Hợp chất TiO2 và ứng dụng

Thông tin tài liệu

Hợp chất TiO2 và ứng dụng.

Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 1 CBHD: TS. Lâm Quang VinhSVTH: Huỳnh Chí CườngMỤC LỤCMỤC LỤC 1DANH MỤC CÁC BẢNG . 3DANH MỤC HÌNH ẢNH 4MỞ ĐẦU 7PHẦN 1: TỔNG QUAN 8CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 81.1 Phương pháp sol-gel . 81.1.1 Giới thiệu . 81.1.2 Các quá trình chính x ảy ra trong Sol-Gel .91.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của quá trình Sol-Gel 131.1.4 Một số ứng dụng hiện nay của phương pháp sol -gel . 141.1.5 Các phương pháp tạo màng . 161.2 Hợp chất TiO2 và các ứng dụng 201.2.1 Các tính chất lý-hóa 201.2.2 Tính năng quang xúc tác .221.2.3 Sơ lược về vật liệu tự làm sạch 261.2.3.1 Góc tiếp xúc 261.2.3.2 Tính kỵ nước . 271.2.3.3 Tính ưa nước . 281.3 Các phương pháp phân tích m ẫu trong khóa luận .321.3.1 Nguyên lý và ứng dụng của phổ UV-VIS . 321.3.2 Nguyên lý và ứng dụng của phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 331.3.3 Nguyên lý và ứng dụng của các kính hiển vi TEM, SEM, A FM . 351.3.3.1 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 351.3.3.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 361.3.3.3 Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) 38PHẦN 2: THỰC NGHIỆM . 40CHƯƠNG II: TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LIỆU . 402.1 Tạo vật liệu TiO2 402.1.1 Quá trình tạo sol 402.1.1.1 Chuẩn bị 40Hóa chất 40Dụng cụ thí nghiệm . 40 Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 2 CBHD: TS. Lâm Quang VinhSVTH: Huỳnh Chí Cường2.1.1.2 Thực hiện 41Tạo sol SnO2 41Tạo sol TiO2 pha tạp SnO2 . 422.1.2 Quá trình tạo màng và bột: .442.1.3 Xử lí nhiệt 472.2 Khảo sát các tính chất . 472.2.1 Khảo sát năng lượng vùng cấm Eg . 482.2.2 Khảo sát các thành phần trong mẫu 482.2.3 Khảo sát các tính chất về kích thước và bề mặt mẫu: . 482.2.4 Thử tính năng quang xúc tác: . 48CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN . 513.1 Thay đổi mức năng lượng hấp thu 513.2 Hình thành tinh thể TiO2,SnO2 .533.3 Tính năng quang xúc tác . 583.3.1 Khả năng phân hủy MB .583.3.2 Tính siêu ưa nước của màng 613.3.3 Khả năng diệt khuẩn 63KẾT LUẬN 64Tài liệu tham khảo . 66 Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 3 CBHD: TS. Lâm Quang VinhSVTH: Huỳnh Chí CườngDANH MỤC CÁC BẢNGBảng 1.1 Tính chất quang của TiO2 .20Bảng 1.2 Số liệu về tính chất và cấu trúc của TiO2 . 21Bảng 3.1 Bảng kết quả góc thấm ướt của các mẫu 62 Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 4 CBHD: TS. Lâm Quang VinhSVTH: Huỳnh Chí CườngDANH MỤC HÌNH ẢNHHình 1.1 Phản ứng thủy phân 10Hình 1.2 Phản ứng ngưng tụ 11Hình 1.3 Sự phát triển cấu trúc tinh thể trong điều kiện xúc tác acid . 12Hình 1.4 Sự phát triển cấu trúc tinh thể trong điều kiện xúc tác base . 12Hình 1.5 Sự phát triển cấu trúc màng trong quá trình sol -gel . 13Hình 1.6 Các nhóm sản phẩm của phương pháp sol -gel 15Hình 1.7 Phương pháp phủ quay (spin coating) . 16Hình 1.8 Các giai đoạn của phương pháp phủ quay . 16Hình 1.9 Sự phát triển độ dày màng phủ . 18Hình 1.10 Quá trình phủ nhúng . 18Hình 1.11 Thiết bị phủ phun (súng phun) 19Hình 1.12 Hệ thống phủ chảy dòng .19Hình 1.13 Cấu trúc pha tinh thể rutile .21Hình 1.14 Cấu trúc pha tinh thể Anatase . 22Hình 1.15 Cấu trúc pha tinh thể brookite . 22Hình 1.16 Các cơ chế dịch chuyển điện tử 23Hình 1.17 Quá trình quang hoá v ới sự kích hoạt của các phân tử TiO2 24Hình 1.18 Bề rộng khe năng lượng của một số chất bán dẫn . 25Hình 1.19 Cấu trúc bề mặt của lá sen 27Hình 1.20 Hiệu ứng lá sen . 27Hình 1.21 Cơ chế chuyển từ tính kỵ nước sang tính ưa nước của TiO2khi đượcchiếu sáng . 29Hình 1.22 Bề mặt kỵ nước của TiO2 30Hình 1.23 Sự phân huỷ các chất hữu cơ làm lộ nhóm –OH .30Hình 1.24 Quá trình hấp phụ vật lý các phân tử nước 30Hình 1.25 Nước khuếch tán vào trong bề mặt vật liệu . 31Hình 1.26 Cơ chế tự làm sạch kết hợp tính chất siêu thấm ướt 32 Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 5 CBHD: TS. Lâm Quang VinhSVTH: Huỳnh Chí CườngHình 1.27 Cường độ tia sáng trong phương pháp đo UV-VIS . 33Hình 1.28 Máy UV-Vis Cary 100 Conc - Variant . 33Hình 1.29 Sơ đồ tán xạ tia X bởi nguyên tử . 34Hình 1.30 Sơ đồ nhiễu xạ tia X bởi tinh thể. . 34Hình 1.31 Máy chụp phổ XRD . 35Hình 1.32 Sơ đồ cấu tạo máy TEM .35Hình 1.33 Máy JEM – 1400 36Hình 1.34 Sơ đồ cấu tạo máy SEM .37Hình 1.35 Máy Jeol 6600 38Hình 1.36 Máy Nanotec Electronica S.L . 38Hình 1.37 Sơ đồ cấu tạo máy AFM .39Hình 1.38 Đồ thị các vùng hoạt động của mũi dò 39Hình 2.1 Sơ đồ tạo sol SnO2 41Hình 2.2 Sơ đồ tạo sol TiO2:SnO2 .44Hình 2.3 Máy nhúng màng (dip –coating) 46Hình 2.4 Máy OCA-20 – Dataphysics . 49Hình 3.1 Phổ UV-VIS của màng ứng với các nồng độ 51Hình 3.2 Sơ đồ dịch chuyển điện tử trong TiO2:SnO2 52Hình 3.3 Phổ hấp thu của các màng TiO2:SnO2pha tạp với các nồng độ khácnhạu tại 5000C 53Hình 3.4 Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu bột TiO2 tại các nhiệt độ khác nhau . 54Hình 3.5 Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu bột TiO2:SnO2 với các nồng độ pha tạpkhác nhau tại 5000C 55Hình 3.6 Ảnh TEM của mẫu TiO2:SnO2 56Hình 3.7 Ảnh SEM của mẫu TiO2:SnO2 57Hình 3.8 Ảnh AFM cùa mẫu màng TiO2:SnO2 (30%) tại 5000C 57Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn nồng độ MB theo thời gian ứng với các mẫu pha tạpSnO2khác nhau 58 Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 6 CBHD: TS. Lâm Quang VinhSVTH: Huỳnh Chí CườngHình 3.10 Đồ thị khảo sát nồng độ MB theo thời gian xúc tác ở mẫu TiO2 vàTiO2:SnO2 59Hình 3.11 Sự mất màu của dung dịch MB trên lam kính theo th ời gian . 60Hình 3.12 Góc thấm ướt trên lam kính chưa ph ủ màng .61Hình 3.13 Góc thấm ướt trên màng TiO2:SnO2 trong điều kiện bình thường .61Hình 3.14 Góc thấm ướt trên màng TiO2:SnO2 chiếu sáng 2 giờ (a) và màng TiO2chiếu UV (b) . 62Hình 3.15 Hình ảnh khuẩn lạc trên đĩa petri 63 Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 7 CBHD: TS. Lâm Quang VinhSVTH: Huỳnh Chí CườngMỞ ĐẦUVật liệu TiO2là chất bán dẫn có tính năng quang xúc tác rất mạnh trong việcứng dụng môi trường, có rất nhiều công trình trong và ngoài n ước nghiên cứu vậtliệu này [1,6,34]. Chỉ bằng việc chiếu sáng, các nhà nghiên c ứu nhận thấy các chấthữu cơ, các chất bẩn bị phân huỷ. Đặc biệt trong môi trường nước, dưới tác dụngcủa ánh sáng và sự có mặt của TiO2, các hợp chất ô nhiễm dễ dàng bị phân hủy.Tính chất này được áp dụng làm sạch nước, không khí và diệt khuẩn.Với độ rộng vùng cấm khoảng 3,2eV – 3,5eV, vật liệu TiO2 chỉ có thể chohiệu ứng xúc tác trong vùng ánh sáng t ử ngoại (UV). Tuy nhiên, b ức xạ UV chỉchiếm khoảng 4%-5% năng lượng mặt trời nên hiệu ứng xúc tác ngoài tr ời thấp [26].Để sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời có hiệu quả hơn, cần mở rộng phổ hấp thuTiO2về vùng ánh sáng khả kiến (loại bức xạ chiếm gần 45% năng lượng mặt trời)[26], nhiều tác giả đã pha tạp N với TiO2bằng phương pháp phún x ạ magnetron,phương pháp này đ òi hỏi thiết bị đắt tiền và khó pha tạp N với nồng độ cao. Đểkhắc phục những hạn chế của vật liệu TiO2có tính quang xúc tác t ốt trong vùng ánhsáng khả kiến, chúng tôi tổng hợp màng và bột TiO2pha tạp với SnO2bằng phươngpháp sol gel, đây là phương pháp cho đ ộ tinh khiết cao và có thể pha tạp với nồngđộ cao [16,21,22,24]. Sau đó chúng tôi dùng các phương pháp quang ph ổ để nghiêncứu tính chất quang của vật liệu TiO2pha tạp SnO2. Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 8 CBHD: TS. Lâm Quang VinhSVTH: Huỳnh Chí CườngPHẦN 1TỔNG QUANCHƯƠNG I:CƠ SỞ LÝ THUYẾT1.1 Phương pháp sol-gel:1.1.1 Giới thiệu:Phương pháp sol – gel là một kỹ thuật tổng hợp hóa keo để tạo ra các vật liệucó hình dạng mong muốn ở nhiệt độ thấp. Nó được hình thành trên cơ sở phản ứngthủy phân và phản ứng ngưng tụ từ các chất gốc (alkoxide precursors ) [17].Lịch sử phát triển:Giữa năm 1800 sự quan tâm phương pháp sol – gel để tạo gốm sứ và kínhđược bắt đầu với Ebelman và Graham khi nghiên cứu về gel Silic. Năm 1950 - 1960Roy và các cộng tác đã sử dụng phương pháp sol – gel để tạo ra gốm sứ mới vớithành phần là các đồng chất hóa học, bao gồm: Si, Al, Zr… mà không s ử dụngphương pháp gốm truyền thống. Bột, sợi, độ dày màng và thấu kính quang học thìđược tạo bởi phương pháp sol – gel [1].Các khái niệm cơ bản:[1]Một hệ Sol là một sự phân tán của các hạt rắn có kích thước khoảng 0.1 đến1µm trong một chất lỏng, trong đó chỉ có chuyển động Brown làm lơ l ửng các hạt.a) Kích thước hạt quá nhỏ nên lực hút là không đáng kể.b) Lực tương tác giữa các hạt là lực Val der Waals.c) Các hạt có chuyển động ngẫu nhi ên Brown do trong dung d ịch các hạtva chạm lẫn nhau. Sol có thời gian bảo quản giới hạn vì các hạt Sol hút nhau dẫn đến đông tụcác hạt keo. Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 9 CBHD: TS. Lâm Quang VinhSVTH: Huỳnh Chí CườngMột hệ Gel là một trạng thái mà chất lỏng và rắn phân tán vào nhau, trong đómột mạng lưới chất rắn chứa các thành phần chất lỏngPrecursor là những phần tử ban đầu để tạo những hạt keo (sol). Nó được tạothành từ các thành tố kim loại hay á kim, được bao quanh bởi những ligand khácnhau. Các precursor có th ể là chất vô cơ kim loại hay hữu cơ kim loại.Công thức chung của precursor : M(OR)XM là kim loạiR là nhóm alkyl có công th ức: CnH2n+1.Những chất hửu cơ kim loại được sử dụng phổ biến nhất là các alkoxysilans,như là Tetramethoxysilan (TMOS),Tetraethoxysilan (TEOS). Dĩ nhiên nhữngalkoxy khác như là các Aluminate, Titanate, và Borat c ũng được sử dụng phổ biếntrong quá trình Sol-gel.1.1.2 Các quá trình chính xảy ra trong Sol-Gel:Quá trình sol-gel là một phương pháp hóa h ọc ướt tổng hợp các phần tử huyềnphù dạng keo rắn trong chất lỏng và sau đó tạo thành nguyên liệu lưỡng pha của bộkhung chất rắn, được chứa đầy dung môi cho đến khi xảy ra quá trình chuyển tiếpsol-gel [1].Trong quá trình sol -gel các phần tử trung tâm trải qua 2 phản ứng hóa học cơbản: phản ứng thủy phân và phản ứng ngưng tụ (dưới xúc tác axit hoặc bazơ) đểhình thành một mạng lưới trong toàn dung dịch [17].Phản ứng thủy phân[1]:Phản ứng thủy phân thay thế nhóm alkoxide (-OR) trong liên kết kim loại-alkoxide bằng nhóm hydroxyl ( -OH) để tạo thành liên kết kim loại-hydroxyl. Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 10 CBHD: TS. Lâm Quang VinhSVTH: Huỳnh Chí CườngHình 1.1 Phản ứng thủy phânM(OR)n + xHOH → M(OR)n-x (OH)x + xROH (1.1)Phản ứng ngưng tụ [1]:Phản ứng ngưng tụ tạo nên liên kết kim loại-oxide-kim loại, là cơ sở cấu trúccho các màng oxide kim lo ại. Hiện tượng ngưng tụ diễn ra liên tục làm cho liên kếtkim loại-oxide-kim loại không ngừng tăng lên cho đến khi tạo ra một mạng lướikim loại-oxide-kim loại trong toàn dung d ịch. Phản ứng ngưng tụ diễn ra theo 2kiểu:Ngưng tụ rượu: M(OH)(OR)n-1 + M(OR)n→ (OR)n-1M-O-M(OR)n-1 + ROH (1.2)Ngưng tụ nước:M(OH)(OR)n-1 + M(OH)(OR)n-1→ (OR)n-1M-O-M(OR)n-1 + H2O (1.3) [...]... thuộc vào góc nghiêng của đế, độ nhớt của dung dịch phủ và tốc độ bay hơi của dung môi Phương pháp ph ủ chảy hiện nay chủ yếu được sử dụng phủ các trang thiết bị bằng thủy tinh của xe ôtô 1.2 Hợp chất TiO2 và các ứng dụng: 1.2.1 Các tính chất lý-hóa [5]: Tính chất hóa học: TiO2 trơ về mặt hóa học, có tính chất lưỡng tính, không tác dụng với nước, dung dịch axit loãng (trừ HF) và kiềm, chỉ tác dụng chậm... đun nóng lâu và tác dụng với kiềm nóng chảy Bị H2SO4 đặc nóng, HCl, kiềm đặc nóng phân hủy Tính chất vật lý: Ở điều kiện thường TiO 2 là chất rắn màu trắng trở nên vàng khi đun nóng TiO2 cứng, khó nóng chảy và bền nhiệt Công thức phân tử: TiO2 Khối lượng phân tử (M): 79,88 Nhiệt độ nóng chảy 1870 0C TiO2 xuất hiện trong tự nhiên không bao giờ ở dạng nguyên chất, nó tồn tại chủ yếu trong hợp kim (với... dày màng phụ thuộc vào độ nhớt, tốc độ bay hơi của dung dịch và tốc độ quay của đế Phủ nhúng (dip coating): Phương pháp phủ nhúng có thể được mô tả như là một quá trình trong đó đế cần phủ được nhúng vào dung dịch lớp phủ và sau đó được kéo ra với một vận tốc thích hợp dưới những điều kiện về nhiệt độ v à áp suất phù hợp Độ dày màng phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ kéo, lượng vật chất rắn và độ nhớt của dung... độ phản ứng quang hoá bằng cách tương tác với chất nền ở trạng thái ổn định hay ở trạng SVTH: Huỳnh Chí Cường Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 23 CBHD: TS Lâm Quang Vinh thái bị kích thích hoặc với các sản phẩm của phản ứng quang hoá tuỳ thuộc vào cơ chế của phản ứng Chất xúc tác quang khi được chiếu bằng ánh sáng thích hợp có thể tạo ra một loạt qui trình giống như phản ứng oxy hoá-khử và các phân... hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 25 CBHD: TS Lâm Quang Vinh TiO2 + hν → h+ + e– (1.9) Hình 1.18 Bề rộng khe năng lượng của một số chất bán dẫn Khả năng chuyển e– và lỗ trống h+ từ chất bán dẫn đến những chất bẩn bám trên bề mặt phụ thuộc vào vị trí dải năng lượng của chất bán dẫn so với thế oxy hoákhử của các chất bị hút bám Thế oxy hoá-khử của chất nhận phải thấp hơn mức năng lượng thấp nhất của vùng... tác quang khu ếch tán tới bề mặt của chất xúc tác (cặp e – lỗ trống sẽ bị bẫy tại bề mặt) và tham gia vào quá trình ph ản SVTH: Huỳnh Chí Cường Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com 24 CBHD: TS Lâm Quang Vinh ứng hoá học với các phân tử chất cho (D-donor) hay chất nhận (A-acceptor) (hình 1.17) Electron ở vùng dẫn có thể khử các phân tử thích hợp nhận electron (phản ứng khử 1.5) trong khi lỗ trống có thể... được sử dụng để chế tạo các oxide đa kim loại các dụng cụ quang học: gương nóng (hot mirror), gương l ạnh (cold mirror), thấu kính và bộ tách tia (beam splitter)… Gel khí (Aerogel): thu được bằng cách sấy siêu tới hạn gel ướt (wet gel) Gel khí có ứng dụng trong nhiều lãnh vực: hấp thụ năng lượng mặt trời (silica aerogel), xúc tác (alumina (Al 2O3) aerogel có pha tạp kim loại), chất cách điện và cách... chủ yếu trong hợp kim (với Fe), trong khoáng chất và trong các quặng đồng Bảng 1.1 Tính chất quang của TiO2 [4] Pha Chiết suất Khối lượng riêng (g.cm-3) Cấu trúc tinh thể Anatase 2.49 3.84 Tetragonal Rutile 2.903 4.26 Tetragonal SVTH: Huỳnh Chí Cường Liên hệ: thanhlam1910_2006@yahoo.com Bảng 1.2 21 CBHD: TS Lâm Quang Vinh Số liệu về tính chất và cấu trúc của TiO2 [4] Rutile Brookite Tet Tet Orth 4.5845... liệu màng mỏng và hạt nano TiO 2 chỉ tồn tại ở dạng thù hình anatase và rutile, hơn nữa khả năng xúc tác quang của brookite hầu như không có nên ta sẽ không xét đến pha brookite trong phần còn lại của đề tài Hình 1.15 Cấu trúc pha tinh thể brookite 1.2.2 Tính năng quang xúc tác [34]: Chất xúc tác quang là chất làm tăng tốc độ phản ứng quang hoá Khi được chiếu ánh sáng với cường độ thích hợp chất xúc tác... diện tích bề mặt hiệu dụng và bậc tinh thể * Diện tích bề mặt hiệu dụng Bề mặt màng là nơi cấu trúc tinh thể dang dở - nơi sai hỏng mạng Tính năng quang xúc tác của màng TiO 2 mạnh hay yếu, phụ thuộc vào hai diễn tiến xảy ra đồng thời trên bề mặt màng liên quan đến hoạt động của các cặp điện tử-lỗ trống: diễn tiến tích cực là phản ứng oxy hoá-khử và diễn tiến tiêu cực là sự tái hợp Do đó, màng TiO 2 . ôtô.1.2 Hợp chất TiO2 và các ứng dụng: 1.2.1 Các tính chất lý-hóa [5]:Tính chất hóa học :TiO2 trơ về mặt hóa học, có tính chất lưỡng tính, không tác dụng với. nhận thấy các chấthữu cơ, các chất bẩn bị phân huỷ. Đặc biệt trong môi trường nước, dưới tác dụngcủa ánh sáng và sự có mặt của TiO2, các hợp chất ô nhiễm

Ngày đăng: 07/11/2012, 15:50

Xem thêm: Hợp chất TiO2 và ứng dụng