). - Nh ậ n xét: Nh ư v ậ y b ộ t TiO 2 có kh ả n ă ng xúc tác quang hoá, làm phân hu ỷ xanh metylen v ớ i hi ệ u su ấ t cao. - Kh ả n ă ng xúc tác c ủ a TiO 2 ph ụ thu ộ c vào các đ i ề u ki ệ n nh ư : l ượ ng ch ấ t xúc tác, n ồ ng độ xanh metylen, th ờ i gian ph ả n ứ ng. - Kh ố i l ượ ng ch ấ t xúc tác: m TiO2 = 0.75g;. - Các y ế u t ố này s ẽ đượ c dùng để th ử ho ạ t tính quang xúc tác c ủ a các m ẫ u titan đ ioxit bi ế n tính đ i ề u ch ế đượ c.. - S ả n ph ẩ m đ i ề u ch ế đượ c cân kh ố i l ượ ng để tính hi ệ u su ấ t đ i ề u ch ế , đượ c ghi ph ổ XRD để xác đị nh thành ph ầ n pha và kích th ướ c h ạ t trung bình, đ em th ử quang xúc tác để kh ả o sát kh ả n ă ng quang xúc tác.. - N ồ ng độ. - N ồ ng độ (NH4)2SO4 (g/l). - N ồ ng độ (NH4)2SO4(g/l). - Kh ả n ă ng quang quang xúc tác cao nh ấ t t ạ i vùng t ỷ l ệ th ể tích C 2 H 5 OH/H 2 O trong kho ả ng 0.11÷0.25. - Hai quá trình này có ả nh h ưở ng ng ượ c chi ề u nhau lên kích th ướ c h ạ t trung bình và kh ả n ă ng quang xúc tác c ủ a TiO . - S ả n ph ẩ m đ i ề u ch ế đượ c cân kh ố i l ượ ng để tính hi ệ u su ấ t đ i ề u ch ế , đượ c ghi ph ổ XRD để xác đị nh thành ph ầ n pha và kích th ướ c h ạ t trung bình, đ em th ử quang xúc tác để kh ả o sát kh ả n ă ng quang xúc tác. - Ả nh h ưở ng c ủ a n ồ ng độ NH 3 đế n kh ả n ă ng quang xúc tác c ủ a s ả n ph ẩ m Quá trình th ự c nghi ệ m đượ c ti ế n hành nh ư đ ã nêu ở m ụ c 2.2.2.. - Đồ th ị bi ể u di ễ n ả nh h ưở ng c ủ a n ồ ng độ NH 3 đế n hi ệ u su ấ t phân hu ỷ quang xúc tác xanh metylen đượ c đư a ra trong hình 41.. - Hình 41 cho th ấ y các m ẫ u s ả n ph ẩ m đề u có kh ả n ă ng quang xúc tác cao d ướ i b ứ c x ạ c ủ a đ èn compact.. - Hình 44: Ả nh h ưở ng c ủ a t ỷ l ệ L/R đế n hi ệ u su ấ t phân hu ỷ quang xúc tác xanh metylen.. - 600 0 C, thành ph ầ n và c ấ u trúc m ẫ u ổ n đị nh d ầ n khi nhi ệ t độ nung t ă ng nên ho ạ t tính quang xúc tác t ă ng. - Kh ả o sát ả nh h ưở ng c ủ a TiO 2 đế n kh ả n ă ng xúc tác phân h ủ y ion amoni trong dung d ị ch n ướ c. - TiO 2 có kh ả n ă ng xúc tác làm phân h ủ y NH 4. - đế n kh ả n ă ng xúc tác phân h ủ y.. - Hình 52: Ả nh h ưở ng c ủ a l ượ ng TiO 2 đế n kh ả n ă ng xúc tác phân h ủ y.. - Kh ả o sát kh ả n ă ng xúc tác c ủ a TiO 2 khi l ượ ng NH 4 + thay đổ i Ti ế n trình thí nghi ệ m đượ c ti ế n hành nh ư m ụ c 2.2.4.. - K ế t qu ả kh ả o sát kh ả n ă ng xúc tác c ủ a TiO 2 khi l ượ ng NH 4 + thay đổ i.. - V ậ y b ộ t TiO 2 kích th ướ c nano mét có kh ả n ă ng xúc tác quang hoá làm phân hu ỷ đượ c ion NH 4. - Đ ã kh ả o sát đ i ề u ki ệ n thích h ợ p cho vi ệ c th ử nghi ệ m kh ả n ă ng quang xúc tác c ủ a b ộ t TiO 2 qua ph ả n ứ ng quang phân h ủ y xanh metylen là:. - Kh ố i l ượ ng ch ấ t xúc tác: m TiO2 = 0.75 g;. - B ướ c đầ u kh ả o sát các y ế u t ố phù h ợ p để đ i ề u ch ế b ộ t titan đ ioxit bi ế n tính N b ằ ng (NH 4 ) 2 SO 4 theo ph ươ ng pháp th ủ y phân TiCl 4 có kh ả n ă ng quang xúc tác cao:. - N ồ ng độ TiCl thích h 4 ợ p để có kh ả n ă ng quang xúc tác cao là t ừ 0.7 0.9mol / l ÷ và t ố t nh ấ t là ∼ 0.80mol / l. - Kh ả o sát ho ạ t tính xúc tác quang c ủ a b ộ t TiO 2 kích th ướ c nano mét đố i v ớ i quá trình kh ử màu thu ố c nhu ộ m. - Nguy ễ n Xuân Nguyên, Ph ạ m H ồ ng H ả i (2002), “Kh ử amoni trong n ướ c và n ướ c th ả i b ằ ng ph ươ ng pháp quang hóa v ớ i xúc tác TiO 2