Nghiên cứu cấu trúc, tính chất quang và tính chất quang xúc tác của vật liệu

Hai hướng nghiên cứu nhằm làm tăng hiệu quả quang xúc tác của TiO2 là nghiên cứu làm giảm bề rộng vùng cấm của vật liệu TiO2 và nghiên cứu làm giảm tốc độ tái hợp điện tử - lỗ trống. Trong nghiên cứu "Nghiên cứu cấu trúc, tính chất quang và tính chất quang xúc tác của vật liệu", nhóm tác giả tiến hành tổ hợp vật liệu TiO2 và MWCNTs nhằm làm giảm tốc độ tái hợp điện tử lỗ trống, từ đó làm tăng hiệu quả quang xúc tác của vật liệu.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu cấu trúc, tính chất quang và tính chất quang xúc tác của vật liệu KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC, TÍNH CHẤT QUANG VÀ TÍNH CHẤT QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU Nguyễn Thị Thanh Hương, Lớp K60TN, Khoa Vật lí GVHD: PGS.TS. Nguyễn Văn Minh Tóm tắt: Vật liệu tổ hợp TiO2/MWCNTs đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp thủy phân từ các tiền chất TTiP và MWCNTs. Cấu trúc, tính chất quang, hình thái bề mặt của vật liệu lần lượt được nghiên cứu bằng các phép đo nhiễu xạ tia X, phổ hấp thụ UV-vis, phép đo SEM, HR-TEM. Phổ nhiễu xạ tia X của vật liệu chỉ ra rằng có sự kết tinh đồng thời của các vật liệu TiO2 và MWCNTs. Kết quả phân tích ảnh SEM, HR-TEM, và phổ FTIR cho thấy giữa các hạt nano TiO2 và sợi CNTs hình thành các lớp tiếp xúc và liên kết giữa TiO2 và MWCNTs. Tính chất quang xúc tác của vật liệu được khảo sát thông qua thí nghiệm phân hủy dung dịch xanh metylen (MB) sử dụng bức xạ khả kiến. Kết quả thí nghiệm cho thấy các mẫu tổ hợp TiO2/MWCNTs có khả năng phân hủy MB tốt hơn mẫu TiO2 tinh khiết. Điều này được giải thích là do quá trình tái hợp điện tử - lỗ trống trong vật liệu tổ hợp đã được làm giảm đáng kể bởi sự hình thành các lớp tiếp xúc giữa hạt TiO2 với sợi CNTs. Từ khóa: TiO2, MWCNTs, quang xúc tác. I. MỞ ĐẦU 1. Giới thiệu về TiO2 Titan oxit (TiO2) đã đƣợc biết đến nhƣ một chất bán dẫn tiêu biểu có khả năng quang xúc tác tốt [1]. Với các tính chất độc đáo (khả năng oxi hóa khử cao, ổn định, không độc hại, và sẵn có) TiO2 đƣợc ứng dụng rộng rãi trong thực tế đời sống, đặc biệt là lĩnh vực xử lí ô nhiễm môi trƣờng nƣớc và không khí. Cơ chế quang xúc tác của vật liệu TiO2 nhƣ sau: Hình 1.1. Cơ chế quang xúc tác Khi TiO2 đƣợc chiếu sáng bởi chùm photon có năng lƣợng lớn hơn năng lƣợng của vùng cấm bán dẫn, các electron trên vùng hóa trị sẽ bị kích thích và nhảy lên vùng dẫn. Kết quả là trên vùng dẫn sẽ có các electron mang điện tích âm và trên vùng hóa trị sẽ xuất hiện các lỗ trống mang điện tích dƣơng. Lỗ trống sẽ bẻ gãy phân tử nƣớc thành khí H2 và gốc OH* tự do, điện tử đã bị kích thích sẽ phản ứng với phân tử O2 để tạo ra supper oxide anion 53 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 (O2-). Chính những gốc tự do và supper oxide anion sẽ bẻ gãy các phân tử hữu cơ tạo thành nƣớc và CO2. Tuy nhiên, hạn chế của vật liệu TiO2 là có năng lƣợng vùng cấm trong khoảng từ 3,0 eV đến 3,2 eV do đó chỉ hấp thụ đƣợc ánh sáng trong vùng tử ngoại [2]. Ngoài ra, sự tái hợp nhanh chóng của cặp điện tử - lỗ trống cũng là một nguyên nhân làm giảm hiệu quả quang xúc tác của vật liệu TiO2. 2. Giới thiệu về MWCNTs Ống nano cacbon đơn tƣờng (SWCNTs) đƣợc Iijima và Bethune tìm ra vào năm 1993, khá sớm sau khi tìm thấy MWCNTs, đó là các ống rỗng đƣờng kính từ 1,5 – 2 nm, dài cỡ µm. Ống cacbon nano đa tƣờng (MWCNTs) bao gồm nhiều SWCNTs có đƣờng kính khác nhau lồng vào nhau, khoảng cách giữa các SWCNTs này là 0,34 – 0,36 nm, khi pha tạp hoặc có sai hỏng bề mặt, MWCNTs thể hiện một số tính chất của chất bán dẫn [3]. 3. Lí do chọn đề tài Hai hƣớng nghiên cứu nhằm làm tăng hiệu quả quang xúc tác của TiO2 là nghiên cứu làm giảm bề rộng vùng cấm của vật liệu TiO2 và nghiên cứu làm giảm tốc độ tái hợp điện tử - lỗ trống. Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành tổ hợp vật liệu TiO2 và MWCNTs nhằm làm giảm tốc độ tái hợp điện tử lỗ trống, từ đó làm tăng hiệu quả quang xúc tác của vật liệu. II. NỘI DUNG 1. Thực nghiệm Chúng tôi chế tạo vật liệu composite TiO2/MWCNTs từ các hóa chất ban đầu là titanium tetraisopropoxide (Ti[OCH(CH3)2]4) 97% (TTiP), multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), axit nitric (HNO3) 65%, isopropanol (2-C3H7OH) 99%. Bột MWCNTs đƣợc hoạt hóa với axit nitric trong 8h ở 120oC. Sau đó, dung dịch đƣợc lọc rửa và li tâm với nƣớc cất rồi đem sấy trong không khí đến khô. Các mẫu composite đƣợc chế tạo bằng cách hòa tan TTiP, MWCNTs trong isopropanol và khuấy từ trong 4h. Sau đó đem lọc rửa li tâm với nƣớc cất rồi sấy ở 90oC thu đƣợc bột màu xám. Nung mẫu bột ở 400oC trong 2h. Các mẫu chế tạo đƣợc có tỉ lệ mTiO2/mMWCNTs là 1, 2, 3, 4, 10 kí hiệu tƣơng ứng TC01, TC02, TC03, TC04, TC10. Chúng tôi kiểm tra khả năng quang xúc tác của các mẫu bằng cách tiến hành xử lí dung dịch xanh metylen (MB) nồng độ 10ppm trong 3h dƣới ánh sáng nhìn thấy đƣợc chiếu xạ bởi đèn Xenon có sử dụng kính lọc sắc. Nồng độ MB còn lại trong dung dịch đƣợc đo sau mỗi giờ chiếu xạ. Cấu trúc vật liệu đƣợc khảo sát thông qua phép đo nhiễu xạ tia X đƣợc khảo sát bởi nhiễu xạ kế Siemens D5000, với bức xạ Cu-K ( = 1,54060 Å) thực hiện tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và phép đo phổ hấp thụ hồng ngoại (FTIR) thực hiện tại Khoa Hoá học – Trƣờng Đại học Sƣ phạm Hà Nội. Hình thái bề mặt mẫu đƣợc chụp bởi kính hiển vi điện tử quét (SEM) Hitachi S-4800 có độ phóng đại từ 20 đến 800.000 lần tại Viện Khoa học Vật liệu thuộc Viện Vệ sinh Dịch tễ. Phổ hấp thụ và nồng độ MB đƣợc khảo sát qua hệ đo Jasco có tại Bộ môn Vật lí Chất rắn, Khoa Vật lí – Trƣờng Đại học Sƣ 54 KỈ YẾU HỘI NGHỊ SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC NĂM HỌC 2013-2014 phạm Hà Nội. Ngoài ra, để kiểm tra thành phần các nguyên tố hóa học, chúng tôi đem mẫu đi đo phổ tán sắc năng lƣợng (EDX) tại Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. 2. Kết quả và thảo luận 2.1. Cấu trúc vật liệu Hình 2.1. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu tổ hợp TiO2/MWCNTs với các tỉ lệ mTiO2/mMWCNTs khác nhau Hình 2.1 trình bày giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu đã tổng hợp đƣợc. Từ giản đồ, xác định đƣợc các đỉnh nhiễu xạ tại các vị trí ...