Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu quang xúc tác TiO2 pha tạp phi kim (N, S)

Trong nghiên cứu này, tác giả trình bày quy trình tổng hợp vật liệu nano TiO2 pha tạp N và TiO2 pha tạp S bằng phương pháp thủy phân. Cấu trúc tinh thể, tính chất quang, hình thái bề mặt của các vật liệu được nghiên cứu thông qua các phép đo XRD, UV-vis, và SEM.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu quang xúc tác TiO2 pha tạp phi kim (N, S) JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Interdisciplinary Sci., 2014, Vol. 59, No. 1A, pp. 16-21 This paper is available online at http://stdb.hnue.edu.vn CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC TiO2 PHA TẠP PHI KIM (N, S) Đỗ Minh Thành1 , Nguyễn Thị Thanh Hương2 , Nguyễn Thị Khánh Hòa1 , Nguyễn Cao Khang1,2 và Nguyễn Văn Minh1,2 1 Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội; 2 Trung tâm Khoa học và Công nghệ Nano, Trường Đại học Sư Phạm Hà Nội Tóm tắt. Trong nghiên cứu này, chúng tôi trình bày quy trình tổng hợp vật liệu nano TiO2 pha tạp N và TiO2 pha tạp S bằng phương pháp thủy phân. Cấu trúc tinh thể, tính chất quang, hình thái bề mặt của các vật liệu được nghiên cứu thông qua các phép đo XRD, UV-vis, và SEM. Khả năng quang xúc tác trong vùng bức xạ khả kiến của các mẫu TiO2 pha tạp được đánh giá thông qua hiệu suất phân hủy phân tử xanh metylen. Kết quả nhiễu xạ tia X chỉ ra rằng vật liệu TiO2 pha tạp phi kim thu được tại nhiệt độ nung 400◦ C kết tinh hoàn toàn ở pha anatase với kích thước hạt trung bình từ 15 tới 20 nm. Phép đo phổ hấp thụ cho thấy các mẫu đều có khả năng hấp thụ bức xạ có bước sóng trong khoảng từ 400 nm đến 600 nm. Sự dịch bờ hấp thụ này được xem là nguyên nhân khiến cho những mẫu TiO2 pha tạp thể hiện khả năng quang xúc tác cao hơn so với vật liệu TiO2 tinh khiết trong vùng bức xạ khả kiến. Các kết quả thu được chứng tỏ rằng sự thay thế của các nguyên tốN hay S cho O trong mạng tinh thể đã làm giảm bề rộng dải cấm của TiO2 , qua đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Từ khóa: TiO2 pha tạp N, TiO2 pha tạp S, quang xúc tác.1. Mở đầu TiO2 là một trong những vật liệu có nhiều ứng dụng quan trọng trong các lĩnh vựckhác nhau. Về mặt khoa học cơ bản cũng như ứng dụng, TiO2 hứa hẹn nhiều tính chất líthú. TiO2 là chất bán dẫn có dải cấm rộng, trong suốt với bức xạ khả kiến, có chiết suấtlớn và có độ bền cơ học cao [1]. TiO2 là chất hoạt động mạnh, có thể sử dụng để phânhủy các chất hữu cơ độc hại, để khử mùi và diệt khuẩn cả trong môi trường nước và khôngkhí [2-4]. Tuy nhiên do có dải cấm rộng (3,2 eV với pha anatase) [5], TiO2 gần như chỉhấp thụ bức xạ trong vùng tử ngoại. Đây là một hạn chế lớn vì không quá 5% năng lượngbức xạ mặt trời chiếu xuống bề mặt trái đất thuộc vùng tử ngoại. Mặt khác, ở chất bánLiên hệ: Nguyễn Cao Khang, e-mail: khangdhsp@gmail.com.16 Chế tạo và nghiên cứu tính chất vật liệu quang xúc tác TiO2 pha tạp phi kim (N, S)dẫn TiO2 đa tinh thể có kích thước hạt lớn, các cặp điện tử lỗ trống sinh ra khi TiO2 đượcchiếu sáng có khuynh hướng dễ tái hợp trở lại, dẫn đến hiệu suất lượng tử thấp [6]. Mongmuốn tạo được các chất xúc tác hoạt động trong vùng bức xạ khả kiến đã trở thành xu thếmới nhằm khai thác nguồn năng lượng mặt trời [7]. Pha tạp các nguyên tố kim loại nhưFe, Co, Ni, V [8-11] hoặc các nguyên tố phi kim như N, F, Cl, C, Br [12-15] vào tinh thểTiO2 tinh khiết để vật liệu này hấp thụ tốt bức xạ khả kiến là cách làm thu hút được rấtnhiều quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong nước cũng như trên thế giới. Tùytheo mục đích quang xúc tác khác nhau, người ta có thể chọn các nguyên tố pha tạp khácnhau phù hợp. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày quy trình tổng hợp vật liệu TiO2 pha N vàpha S bằng phương pháp thủy phân. Nghiên cứu tập chung vào quy trình tổng hợp vật liệucũng như nghiên cứu tính chất hấp thụ, tính chất quang xúc tác của chúng trong việc xử líxanh metylen (MB).2. Nội dung nghiên cứu2.1. Thực nghiệm Các hạt nano TiO2 được tổng hợp bằng cách hòa tan 5 mL titaniumtetraisopropoxide (Ti[OCH(CH3 )2 ]4 97% - Sigma) vào trong 1000 mL hỗn hợpisopropanol (2-C3 H7 OH) 99% - Sigma) trong nước với tỉ lệ 5:95. Giá trị pH của dungdịch được giữ ở giá trị pH = 2 bằng cách thêm HNO3 vào dung dịch phản ứng. Sau khiquấy từ trong 2 giờ ở điều kiện 2◦ C, các hạt nano TiO2 được hình thành. Việc pha tạp Nhoặc pha tạp S được tiến hành bằng cách lần lượt thêm diethanamine (C4 H11 NO2 97% -Sigma) hoặc thiourea (SC(NH2 )2 99% - Sigma) vào dung dịch trong quá trình phản ứng.Sản phẩm phản ứng cuối cùng được đem li tâm, lọc tách kết tủa rồi sấy khô trước khi đượcnung ở 400◦ C trong 2 giờ. Hình thái bề mặt vật liệu được khảo sát bởi phép đo kính hiển vi điện tử quét SEMtrên máy Hitachi S-4800 có độ phóng đại 800000 lần. Cấu trúc mạng tinh thể được nghiêncứu thông qua phổ nhiễu xạ tia X thực hiện trên hệ thiết bị Siemens D-5000 với bức xạkích thích CuKα (λ = 1, 5406 A).˚ Phép đo phổ hấp thụ hệ mẫu TiO2 pha N, S và phổ hấpthụ của dung dịch MB được thực hiện trên hệ JACO V-6702.2. Kết quả và thảo luận Hình 1 trình bày ảnh SEM các mẫu TiO2 tinh khiết (A), TiO2 pha ...