1 Danh sách các từ viết tắt DC direct current, dòng điện 1 chiều UV ultr-violet, ánh sáng cực tím VIS visible, ánh sáng nhìn thấy I dòng phún xạ (A) V thế phún xạ (V) p áp suất khí làm việc (mtorr) h khoảng cách bia – đế (cm) d độ dày màng (nm) 2 O f tỷ lệ mol khí O 2 /Ar E. Coli Vi khuẩn Escherichia Coli AFM atomic force microscope, kính hiển vi nguyên tử lực XRD X-ray diffraction, nhiễu xạ tia X 2 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình I. 1. Cấu trúc tinh thể rutile (a), anatase (b) và brookite (c) Hình I. 2. Đa diện phối trí của TiO2 Hinh I. 3. Ô cơ sở của anatase và rutile Hình I. 4. Cơ chế quang xúc tác Hinh I. 5. Hình ảnh các góc Hình I. 6. Mô hình các lực trong phương trình Young Hình I. 7. Cơ chế siêu thấm ướt Hình I. 8. Kính chống mờ Hinh I. 9. Khả năng tử làm sạch của màng Hình I. 10. Các hình thái khác nhau của vi khuẩn Hình I.11. Hình ảnh phóng đại của E. coli Hình I. 12. Cấu tạo màng tế bào vi khuẩn. Hình I. 13. Mô hình cấu tạo màng tế bào vi khuẩn Hình I. 14. Công thức cấu tạo photpholipit Hinh I. 15. Công thức cấu tạo của protein và lipit Hinh I. 16. Mô hình quá trình diệt khuẩn của màng TiO 2 Hình I.11. Hình ảnh phóng đại của E. coli trong quá trình quang xúc tác của màng. Những tế bào tổn thương có màu đỏ Hình I. 18. Anh AFM của các tế bào E. Coli trên bề mặt màng TiO 2 sau các thời lượng chiếu sáng UV khác nhau HìnhII. 1 Hệ máy phún xạ magnetron tại phòng thí nghiệm vật lý chân không –ĐH KHTN Hình II. 2. Bố trí hệ phún xạ trong buồng chân không Hình II. 3. Cấu trúc bên trong của bơm khuyếch tán dầu Hình II. 4. Cấu trúc bơm cánh quạt Hình II. 5. Cấu tạo hệ phún xạ magetron Hinh II. 6. Hệ magetron trong buồng chân Hình II. 7. Bố trí nam châm trong hệ magnetron không cân bằng Hình II. 8. Hệ magnetron cân bằng Hình II. 9. Hệ magnetron không cân bằng HìnhIII. 1. Màu xanh của plasma trong quá trình tẩy bia 3 Hình III. 2. Sơ đồ hệ đo góc thấm ướt nước Hình III. 3. Mô hình tổng quát hệ đo Hình III. 4. Giao diện dùng để đo góc tiếp xúc nước của phần mềm FTA32 Hình III. 5. Quy trình đo diệt khuẩn Hình III. 6. Một số dụng cụ thí nghiệm Hình III. 7. Khảo sát khả năng diệt khuẩn của tia Hình IV. 1. Phổ truyền qua UV-VIS của các mẫu M11, M10, Hình IV. 2. Phổ XRD của các mẫu M11, M10, M9 và M8 Hình IV. 3. Sự thay đổi gốc thấm ướt theo thời gian chiếu UV của các màng với I = 0. 3A và p = 13mtorr Hình IV. 4. Sự thay đổi góc tấm ướt của các mẫu M11, M10, M9, M8, M26 theo thời gian chiếu sáng Hình IV. 5. kết quả diệt khuẩn của các màng được chế tao ở điều kiện I = 0. 3A và p = 13mtorr Hình IV. 6. Phổ truyền qua UV-VIS của các mẫu M13, M9, M38 Hình IV. 7. Phổ XRD của các mẫu M13, M9 và M38 Hình IV. 8. Sự thay đổi gốc thấm ướt theo thời gian của các màng có cùng dộ dày (~346nm) Hình IV. 9. Sự thay đổi góc thấm ướt của các mẫu M13, M9 và M38 Hình IV. 10. Hình hình ảnh diệt khuẩn của các mẫu M13, M9, M38 Hình IV. 11. Phổ truyền qua UV-VIS của các mẫu M16, M14, M30, M15 và M25 Hình IV. 12. Sự thay đổi gốc thấm ướt theo thời gian chiếu UV của các màng theo dộ dày Hình IV. 13. Sự thay đổi góc thấm ướt của các mẫu M16, M14, M30, M15và M25 Hinh IV. 14. Kết quả diệt khuẩn của các màng được chế tao ở điều kiện I = 0. 3A và p = 9mtorr Hình IV. 15. Phổ truyền qua UV-VIS của các mẫu M22, M14, M9 4 Hình IV. 16. Sự thay đổi gốc thấm ướt theo thời gian chiếu UV của các màng có cùng dộ dày (~250nm) Hình IV. 17. Sự thay đổi góc thấm ướt của các mẫu M22, M14, M19 theo thời gian chiếu sáng Hình IV. 18. Hình ảnh diệt khuẩn của các mẫu M22, M14, M19 Hình V. 1. Đế gốm khi đã được cắt nhỏ để có thể phún xạ Hình V. 2. Đế gốm sau khi được phủ màng Hình V. 3. Sự thay đổi góc thấm ướt theo thời gan chiếu UV của mẫu số 9 và đế gốm Hình V. 4. Hình ảnh đo góc thấm ướt theo thời gian của đế gốm và màng số 9 5 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng I. 1. Một số tính chất chủ yếu của 3 dạng tinh thể chính của TiO 2 7 Bảng I. 2. So sánh cấu trúc giữa hai trạng thái Anatase và Rutile 8 Bảng III. 1 Bảng số liệu đánh giá sai số 33 Bảng III.2 Kết quả khảo sát khả năng diệt khuẩn của tia UV 38 Bảng IV. 1. Thông số chế tạo của màng có độ dày khác nhau ở I = 0. 30A và p = 13mtorr 41 Bảng IV. 2. Kết quả đo góc thấm ướt theo thời gian chiếu sáng UV của các màng ở I = 0. 30A và p = 13mtorr 42 Bảng IV. 3. kết quả diệt khuẩn của màng sau 30p chiếu UV 44 Bảng IV. 4. Thông số chế tạo của màng có độ dày khoảng 340nm ở các dòng phún xạ khác nhau 47 Bảng IV. 5. Kết quả đo góc thấm ướt theo thời gian chiếu sáng UV của các mẫu có độ dày khoảng 340nm khi p = 13mtorr 49 Bảng IV.6. Kết quả diệt khuẩn sau 30p chiếu UV 51 Bảng IV.7. Thông số chế tạo màng có độ dày khác nhau ở I = 0. 30 A, p = 9mtorr 52 Bảng IV.8. Kết quả đo góc thấm ướt theothời gian chiếu sáng UV của các màng ở I = 0. 30A và p = 9mtorr 53 Bảng IV. 9. Kết quả diệt khuẩn sau 30 phút chiếu UV 55 Bảng IV. 10. Thông số chế tạo của màng có độ dày khoảng 250nm ở các dòng phún xạ khác nhau 57 Bảng 4. 11. Kết quả đo góc thấm ướt theo thời gian chiếu sáng UV của các mẫu có độ dày khoảng 250nm khi p = 16mtorr 58 Bảng IV. 12. Kết quả diệt khuẩn sau 30p chiếu UV 60 6 MỤC LỤC Trang Danh mục các từ viết tắc. Danh mục các hình vẽ. Danh mục các bảng. MỤC LỤC 1 MỞ ĐẦU 3 PHẦN TỔNG QUAN 5 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TiO 2 6 I. 1. Cấu trúc vật liệu TiO 2 6 I. 2. Tính chất quang xúc tác của màng TiO 2 9 I. 2. 1. Đặc điểm của tính quang xúc tác 9 I. 2. 2. Cơ chế hiện tuợng quang xúc tác 10 I. 3. Các hiệu ứng quang xúc tác của màng TiO 2 11 I. 3. 1. Tính kị ướt và siêu thấm ướt của màng TiO 2 11 I. 3. 2. Cơ chế siêu thấm ướt của màng TiO 2 13 I. 3. 3. Ứng dụng hiện tượng siêu thấm ướt của màng TiO 2 14 I. 3. 4. Tính diệt khuẩn của màng TiO 2 15 I. 4. Các yếu tố ánh hưởng lên tính năng quang xúc tác TiO 2 21 I. 4. 1. Diện tích hiệu dụng bề mặt của màng TiO 2 20 I. 4. 2. Độ kết tinh của tinh thể của màng TiO 2 20 CHƯƠNG II. HỆ TẠO MÀNG 21 II. 1. Hệ phún xạ tạo màng 21 II. 2. Hệ magnetron DC 23 II. 2. 1. Cấu tạo 23 II. 2. 2. Hệ magnetron cân bằng 25 7 II. 2. 3. Hệ magnetron không cân bằng 26 II. 2. 4. Hoạt động 26 PHẦN THỰC NGHIỆM 28 CHƯƠNG III. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 29 III. 1. Quy trình tạo màng 29 III. 2. Quy trình đo góc thấm nước của màng TiO 2 30 III. 3. Quy trình khảo sát tính diệt khuẩn của màng TiO 2 34 CHƯƠNG IV. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 40 IV. 1. Chế tạo màng ở áp suất phún xạ p = 13mtorr 41 IV. 1. 1 Ảnh hưởng của độ dày màng lên tính chất quang xúc tác 41 IV. 1. 2 Ảnh hưởng của dòng phún xạ lên tính chất quang xúc tác 47 IV. 2 Chế tạo màng ở theo áp suất phún xạ p = 9mtorr 51 IV. 2. 1 Ảnh hưởng của độ dày màng lên tính chất quang xúc tác 51 IV. 2. 2 Ảnh hưởng của dòng phún xạ lên tính chất quang xúc tác 56 IV. 3. Nhận xét về điều kiện tối ưu giữa hai áp suất p = 13mtorr và p = 9mtorr 62 CHƯƠNG V. BUỚC ĐẦU TẠO MÀNG TRÊN ĐẾ GỐM 63 V. 1. Quy trình tạo màng trên đế gốm: 63 VI. 1. 1. Quy trình xử lý đế và tạo màng 63 VI. 1. 2. Khảo sát tính năng tính năng siêu thấm ướt nước của màng 64 VI. 2. Kết quả của màng trên đề gốm 66 Kết luận và kiến nghị 68 Tài liệu tham khảo 8 MỞ ĐẦU Ngày nay, sự phát triển vượt trội của khoa học công nghệ đã đưa con người vào trong một thế giới hiên đại. Song song với sự phát triển đó, không tránh khỏi nhiều tác hại lớn về môi trường. Môi trường ngày càng trở nên ô nhiễm nghiêm trọng: nồng độ CO 2, NO 2 , SO 2 …trong không khí quá lớn gây nên hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng dần lên, mưa acid… Do đó, một vấn đề được đặt cho khoa học là phải tìm cách khắc phục tình trạng ô nhiễm môi trường trả lại bầu không khí trong lành cho thế giới, đưa con người tránh được những bệnh tật. Để giải quyết vấn đề môi trường, con người đã có nhiều giải pháp tích cực và có hiệu quả. Trong số đó, giải pháp sử dụng các loại vật liệu quang xúc tác đã được nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu trong những năm gần đây. Trong rất nhiều loại vật liệu có tính năng quang xúc tác như ZnO, Ta 2 O 5 , ZrO 2 , TiO 2 , , vật liệu titandioxide (TiO 2 ) cho thấy có triển vọng, ứng dụng hiệu quả nhất nhờ khả năng ôxy hóa mạnh, tính trơ hóa học, tính thân thiện với môi trường, khả năng hoạt hóa cao, độ ổn định lớn khi chiếu sáng, giá rẻ, không độc Chính vì vậy mà TiO 2 thu thút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu khắp nơi trên thế giới và được ứng dụng rộng rãi để : • Xử lý và làm sạch môi trường nước, không khí • Diệt virus, vi khuẩn và nấm mốc • Trong công nghiệp: sơn, thực phẩm, chế tạo pin mặt trời, … • Chế tạo kính chống đọng sương và tự làm sạch Và ở đây với một đề tài tốt nghiệp chúng tôi cũng muốn làm rõ hơn tính năng ưu việt của TiO 2 thông qua viêc chế tạo và khảo sát tính năng quang xúc tác của màng 9 TiO 2. Tính chất quang xúc tác được khảo sát dựa vào 2 tính chất quan trọng đó là: khả năng siêu dính ướt và khả năng diệt khuẩn của màng TiO 2. Màng ở đây được chế tạo bằng phương pháp phún xạ magnetron DC. Chế tạo màng bằng phương pháp phún xạ magnetron DC có thể được chia ra làm hai loại: phún xạ magnetron cân bằng, phún xạ magnetron không cân bằng. Với hệ phún xạ magnetron cân bằng thì màng sau khi được chế tạo thường ở cấu trúc vô định hình, màng phải qua nung nhiệt mới có thể đạt được cấu trúc anatase. Với hệ phún xạ magnetron không cân bằng thì có một bước đột phá, màng đạt được cấu trúc anatase ngay trong quá trình chế tạo. Theo một số đề tài nghiên cứu cùng phòng thí nghiệm trước đây cho thấy với hệ phún xạ magnetron không cân bằng B = 550 Gauss, công suất phún xạ tối đa trong khoảng 225W – 252W. Màng đã cho được tính năng quang xúc tác tốt. Với độ không cân bằng lớn, nhiệt độ đế sau khi phủ màng có nhiệt độ khá lớn. Kế thừa những thành quả nghiên cứu đó, chúng tôi đã phát triển thêm về công nghệ phún xạ magnetron không cân bằng. Bằng cách tăng khả năng không cân bằng của hệ phún xạ, chúng tôi giảm từ trường xuống còn 300 Gauss. Sự thay đổi này đã cho thấy có sự khác biệt: nhiệt độ tinh thể hóa trong quá trình chế tạo giảm xuống nhờ vậy màng có nhiều triển vọng ứng dụng chế tạo trên đế chịu nhiệt kém như giấy, polyme 10 [...]... TNG QUAN 11 CHNG I TNG QUAN V VT LIU I 1 VT LIU QUANG XC TC TiO2 Titandioxide TiO2 l mt loi vt liu rt ph bin trong cuc sng hng ngy ca chỳng ta Chỳng c s dng nhiu trong vic pha ch to mu sn, mu men, m phm v c trong thc phm Lng TiO2 c tiờu th hng nm lờn ti hn 3 triu tn Ngy nay TiO2 cũn c bit n trong vai trũ ca mt cht quang xỳc tỏc I 1 1 Cu trỳc ca vt liu TiO2 TiO2 kt tinh 3 dng khỏc bit: anatase, rutile... ny ph thuc s electron ra b mt trong quỏ trỡnh quang xỳc M s electron ra bố mt ph thuc vo gh gh v tinh th ca mng Do ú, g gh b mt v tinh th l hai yu t quan trng nht ca s quang xỳc tỏc ca mng I 3 2 C ch quang siờu thm t nc ca mng TiO2 Hin tng bin i t trng thỏi k t sang siờu thm t ca mng TiO2 cú th c gii thớch nh sau: Khỏc vi bờn trong khi, trờn b mt mng TiO2 mi anion O2khụng liờn kt vi ba cation Ti4+... trong quỏ trỡnh quang xỳc tỏc ca mng Nhng t bo tn thng cú mu Hỡnh I 10: khun e coli v cu to khun e coli Hỡnh I 18 Anh AFM ca cỏc t bo E Coli trờn b mt mng TiO2 sau cỏc thi lng chiu sỏng UV khỏc nhau Nhỡn chung, vt liu TiO2 cú kh nng dit khun mnh gp ba ln so vi chlorination v mnh gp 1 5 ln so vi ozone I.4 CC YU T NH HNG LấN TNH NNG QUANG XC TC CA MNG TiO2 Cú nhiu yu t nh hng n tớnh nng quang xỳc tỏc... sinh ra trong quỏ trỡnh quang xỳc tỏc õy nguyờn nhõn a n kh nng dit khun ca mng TiO2 Quỏ trỡnh dit khun cú th c n gin theo mụ hỡnh sau: Hinh I 16 Mụ hỡnh quỏ trỡnh dit khun ca mng TiO2 Trong quỏ trỡnh quang xỳc tỏc, cỏc gc hydroxyl v superoxide s phỏ hy mng t bo ca vi khun, lm cho t bo cht v ra v cui cựng thỡ vi khun b cht v b phõn hy Theo mt s nghiờn cu cho thy di tỏc dng ca quang xỳc tỏc, mng vi khun... +h H + OH 2 ( ads ) VB Chớnh cỏc gc hydroxyl v superoxide cú kh nng ụxy-húa cỏc cht hu c I 3 HIU NG QUANG XC TC CA MNG TiO2 Hiu ng quang xỳc tỏc ca mng TiO 2 õy c kho sỏt thụng qua kh nng t lm sch v dit khun da trờn tớnh siờu thm t v phn ng phõn hy hu c ca mng TiO2 I 3 1 Tớnh k t v siờu thm t nc ca mng TiO2 Hinh I 5 Hỡnh nh cỏc gúc thm t Khi ta nh mt git nc lờn mt b mt mng thỡ xy ra hin tng: Git nc... tinh th rutile TiO2 thuc nhúm i xng khụng gian P42/mmm, trong khi anatase thuc o nhúm I41/amd Th tớch ca ụ c s rutile bng 62 07 A 3 cũn ca ụ c s anatase bng 136 25 o A 3 Nhit chuyn pha t cu trỳc vụ nh hỡnh sang anatase l 500 oC 600oC v t anatase sang rutile l 800oC 900oC 14 C 2 cu trỳc tinh th anatas v rutile u c s dng lm cỏc cht quang xỳc tỏc, quang húa nhng anatase c ch ra l cú tớnh quang xỳc tỏc... Cú nhng gi thit cho l hot ng quang xỳc tỏc ca anatase cao hn l do mc Fermi ca anatase cao hn, kh nng hp thu oxy cao hn v bc hydroxyl cao hn Cú nhiu nghiờn cu cho thy hp cht ca anatase (70%-75%) + rutile (30%25%) thỡ hot ng tt hn anatase nguyờn cht Cu trỳc anatase bin i khụng thuõn nghch sang rutile bng cỏch gia tng nhit (khong 915C) I 2 TNH CHT QUANG XC TC TRấN MNG TiO2 Quang xỳc tỏc trờn mng TiO 2... hp I 2 1 c im ca tớnh quang xỳc tỏc Phng phỏp quang xỳc tỏc ó c coi l mt phng phỏp hiu qu trong vic loi b cỏc cht hu c c hi gúp phn lm sch mụi trng sng bi cỏc thun li sau: Hiu sut phõn hy cao ti nhit phũng Khụng cn cỏc cht ph gia húa hc Hiu sut lng t cao i vi cỏc tỏc cht th khớ Oxy húa hon ton cỏc hp cht hu c thnh CO2 v H2O Xỳc tỏc khụng t tin, khụng c hi Cht xỳc tỏc quang cú th c tỏi to cho... thm t Hiờn tng siờu dớnh t c ng dng chng m v t lm sch trờn cỏc tm kớnh c ph TiO2 Hiờn tng ny c ng dng nhiu i vi cỏc loi kớnh cho xe ụtụ hay kớnh cho cỏc tũa nh cao c Khi cỏc tm b bỏm bn bi cỏc ht bi nh, cỏc vt du m do s ụ nhim mụi trng Di tỏc dng ca ỏnh sỏng t ngoi kớch thớch phn ng Hỡnh I 8 Kớnh chng m 20 quang hoỏ trong lp TiO2 Khi nc ri trờn mt kớnh to ra hiu ng thm nc Nc tri u ra b mt to thnh mt... Mng TiO2 vụ nh hỡnh cú trt t sp xp tinh th gn, lỳc ú cu trỳc vụ nh hỡnh cú kt tinh thp khụng ỏng k Mng TiO2 a tinh th cú trt t sp xp tinh th xa, lỳc ú cu trỳc a tinh th cú kt tinh cao ỏng k Khi mng TiO2 cú kt tinh cng cao thỡ s tỏi hp ca in t-l trng cng nh, do ú mt ca chỳng cng nhiu v tớnh nng quang xỳc tỏc cng mnh Tuy nhiờn, khi kt tinh ca mng cng cao thỡ xp ca mng li cng gim v cú th dn n lm . hơn tính năng ưu việt của TiO 2 thông qua viêc chế tạo và khảo sát tính năng quang xúc tác của màng 9 TiO 2. Tính chất quang xúc tác được khảo sát dựa vào 2 tính chất quan trọng đó là: khả năng. TiO 2 6 I. 2. Tính chất quang xúc tác của màng TiO 2 9 I. 2. 1. Đặc điểm của tính quang xúc tác 9 I. 2. 2. Cơ chế hiện tuợng quang xúc tác 10 I. 3. Các hiệu ứng quang xúc tác của màng TiO 2 11 . BUỚC ĐẦU TẠO MÀNG TRÊN ĐẾ GỐM 63 V. 1. Quy trình tạo màng trên đế gốm: 63 VI. 1. 1. Quy trình xử lý đế và tạo màng 63 VI. 1. 2. Khảo sát tính năng tính năng siêu thấm ướt nước của màng 64