Nghiên cứu điều chế vật liệu TiO2 biến tính kích thước nano mét và khảo sát khả năng quang xúc tác của chúng

An Nhiên
An Nhiên(995 tài liệu)
(19 người theo dõi)
Lượt xem 196
16
Tải xuống 2,000₫
(Lịch sử tải xuống)
Số trang: 89 | Loại file: PDF
0

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 09/11/2012, 09:34

Mô tả: Nghiên cứu điều chế vật liệu TiO2 biến tính kích thước nano mét và khảo sát khả năng quang xúc tác của chúng. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Kim Giang-K18 Nghiên cứu điều chế vật liệu TiO2 biến tính kích thước nano mét và khảo sát khả năng quang xúc tác của chúng - 1 - MỞ ĐẦU Vật liệu nano là một trong những lĩnh vực nghiên cứu đỉnh cao sôi động nhất trong thời gian gần đây. Điều đó được thể hiện qua số các công trình nghiên cứu khoa học, số các bằng phát minh sáng chế, số các công ty có liên quan đến khoa học, công nghệ nano gia tăng theo cấp số mũ. Đây là một lĩnh vực hết sức mới mẻ vì nó ở biên giới giữa phạm vi ứng dụng của thuyết lượng tử hiện đại và thuyết vật lý cổ điển. Sở dĩ công nghệ nano điều chế các vật liệu mới đang rất được quan tâm là do hiệu ứng thu nhỏ kích thước làm xuất hiện nhiều tính chất mới đặc biệt và nâng cao các tính chất vốn có lên so với vật liệu khối thông thường, đặc biệt là các hiệu ứng quang lượng tử và điện tử. Vật liệu nano kích cỡ nano mét có những tính chất ưu việt như độ bền cơ học cao, tính bán dẫn, các tính chất điện quang nổi trội, hoạt tính xúc tác cao, v.v… [1]. Titan đioxit (TiO2) là một trong những vật liệu cơ bản trong ngành công nghệ này bởi nó có các tính chất lý hóa, quang điện tử khá đặc biệt và có độ bền cao, thân thiện với môi trường. Vì vậy, titan đioxit có rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống như hóa mỹ phẩm, chất màu, sơn, chế tạo các loại thủy tinh, men và gốm chịu nhiệt… Ở dạng hạt mịn kích thước nano mét TiO2 có nhiều ứng dụng hơn trong các lĩnh vực như chế tạo pin mặt trời, sensor, ứng dụng làm chất quang xúc tác xử lý môi trường, chế tạo vật liệu tự làm sạch …[2-4]. Đặc biệt TiO2 được quan tâm trong lĩnh vực làm xúc tác quang hóa phân hủy các chất hữu cơ và xử lý môi trường. Tuy nhiên, hiệu suất của quá trình quang xúc tác này đôi khi bị ngăn cản bởi độ rộng vùng cấm của nó. Vùng cấm của TiO2 nằm giữa vùng tử ngoại (UV) (3.0 eV đối với pha rutile và 3.2 eV đối với pha anatase), mà vùng UV chỉ chiếm một phần nhỏ của năng lượng mặt trời (~ 4%) [35]. Do dó, một trong những mục đích khi cải tiến hiệu suất quá trình quang xúc tác của TiO2 là làm tăng hoạt tính quang xúc tác bằng cách dịch chuyển độ rộng vùng cấm từ vùng UV tới vùng khả kiến. Để làm được điều này các nhà nghiên cứu đã tiến hành biến tính vật liệu TiO2 bằng nhiều phương pháp khác nhau như đưa Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Kim Giang-K18 Nghiên cứu điều chế vật liệu TiO2 biến tính kích thước nano mét và khảo sát khả năng quang xúc tác của chúng - 2 - thêm các kim loại, oxit kim loại của các nguyên tố khác nhau vào trong mạng tinh thể TiO2 như Zn, Fe, Cr, Eu, Y, Ag, Ni…hoặc đưa thêm các phi kim như N, C, S, F, Cl… hoặc đồng thời đưa hỗn hợp các nguyên tố vào mạng tinh thể TiO2… Hầu hết những sản phẩm được biến tính có hoạt tính xúc tác cao hơn so với TiO2 ban đầu trong vùng ánh sáng nhìn thấy [35]. Từ những nghiên cứu nền tảng đó, với mong muốn được đóng góp một phần nhỏ cho sự phát triển của ngành vật liệu mới, tác giả đã nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu điều chế vật liệu TiO2 biến tính kích thước nano mét và khảo sát khả năng quang xúc tác của chúng”. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Kim Giang-K18 Nghiên cứu điều chế vật liệu TiO2 biến tính kích thước nano mét và khảo sát khả năng quang xúc tác của chúng - 3 - PHẦN I: TỔNG QUAN 1.1. GIỚI THIỆU VỀ TITAN ĐIÔXIT KÍCH THƯỚC NANO MÉT 1.1.1. Cấu trúc của titan đioxit [1], [6] Titan đioxit là chất rắn màu trắng, khi đun nóng có màu vàng, khi làm lạnh thì trở lại màu trắng. Tinh thể TiO2 có độ cứng cao, khó nóng chảy (tnc0 = 18700C). a. Các dạng thù hình của titan đioxit TiO2 có bốn dạng thù hình. Ngoài dạng vô định hình, nó có ba dạng tinh thể là anatase (tetragonal), rutile (tetragonal) và brookite (orthorhombic) (Hình 1). Rutile là dạng bền phổ biến nhất của TiO2, có mạng lưới tứ phương trong đó mỗi ion Ti4+ được ion O2- bao quanh kiểu bát diện, đây là kiến trúc điển hình của hợp chất có công thức MX2, anatase và brookite là các dạng giả bền và chuyển thành rutile khi nung nóng. Tất cả các dạng tinh thể đó của TiO2 tồn tại trong tự nhiên như là các khoáng, nhưng chỉ có rutile và anatase ở dạng đơn tinh thể là được tổng hợp ở nhiệt độ thấp. Hai pha này cũng được sử dụng trong thực tế làm chất màu, chất độn, chất xúc tác . Tuy nhiên, các pha khác (kể cả pha ở áp suất cao) chẳng hạn như brookite cũng quan trọng về mặt ứng dụng, tuy vậy bị hạn chế bởi việc điều chế brookite sạch không lẫn rutile hoặc anatase là điều khó khăn. Dạng anatase Dạng rutile Dạng brookite Hình 1: Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Kim Giang-K18 Nghiên cứu điều chế vật liệu TiO2 biến tính kích thước nano mét và khảo sát khả năng quang xúc tác của chúng - 4 - Bảng 1. Một số tính chất vật lý của tinh thể rutile và anatase. Các thông số Rutile Anatase Cấu trúc tinh thể Tứ diện Tứ diện A (Å) 4.58 3.78 Thông số mạng C (Å) 2.95 9.49 Khối lượng riêng ( g/cm3) 4.25 3.895 Chiết suất 2.75 2.54 Độ rộng vùng cấm (eV) 3.05 3.25 Nhiệt độ nóng chảy 1830 ÷ 1850OC Ở nhiệt độ cao chuyển thành rutile Cấu trúc mạng lưới tinh thể của rutile, anatase và brookite đều được xây dựng từ các đa diện phối trí tám mặt (octahedra) TiO6 nối với nhau qua cạnh hoặc qua đỉnh oxi chung. Mỗi ion Ti4+ được bao quanh bởi tám mặt tạo bởi sáu ion O2-. Hình 2: Hình khối bát diện của TiO2. Các mạng lưới tinh thể của rutile, anatase và brookite khác nhau bởi sự biến dạng của mỗi hình tám mặt và cách gắn kết giữa các octahedra. Hình tám mặt trong rutile là không đồng đều do đó có sự biến dạng orthorhombic (hệ trực thoi) yếu. Các octahedra của anatase bị biến dạng mạnh hơn, vì vậy mức đối xứng của hệ là thấp hơn hệ trực thoi. Khoảng cách Ti – Ti trong anatase lớn hơn trong rutile nhưng khoảng cách Ti - O trong anatase lại ngắn hơn so với rutile. Trong cả ba dạng tinh Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Kim Giang-K18 Nghiên cứu điều chế vật liệu TiO2 biến tính kích thước nano mét và khảo sát khả năng quang xúc tác của chúng - 5 - thể thù hình của TiO2 các octahedra được nối với nhau qua đỉnh hoặc qua cạnh (Hình 1 và hình 2). b. Sự chuyển dạng thù hình của titan đioxit [1] Hầu hết các tài liệu tham khảo đều chỉ ra rằng quá trình thuỷ phân các muối vô cơ đều tạo ra tiền chất titan đioxit dạng vô định hình hoặc dạng cấu trúc anatase hay rutile. Khi nung axit metatitanic H2TiO3 một sản phẩm trung gian chủ yếu của quá trình sản xuất TiO2 nhận được khi thuỷ phân các dung dịch muối titan, thì trước hết tạo thành anatase. Khi nâng nhiệt độ lên thì anatase chuyển thành rutile. Quá trình chuyển dạng thù hình của TiO2 vô định hình - anatase - rutile bị ảnh hưởng rõ rệt bởi các điều kiện tổng hợp và các tạp chất, quá trình chuyển pha từ dạng vô định hình hoặc cấu trúc anatase sang cấu trúc rutile xảy ra ở nhiệt độ trên 4500C. Ví dụ: Với các axit metatitanic sạch, không có tạp chất, thì nhiệt độ chuyển pha từ anatase thành rutile sẽ nằm trong khoảng 610÷730OC. Với axit metatitanic thu được khi thuỷ phân các muối clorua và nitrat của titan thì quá trình chuyển thành rutile dễ dàng hơn nhiều (ở gần 5000C). Trong khi đó, với axit metatitanic đã được điều chế bằng cách thuỷ phân các muối sunfat thì nhiệt độ chuyển pha sẽ cao hơn, nằm trong khoảng 850÷900OC. Điều này có thể là do có sự liên quan đến sự có mặt của các sunfat bazơ hoặc là các anion sunfat nằm dưới dạng hấp phụ. Ngoài ion SO42- nhiệt độ chuyển anatase thành rutile cũng bị tăng cao khi có mặt một lượng nhỏ tạp chất SiO2, cũng như khi có mặt HCl trong khí quyển bao quanh. Theo tác giả công trình [8] thì năng lượng hoạt hoá của quá trình chuyển anatase thành rutile phụ thuộc vào kích thước hạt của anatase, nếu kích thước hạt càng bé thì năng lượng hoạt hoá cần thiết để chuyển anatase thành rutile càng nhỏ. Theo các tác giả công trình [5] thì sự có mặt của pha brukit có ảnh hưởng đến sự chuyển pha anatase thành rutile: Khi tăng nhiệt độ nung thì tốc độ chuyển pha brukit sang rutile xảy ra nhanh hơn tốc độ chuyển pha anatase sang rutile nên tạo ra Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Kim Giang-K18 Nghiên cứu điều chế vật liệu TiO2 biến tính kích thước nano mét và khảo sát khả năng quang xúc tác của chúng - 6 - nhiều mầm tinh thể rutile hơn, đặc biệt với các mẫu TiO2 chứa càng nhiều pha brukit thì sự chuyển pha anatase sang rutile xảy ra càng nhanh. Q trình xảy ra hồn tồn ở 9000C. 1.1.2. Tính chất của titan đioxit kích thước nano mét [4], [10] TiO2 bền về mặt hố học (nhất là dạng đã nung), khơng phản ứng với nước, dung dịch axít vơ vơ lỗng, kiềm, amoniăc, các axit hữu cơ. TiO2 tan khơng đáng kể trong các dung dịch kiềm tạo ra các muối titanat. 2 2 3 2TiO 2NaOH Na TiO H O+ → + (1.1) TiO2 tan rõ rệt trong borac và trong photphat nóng chảy. Khi đun nóng lâu với axit H2SO4 đặc thì nó chuyển vào trạng thái hồ tan (khi tăng nhiệt độ nung của TiO2 thì độ tan giảm) TiO2 tác dụng được với axit HF hoặc với kali bisunfat nóng chảy. 0100 200 C2 2 4 4 2 2TiO 2H SO Ti(SO ) 2H + → + (1.2) [ ]2 2 6 2TiO 6HF H TiF 2H O+ → + (1.3) 2 2 2 7 4 2 2 4TiO 2K S O Ti(SO ) 2K SO+ → + (1.4) Ở nhiệt độ cao TiO2 có thể phản ứng với cacbonat và oxit kim loại để tạo thành các muối titanat. o800 1100 C2 3 3 2TiO MCO (MTi)O C+ → + (1.5) (M là Ca, Mg, Ba, Sr) o1200 1300 C2 3TiO MO (MTi)+ → (1.6) (M là Pb, Mn, Fe, Co) 2 2 3 2 3 2TiO +Na CO Na TiO +CO→ (1.7) TiO2 dễ bị hidro, cacbon monooxit và titan kim loại khử về các oxit thấp hơn. 041000 C2 2 2 3 2TiCl2TiO H Ti O H O+ → + (1.8) o1750 C2 2 2TiO H TiO H O+ → + (1.9) Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Kim Giang-K18 Nghiên cứu điều chế vật liệu TiO2 biến tính kích thước nano mét và khảo sát khả năng quang xúc tác của chúng - 7 - o800 C2 2 3 22TiO CO Ti O CO+ → + (1.10) o900 1000 C2 2 33TiO Ti 2Ti O÷+ → (1.11) 2 4 2 2 33TiO TiCl 2H O 2Ti O 4HCl+ + → + (1.12) 2TiO Ti 2TiO+ → (1.13) 1.1.3. Các ứng dụng của titan đioxit kích thước nano mét Hiện nay, sản lượng titan đioxit trên thế giới không ngừng tăng lên (Bảng 2): Bảng 2: Sản lượng titan đioxit trên thế giới qua một số năm. Năm 1958 1967 2003 Sản lượng (tấn) 800.000 1.200.000 4.200.000 Gần 58% titan đioxit sản xuất được được dùng làm chất màu trắng trong công nghiệp sản xuất sơn. Chất màu trắng titan đioxit cũng đã được sử dụng một lượng lớn trong sản xuất giấy, cao su, vải sơn, chất dẻo, sợi tổng hợp và một lượng nhỏ trong công nghiệp hương liệu. Các yêu cầu đòi hỏi đối với sản phẩm là rất đa dạng phụ thuộc vào công dụng của chúng. Titan đioxit là một vật liệu cơ bản trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta. Các nhà quan sát công nghiệp cho rằng lượng titan đioxit tiêu thụ tại một quốc gia có mối quan hệ rất gần với tiêu chuẩn cuộc sống. Ví dụ tại Nhật Bản, số liệu thống kê hằng năm cho thấy lượng titan đioxit sản xuất ra có quan hệ mật thiết với GNP của quốc gia này. Ta có các ứng dụng xúc tác quang của TiO2 được đưa ra như trong hình 3. Nhìn vào hình 4 ta có thể thấy lượng TiO2 sử dụng cho lĩnh vực quang xúc tác chiếm gần 50% trong những ứng dụng của TiO2 và tăng dần theo thời gian [35]. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Kim Giang-K18 Nghiên cứu điều chế vật liệu TiO2 biến tính kích thước nano mét và khảo sát khả năng quang xúc tác của chúng - 8 - Hình 3: Sơ đồ ứng dụng tính chất quang xúc tác của TiO2. Sản lượng TiO2 sử dụng hằng năm trong lĩnh vực quang xúc tác: Hình 4: Lượng TiO2 sử dụng hằng năm trong lĩnh vực quang xúc tác. Tổng hợp hữu cơ Quang xúc tác Quang điện Hiệu ứng siêu ưa nước Phản ứng đặc biệt Quang ngưng kết nitrogen Giảm chất gây ô nhiễm Khử chất độc vô cơ và loại trừ ion Tẩy uế: Phân hủy các hợp chất vi sinh Oxi hóa một phần hoặc toàn phần hợp chất hữu cơ Quang tách nước để tạo hydro Quang oxi hóa các hợp chất hữu cơ thành CO2 Ánh sáng +TiO2 hoạt tính Tấn Năm Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Kim Giang-K18 Nghiên cứu điều chế vật liệu TiO2 biến tính kích thước nano mét và khảo sát khả năng quang xúc tác của chúng - 9 - a. Ứng dụng trong xúc tác quang hóa xử lý môi trường [1] Khi titan thay đổi hóa trị tạo ra cặp điện tử - lỗ trống dưới tác dụng của ánh sáng cực tím chiếu vào, nó sẽ giúp cho các điện tử chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn làm xuất hiện cặp điện tử - lỗ trống ở vùng dẫn và vùng hóa trị. Những cặp này sẽ di chuyển ra bề mặt để thực hiện phản ứng oxi hóa khử, các lỗ trống có thể tham gia trực tiếp vào phản ứng oxi hóa các chất độc hại, hoặc có thể tham gia vào giai đoạn trung gian tạo thành các gốc tự do hoạt động để tiếp tục oxi hóa các hợp chất hữu cơ bị hấp phụ trên bề mặt chất xúc tác tạo thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước ít độc hại nhất. b. Ứng dụng làm chất độn trong các lĩnh vực sơn tự làm sạch, chất dẻo [2] TiO2 còn được sử dụng trong sản xuất sơn tự làm sạch, tên chính xác của loại này là sơn quang xúc tác TiO2. Thực chất sơn là một dạng dung dịch chứa vô số các tinh thể TiO2 cỡ chừng 8 ÷ 25 nm. Do tinh thể TiO2 có thể lơ lửng trong dung dịch mà không lắng đọng nên còn được gọi là sơn huyền phù TiO2. Khi được phun lên tường, kính, gạch, sơn sẽ tự tạo ra một lớp màng mỏng bám chắc vào bề mặt. Nguyên lý hoạt động của loại sơn trên như sau: Sau khi các vật liệu được đưa vào sử dụng, dưới tác dụng của tia cực tím trong ánh sáng mặt trời, oxi và nước trong không khí, TiO2 sẽ hoạt động như một chất xúc tác để phân huỷ bụi, rêu, mốc, khí độc hại, hầu hết các chất hữu cơ bám trên bề mặt vật liệu thành H2O và CO2. TiO2 không bị tiêu hao trong thời gian sử dụng do nó là chất xúc tác không tham gia vào quá trình phân huỷ. Cơ chế của hiện tượng này có liên quan đến sự quang - oxi hoá các chất gây ô nhiễm trong nước bởi TiO2. Các chất hữu cơ béo, rêu, mốc, . bám chặt vào sơn có thể bị oxi hoá bằng cặp điện tử - lỗ trống được hình thành khi các hạt nano TiO2 hấp thụ ánh sáng và như vậy chúng được làm sạch khỏi màng sơn. Điều gây ngạc nhiên là chính lớp sơn không bị tấn công bởi các cặp oxi hoá - khử mạnh mẽ này. Người ta phát hiện ra rằng, chúng có tuổi thọ không kém gì sơn không được biến tính bằng các hạt nano TiO2. Luận văn thạc sĩ khoa học Nguyễn Thị Kim Giang-K18 Nghiên cứu điều chế vật liệu TiO2 biến tính kích thước nano mét và khảo sát khả năng quang xúc tác của chúng - 10 - c. Xử lý các ion kim loại nặng trong nước [12], [13] Khi TiO2 bị kích thích bởi ánh sáng thích hợp giải phóng các điện tử hoạt động. Các ion kim loại nặng sẽ bị khử bởi điện tử và kết tủa trên bề mặt vật liệu. Vật liệu xúc tác quang bán dẫn công nghệ mới hứa hẹn nhiều áp dụng trong xử lý môi trường. Chất bán dẫn kết hợp với ánh sáng UV đã được dùng để loại các ion kim loại nặng và các hợp chất chứa ion vô cơ. Ion bị khử đến trạng thái ít độc hơn hoặc kim loại từ đó dễ dàng tách được. Ví dụ: 2hν + TiO2 → 2e + 2h+ (1.14) Hg2+(aq) ↔ Hg(ads) ( Bị hấp phụ lên bề mặt vật liệu) (1.15) Hg2+(ads)+ 2e → Hg(ads) (1.16) 2H2O ↔ 2H+ + 2OH- (1.17) 2OH- + 2h+ → H2O + 1/2 O2 v.v . (1.18) Rất nhiều ion kim loại nhạy với sự chuyển quang hóa trên bề mặt chất bán dẫn như là Au, Pt, Pd, Ag, Ir, Rh . Đa số chúng đều kết tủa trên bề mặt vật liệu. Ngoài sự khử bằng điện tử, các ion còn bị oxi hóa bởi lỗ trống trên bề mặt tạo oxit. Những chất kết tủa hoặc hấp phụ trên bề mặt được tách ra bằng phương pháp cơ học hoặc hóa học. d. Các ứng dụng khác của bột titan đioxit kích thước nano mét TiO2 còn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác như: Vật liệu gốm, chất tạo màu, chất độn, làm vật liệu chế tạo pin mặt trời, làm sensor để nhận biết các khí trong môi trường ô nhiễm nặng, trong sản xuất bồn rửa tự làm sạch bề mặt trong nước (tự xử lý mà không cần hoá chất), làm vật liệu sơn trắng do khả năng tán xạ ánh sáng cao, bảo vệ bề mặt khỏi tác động của ánh sáng. Sử dụng TiO2 tạo màng lọc quang xúc tác trong máy làm sạch không khí, máy điều hoà, v.v… 1.1.4. Các phương pháp điều chế titan đioxit kích thước nano mét a. Các phương pháp vật lý [2] Để điều chế bột titan đioxit kích thước nano mét theo phương pháp vật lý ta có thể sử dụng 3 phương pháp sau: . Giang-K18 Nghiên cứu điều chế vật liệu TiO2 biến tính kích thước nano mét và khảo sát khả năng quang xúc tác của chúng - 1 - MỞ ĐẦU Vật liệu nano là một. Giang-K18 Nghiên cứu điều chế vật liệu TiO2 biến tính kích thước nano mét và khảo sát khả năng quang xúc tác của chúng - 12 - TiO2 được biến tính bởi nguyên

— Xem thêm —

Từ khóa: nghiên cứuđiều chếkích thướckhảo sát điều chế rừng chất xúc tác Điều chế

Xem thêm: Nghiên cứu điều chế vật liệu TiO2 biến tính kích thước nano mét và khảo sát khả năng quang xúc tác của chúng, Nghiên cứu điều chế vật liệu TiO2 biến tính kích thước nano mét và khảo sát khả năng quang xúc tác của chúng, Nghiên cứu điều chế vật liệu TiO2 biến tính kích thước nano mét và khảo sát khả năng quang xúc tác của chúng

Gửi bình luận

Bình luận
Lên đầu trang
  • HuyenHn
    HuyenHn · Vào lúc 01:08 pm 04/08/2013
    Một tài liệu rất hay về teen, các bạn hoàn toàn có thể thành công ngay trong lứa tuổi teen
  • NT2
    NT2 · Vào lúc 11:18 am 31/08/2013
    Đúng là tài liệu em đang cần!!! :X:X:X
  • williamruoi
    williamruoi · Vào lúc 12:18 am 26/10/2013
    Tài liệu thật quý giá, cảm ơn An Nhiên rất nhiều.
  • fresh boy 24
    fresh boy 24 · Vào lúc 02:01 am 25/11/2013
    Cám ơn An Nhiên nhiều nhé, rất bổ ích!
  • fresh boy 40
    fresh boy 40 · Vào lúc 03:25 pm 08/12/2013
    Rất cảm ơn bạn. Tài liệu hay
Xem thêm
Đăng ký

Generate time = 0.086284160614 s. Memory usage = 13.91 MB