Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Nghiên cứu tích hợp vi khuẩn endophyte với vật liệu nano ứng dụng trong bảo vệ cây trồng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:98

Thêm vào BST

Báo xấu

29
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nghiên cứu là chế tạo được hạt nano TiO2 và nano SiO2 có kích thước đồng đều nhắm tiến tới khảo sát cho thí nghiệm tích hợp với vi khuẩn; nuôi cấy được chủng vi khuẩn Bacillus sp. trong môi trường LB bổ sung nano nano TiO2/nano SiO2; phân tích được khả năng ảnh hưởng tới sinh khối của cây và vi khuẩn sau các quy trình thực nghiệm để đưa ra kết luận.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Nghiên cứu tích hợp vi khuẩn endophyte với vật liệu nano ứng dụng trong bảo vệ cây trồng

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Đinh Thị Hiền NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP VI KHUẨN ENDOPHYTE VỚI VẬT LIỆU NANO ỨNG DỤNG TRONG BẢO VỆ CÂY TRỒNG LUẬN VĂN THẠC SĨ: HÓA HỌC Hà Nội - 2019
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Đinh Thị Hiền NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP VI KHUẨN ENDOPHYTE VỚI VẬT LIỆU NANO ỨNG DỤNG TRONG BẢO VỆ CÂY TRỒNG Chuyên ngành: Hóa vô cơ Mã số: 8440113 LUẬN VĂN THẠC SĨ: HÓA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: Hƣớng dẫn 1: TS Lê Đăng Quang Hƣớng dẫn 2: GS.TS Trần Đại lâm Hà Nội - 2019
Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu đƣợc trình bày trong luận văn là trung thực, khách quan và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình khoa học nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc hoàn thành luận văn đã đƣợc cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều đƣợc chỉ rõ nguồn gốc. Nếu có gì sai sót tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Hà Nội, tháng 09 năm 2019 Tác giả luận văn Đinh Thị Hiền
Lời cảm ơn Luận văn này đƣợc hoàn thành tại Học viện Khoa Học & Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tôi xin gửi lời cám ơn chân thành nhất tới GS.TS Trần Đại Lâm và TS Lê Đăng Quang đã tận tình hƣớng dẫn, động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy, cô giáo trong Học viện Khoa Học & Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã chỉ bảo và giảng dạy tôi trong năm học qua cũng nhƣ hoàn thiện luận văn này. Tôi xin trân trọng cảm ơn các cán bộ nhân viên trong Trung tâm nghiên cứu và triển khai các hoạt chất sinh học dƣới sự hƣớng dẫn khoa học của GS.TS Trần Đại Lâm và TS Lê Đăng Quang, trong khuôn khổ đề tài “Nghiên cứu ứng dụng chế phẩm nano – vi khuẩn PGPR nhằm phòng trừ bệnh giả sƣơng mai trên cây dƣa lƣới” - Trung tâm phát triển công nghệ cao – Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công nghệ Việt Nam (Hợp đồng thực hiện nghiên cứu khoa học và công nghệ số 47/2018/HĐ-QKHCN ngày 28/12/2018 giữa Quỹ phát triển khoa học và công nghệ thành phố Hồ Chí Minh và Trung tâm phát triển công nghệ cao) đã quan tâm giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi tốt nhất cũng nhƣ những đóng góp về chuyên môn cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện và bảo vệ luận văn. Cuối cùng tôi xin cám ơn những ngƣời thân trong gia đình và bạn bè đã dành cho tôi sự khích lệ, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập. Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2019 Học viên Đinh Thị Hiền
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Kí hiệu Chú giải BVTV Bảo vệ thực vật D Kích thƣớc hạt nano DLS Phƣơng pháp đo tán xạ ánh sáng động học ĐCSH Đối chứng sinh học LB Môi trƣờng nuôi cấy vi khuẩn (Peptone 10g, Cao nấm men 5g, NaCl 10g) IR Phổ hấp thụ hồng ngoại OD Mật độ quang PGPR Vi khuẩn vùng rễ kích thích tăng trƣởng thực vật SEM Kính hiển vi điện tử quét TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua TEOS Tetraetyl orthosilicat TGA Thermogrametric Analysis (Phân tích nhiệt khối lƣợng) TiBALDH Hạt nano Titanium-Bis-Ammonium-Lactato-Dihydrohyde TTIP Titanium Isopropoxide
Danh mục các bảng Bảng 2.1. Sự phụ thuộc độ ổn định của hệ keo vào giá trị thế Zeta ............... 43 Bảng 2.2. Bảng các nồng độ nano TiO2 thử nghiệm với vi khuẩn ................. 46 Bảng 2.3. Bảng các nồng độ nano SiO2 thử nghiệm với vi khuẩn ................. 47 Bảng 3.1. Kết quả phân tích DLS các mẫu TiO2 ............................................ 54 Bảng 3.2. Kết quả phân tích DLS các mẫu SiO2 ............................................ 58 Bảng 3.3. Kết quả khảo sát OD các mẫu vi khuẩn và nano TiO2................... 63 Bảng 3.4. Kết quả khảo sát OD các mẫu chứa vi khuẩn và nano SiO2 .......... 66 Bảng 3.5. Thời gian sinh trƣởng của các mẫu dƣa lƣới ................................. 70 Bảng 3.6. Chiều cao trung bình của các mẫu cây dƣa lƣới theo thời gian ..... 71 Bảng 3.7. Số lá trung bình ở các mẫu cây dƣa lƣới theo thời gian ................ 74 Bảng 3.8. Số nhánh trung bình ở các mẫu cây dƣa lƣới theo thời gian ......... 74 Bảng 3.9. Kết quả khảo sát các mẫu mạ sau gieo hạt ..................................... 79 Bảng 3.10. Động thái tăng trƣởng các mẫu lúa sau gieo trồng ...................... 80
Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 1.1. Mô hình cấu trúc tinh thể TiO2 pha anatas (a), rutil (b) brookit (c) và tinh thể khuyết tật mạng (d) [1] .................................................................... 4 Hình 1.2. Giản đồ năng lƣợng của TiO2 pha anatas và rutil [1] [8] ................. 7 Hình 1.3. Sơ đồ mô tả các quá trình oxy hoá và khử trong tinh thể bán dẫn [1] [3] [4]................................................................................................................. 9 Hình 1.4. Cấu trúc phân tử Silica ................................................................... 11 Hình 1.5. Sơ đồ tổng hợp oxit bằng phƣơng pháp sol-gel. ............................ 16 Hình 1.6. Các cơ chế đã biết của vi khuẩn PGPR Bacillus spp. đối với cây trồng [21] [22] ................................................................................................. 21 Hình 1.7. Hạt nano Titanium-Bis-Ammonium-Lactato-Dihydrohyde (TiBALDH) [23] ............................................................................................. 23 Hình 1.8. Hình ảnh cây lúa trên ruộng ........................................................... 29 Hình 1.9. Cây dƣa lƣới trồng trong nhà kính ................................................. 32 Hình 2.1. Sơ đồ nguyên tắc của kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ....... 38 Hình 2.2. Thiết bị kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ............................. 39 Hình 2.3. Sơ đồ nguyên tắc của kính hiển vi điện tử quét (SEM) ................. 40 Hình 2.4. Thiết bị kính hiển vi điện tử quét (SEM) ....................................... 41 Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý của máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier 42 Hình 2.6. Thiết bị phân tích IR ....................................................................... 43 Hình 2.7. Một số thiết bị dùng trong nuôi cấy và đánh giá sự phát triển của vi khuẩn ............................................................................................................... 44 Hình 3.1. Hình ảnh mẫu T3 ............................................................................ 55 Hình 3.2. Kết quả phân tích DLS mẫu T3 ...................................................... 55 Hình 3.3. Thế zeta mẫu T3 ............................................................................. 55 Hình 3.4. Kết quả phân tích SEM mẫu T3 .................................................... 56 Hình 3.5. Kết quả phân tích TEM mẫu T3 ..................................................... 56 Hình 3.6. Kết quả phân tích IR mẫu T3 ......................................................... 57 Hình 3.7. Hình ảnh mẫu S2 ............................................................................ 59 Hình 3.8. Kết quả phân tích DLS mẫu S2 ...................................................... 59 Hình 3.9. Thế zeta mẫu S2 ............................................................................. 59 Hình 3.10. Kết quả phân tích TEM của mẫu S2 ............................................ 60 Hình 3.11. Kết quả phân tích TEM của mẫu S2 sau khi siêu âm................... 60 Hình 3.12. Kết quả phân tích SEM mẫu S2 ................................................... 61 Hình 3.13. Phổ IR của mẫu S2 ....................................................................... 62 Hình 3.14. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa giá trị OD và thời gian của các mẫu chứa vi khuẩn và nano TiO2 .................................................................... 64 Hình 3.15. Hình ảnh mẫu nano TiO2 60 µg/ml – vi khuẩn - LB ở các thời gian khác nhau 4 giờ (a); 8 giờ (b); 24 giờ (c) và 48 giờ (d) ................................. 65 Hình 3.16. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa giá trị OD và thời gian của các mẫu chứa vi khuẩn và nano SiO2 .................................................................... 66
Hình 3.17. Hình ảnh mẫu nano SiO2 100 µg/ml – vi khuẩn – LB ở các thời gian khác nhau 4 giờ (a); 8 giờ (b); 24 giờ (c) và 48 giờ (d) ......................... 67 Hình 3.18. Hình ảnh SEM mẫu nano TiO2 – vi khuẩn trên rễ cây dƣa.......... 68 Hình 3.19. Hình ảnh SEM mẫu nano SiO2 – vi khuẩn trên rễ cây dƣa .......... 69 Hình 3.20. Bộ rễ cây trƣớc khi đƣa ra ruộng sản xuất ................................... 69 Hình 3.21. Hình ảnh các mẫu dƣa lƣới sau trồng 21 ngày ............................. 72 Hình 3.22. Hình ảnh các mẫu dƣa lƣới sau trồng 28 ngày ............................. 73 Hình 3.23. Hình ảnh hạt thóc đƣợc ngâm trong thời gian 1 giờ và 24 giờ với các dung dịch khác nhau ................................................................................. 76 Hình 3.24. Hình ảnh mạ các mẫu giống ngâm trong các dung dịch 1 giờ ..... 77 Hình 3.25. Hình ảnh mạ các mẫu giống ngâm trong các dung dịch 24 giờ ... 77 Hình 3.26. Hình ảnh lúa các mẫu giống ngâm trong các dung dịch 1 giờ chuyển lên đất trồng sau 28 ngày .................................................................... 78 Hình 3.27. Hình ảnh lúa các mẫu giống ngâm trong các dung dịch 24 giờ chuyển lên đất trồng sau 28 ngày .................................................................... 78
MỤC LỤC MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI ................................................................................ 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................... 3 1.1. TỔNG QUAN VỀ NANO TiO2, SiO2 ................................................... 3 1.1.1. Tổng quan về nano TiO2 ............................................................... 3 1.1.1.1. Cấu trúc, tính chất của vật liệu nano TiO2 .............................. 3 1.1.1.2. Tính chất xúc tác quang của TiO2............................................ 7 1.1.1.3. Ứng dụng nano TiO2 trong nông nghiệp ............................... 10 1.1.2. Tổng quan về SiO2....................................................................... 11 1.1.2.1. Tổng quan về cấu trúc ............................................................ 11 1.1.2.2. Tính chất................................................................................. 12 1.1.2.3. Ứng dụng nano SiO2 trong nông nghiệp ................................ 13 1.1.3. Các phƣơng pháp tổng hợp nano TiO2 và nano SiO2 ............. 14 1.1.3.1. Phương pháp hóa ướt (wet chemical) .................................... 14 1.1.3.2. Phương pháp cơ học (mechanical) ........................................ 14 1.1.3.3. Phương pháp bốc bay ............................................................ 14 1.1.3.4. Phương pháp hình thành từ pha khí (gas-phase) .................. 15 1.1.3.5. Phương pháp sol- gel ............................................................. 15 1.2. TỔNG QUAN VỀ VI KHUẨN Bacillus subtilis ................................ 20 1.2.1. Giới thiệu chung về nhóm vi khuẩn PGPR .............................. 20 1.2.2. Vai trò PGPR trong kích thích sinh trƣởng thực vật .............. 20 1.2.3. Vi khuẩn Bacillus subtilis ........................................................... 23 1.2.3.1. Đặc điểm phân loại ................................................................ 23 1.2.3.2. Đặc điểm phân bố .................................................................. 24 1.2.3.3. Đặc điểm hình thái ................................................................. 24 1.2.3.4. Đặc điểm sinh hóa.................................................................. 25 1.2.3.5. Các chất kháng sinh do Bacillus subtilis tổng hợp ................ 26 1.2.3.6. Tính đối kháng của Bacillus subtilis ...................................... 27 1.3. CÂY LÚA VÀ DƢA LƢỚI................................................................. 27 1.3.1. Tổng quan về cây lúa .................................................................. 27 1.3.2. Tổng quan về cây dƣa lƣới ......................................................... 32 CHƢƠNG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................................................ 34 2.1. TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO .......................................................... 34 2.1.1. Nguyên vật liệu và thiết bị .......................................................... 34 2.1.1.1. Hóa chất ................................................................................. 34
2.1.1.2. Thiết bị ................................................................................... 34 2.1.2. Phƣơng pháp................................................................................ 34 2.1.2.1. Phương pháp tổng hợp nano TiO2, SiO2................................ 34 2.1.2.2. Phương pháp đánh giá cấu trúc hạt ...................................... 38 2.2. PHƢƠNG PHÁP NUÔI CẤY VI KHUẨN Bacillus subtilis.............. 44 2.2.1 Chủng vi sinh PGPR .................................................................... 44 2.2.2 Dụng cụ, hóa chất, thiết bị và môi trƣờng nuôi cấy vi sinh, chủng vi khuẩn ...................................................................................... 44 2.2.3 Trình tự tiến hành ........................................................................ 45 2.2.3.1. Nuôi cấy vi khuẩn ................................................................... 45 2.2.3.2. Nuôi cấy vi khuẩn và nano ..................................................... 45 2.3. PHƢƠNG PHÁP THỬ NGHIỆM VỚI CÂY LÚA VÀ CÂY DƢA .. 47 2.3.1. Thử nghiệm trên cây dƣa ........................................................... 47 2.3.1.1. Chọn giống dưa ...................................................................... 47 2.3.1.2. Yêu cầu sinh thái đối với cây dưa lưới .................................. 47 2.3.1.3. Kỹ thuật canh tác ................................................................... 48 2.3.1.4. Các chỉ tiêu theo dõi .............................................................. 50 2.3.2. Thử nghiệm trên cây lúa ............................................................ 51 2.3.2.1. Chọn giống lúa ....................................................................... 51 2.3.2.2. Quy trình thực hiện ................................................................ 51 2.3.2.3. Phương pháp đánh giá ........................................................... 52 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................... 54 3.1. TỔNG HỢP VẬT LIỆU ...................................................................... 54 3.1.1. Tổng hợp nano TiO2.................................................................... 54 3.1.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ TTIP/H2O tới kích cỡ hạt 54 3.1.1.2. Khảo sát cấu trúc hạt TiO2 .................................................... 56 3.1.2. Tổng hợp nano SiO2 .................................................................... 58 3.1.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ TEOS/H2O tới kích cỡ hạt. ............................................................................................................. 58 3.1.2.2. Khảo sát cấu trúc hạt SiO2.................................................... 60 3.2. KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA VI KHUẨN ENDOPHYTE - NANO .............................................................................. 63 3.2.1. Vi khuẩn Endophyte và nano TiO2 ........................................... 63 3.2.2. Vi khuẩn Endophyte và nano SiO2 ............................................ 65 3.3. THỬ NGHIỆM TRÊN LÚA VÀ DƢA LƢỚI .................................... 67 3.3.1. Khảo sát ảnh hƣởng của nano – vi khuẩn đến khả năng sinh trƣởng và phát triển cây dƣa ............................................................... 68 3.3.1.1. Ảnh hưởng của nano – vi khuẩn đến tỷ lệ, tốc độ nảy mầm, khả năng bám dính vi khuẩn và sự phát triển của bộ rễ ..................... 68
3.3.1.2. Ảnh hưởng của nano – vi khuẩn đến các giai đoạn sinh trưởng phát triển của dưa ............................................................................... 70 3.3.1.3. Ảnh hưởng của nano – vi khuẩn đến động thái tăng trưởng chiều cao của dưa lưới ........................................................................ 70 3.3.1.4. Ảnh hưởng của nano – vi khuẩn đến động thái tăng trưởng số lá của cây dưa lưới.............................................................................. 73 3.3.1.5. Ảnh hưởng của nano – vi khuẩn đến khả năng phân nhánh của cây dưa lưới......................................................................................... 74 3.3.2. Thử nghiệm trên cây lúa ............................................................ 75 3.3.2.1. Gieo và chăm sóc ................................................................... 75 3.3.2.2. Đánh giá ................................................................................. 79 CHƢƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................... 82 4.1. Kết luận .............................................................................................. 82 4.2. Kiến nghị .............................................................................................. 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 84
1 MỞ ĐẦU 1. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI Cho đến ngày nay khi khoa học kỹ thuật phát triển, đặc biệt là ngành khoa học công nghệ nano, việc ứng dụng các hạt nano trong công nghệ sinh học, đặc biệt trong nông nghiệp đang là vấn đề thu hút đƣợc sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Vi khuẩn nội ký sinh thực vật (Endophytic bacteria) đƣợc tìm thấy trong hầu hết ở các loài thực vật, chúng cƣ trú ở trong nội mô của thực vật ký chủ và giữa chúng hình thành một loạt các mối quan hệ khác nhau nhƣ cộng sinh tƣơng hỗ, công sinh dinh dƣỡng, hội sinh. Endophytic bacteria thúc đẩy thực vật tăng trƣởng, tăng năng suất và đóng vai trò là một tác nhân điều hòa sinh học. Endophytic bacteria sản xuất hàng loạt các sản phẩm tự nhiên có lợi cho thực vật ký chủ mà ta có thể khai thác những tác nhân đó để ứng dụng trong y học, nông nghiệp hay công nghiệp. Ngoài ra nó còn có tiềm năng loại bỏ các chất gây ô nhiễm trong đất bằng cách tăng cƣờng khả năng khử độc trên thực vật và làm cho đất trở nên màu mỡ thông qua chu trình photphat và cố định đạm. Ngày càng có nhiều quan tâm trong việc phát triển các ứng dụng tiềm năng công nghệ sinh học của Endophytic bacteria để phát triển các giống cây trồng có khả năng khử độc đồng thời có khả năng sản xuất sinh khối và nhiên liệu sinh học. Tích hợp vật liệu nano TiO2/ nano SiO2 và vi khuẩn endophyte giúp cho quá trình chuyển hóa và hấp thụ phân bón của cây diễn ra nhanh chóng và hiệu quả giúp giảm lƣợng phân bón và thuốc tăng trƣởng thực vật. Đồng thời khi Endophyte phát triển mạnh, thì cây trồng sẽ phải tiết ra nhiều hoạt chất phytoalexin (PA) hơn, đây là hoạt chất miễn dịch tự nhiên có trong cây. Hoạt chất này sẽ giúp cây tăng thêm khả năng chống chịu khi gặp những điều kiện bất lợi từ môi trƣờng giúp ngƣời nông dân giảm đi việc sử dụng thuốc BVTV trong quá trình chăm sóc cây. Hiện nay có rất ít các nghiên cứu tích hợp vật liệu nano với vi khuẩn endophyte và đánh giá tác dụng của chúng đối với cây trồng và vi sinh vật hại cây trồng.
2 Từ những luận điểm trên chúng tôi lựa chon để tài nghiên cứu: “Nghiên cứu tích hợp vi khuẩn endophyte với vật liệu nano ứng dụng trong bảo vệ cây trồng”. 2. NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI: - Chế tạo đƣợc hạt nano TiO2 và nano SiO2 có kích thƣớc đồng đều nhắm tiến tới khảo sát cho thí nghiệm tích hợp với vi khuẩn. - Nuối cấy đƣợc chủng vi khuẩn Bacillus sp. trong môi trƣờng LB bổ sung nano nano TiO2/nano SiO2. - Phân tích đƣợc khả năng ảnh hƣởng tới sinh khối của cây và vi khuẩn sau các quy trình thực nghiệm để đƣa ra kết luận.
3 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. TỔNG QUAN VỀ NANO TiO2, SiO2 1.1.1. Tổng quan về nano TiO2 1.1.1.1. Cấu trúc, tính chất của vật liệu nano TiO2  Cấu trúc tinh thể của TiO2 Titan đioxit là chất bột màu trắng, khi đun nóng có màu vàng, khi làm lạnh trở lại màu trắng. Tinh thể TiO2 có độ cứng cao, không độc và khó nóng chảy (t0nc = 18700C). Vật liệu TiO2 có thể tồn tại dƣới nhiều dạng thù hình khác nhau. Đến nay các nhà khoa học đã công bố những nghiên cứu về 7 dạng thù hình (gồm 4 dạng là cấu trúc tự nhiên, còn 3 dạng kia là dạng tổng hợp) của tinh thể TiO2. Trong đó, 3 dạng thù hình phổ biến và đƣợc quan tâm hơn cả của tinh thể TiO2 là rutil, anatas và brookit. Pha rutil là dạng bền, pha anatas và brookit là dạng giả bền và dần chuyển sang pha rutil khi nung ở nhiệt độ cao (thƣờng khoảng trên 900 oC) [1]. Tinh thể TiO2 pha rutil và anatas đều có cấu trúc tứ giác (tetragonal) và đƣợc xây dựng từ các đa diện phối trí bát diện (octahedra), trong mỗi bát diện có 1 ion Ti4+ nằm ở tâm và 6 ion O2- nằm ở 2 đỉnh, 4 góc bao bọc. Trong một ô cơ sở của tinh thể TiO2 anatas có 4 ion Ti4+ và 7 ion O2-. Mỗi bát diện tiếp giáp với 8 bát diện lân cận (4 bát diện chung cạnh và 4 bát diện chung góc) (Hình 1.1a). Trong một ô cơ sở của tinh thể TiO2 rutil có 2 ion Ti4+ và 4 ion O2-. Các bát diện oxit titan sắp xếp thành các chuỗi đối xứng bậc 4 với các cạnh chung nhau, mỗi bát diện tiếp giáp với 10 bát diện lân cận (4 bát diện chung cạnh và 6 bát diện chung góc) (Hình 1.1b). Qua đó ta có thể thấy tinh thể TiO2 anatas khuyết O nhiều hơn tinh thể TiO2 rutil. Điều này ảnh hƣởng tới một số tính chất vật lý của vật liệu TiO2 ở các dạng thù hình khác nhau vì các nút khuyết O có vai trò nhƣ tạp chất donor. Khoảng cách Ti-Ti trong tinh thể TiO2 ở pha anatas (3,79 Å; 3,03 Å) lớn hơn trong pha rutil (3,57 Å; 2,96 Å) còn khoảng cách Ti-O trong tinh thể TiO2 ở pha anatas (1,394 Å; 1,98 Å) nhỏ hơn trong pha rutil (1,949 Å; 1,98
4 Å). Điều đó cũng ảnh hƣởng đến cấu trúc điện tử, cấu trúc vùng năng lƣợng của hai dạng tinh thể và kéo theo sự khác nhau về các tính chất vật lý, hóa học của vật liệu [1] [2]. Hình 1.1c mô tả mô hình cấu trúc tinh thể của TiO2 brookit, một pha khác của TiO2 có thể gặp trong quá trình chế tạo. Hình 1.1. Mô hình cấu trúc tinh thể TiO2 pha anatas (a), rutil (b) brookit (c) và tinh thể khuyết tật mạng (d) [1] Ở pha tinh thể khác nhau, cấu trúc khác nhau, tính chất của TiO2 cũng có sự khác biệt. Bảng 1.1 cho biết các thông số vật lý của TiO2 ở hai dạng thù hình chính anatas và rutil. Các số liệu cho thấy TiO2 anatas có độ xếp chặt kém hơn TiO2 rutil. Do đó, rutil là pha bền của TiO2, còn anatas chỉ là pha giả bền của TiO2. Ở dạng tinh thể với kích thƣớc lớn, TiO2 rutil bền tại áp suất thƣờng, nhiệt độ thƣờng và ở mọi nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy của nó. Sự khác nhau về cấu trúc tinh thể của vật liệu ở các pha khác nhau cũng dẫn đến sự khác nhau về cấu trúc các vùng năng lƣợng trong tinh thể của chúng [3] [4].
5 Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của anatas và rutil [3] Tính chất Anatas Rutil Cấu trúc tinh thể Tetragonal Tetragonal Nhóm không gian I41/amd P42/mnm Thông số mạng a (Ao) 3,78 4,58 Thông số mạng c (Ao) 9,49 2,95 Khối lƣợng riêng 3,895 4,25 (g/cm3) Chỉ số khúc xạ 2,52 2,71 Độ rộng vùng cấm (eV) 3,25 (tƣơng ứng với 3,05 (tƣơng ứng với năng lƣợng ánh sáng năng lƣợng ánh sáng có cực tím có bƣớc sóng λ bƣớc sóng λ = 413 nm) = 388 nm) Độ cứng (thang mox) 5,5 – 6,0 6,0 – 7,0 Hằng số điện môi 31 114 Nhiệt độ nóng chảy (oC) Nhiệt độ cao chuyển 1830 – 1850 oC thành rutil  Sự chuyển pha của tinh thể TiO2 Khi điều chế TiO2, ngƣời ta thƣờng thu đƣợc các sản phẩm ở dạng vô định hình, anatas hoặc rutil do trong quá trình xử lý nhiệt, cấu trúc vật liệu chuyển dần từ dạng vô định hình sang pha anatas ở nhiệt độ cỡ 300 ÷ 450 oC và chuyển dần sang pha rutil khi nung ở nhiệt độ cao (cỡ trên 800 oC). Sự chuyển cấu trúc sang pha rutil hoàn thành ở nhiệt độ khoảng 900 oC. TiO2
6 cũng có thể chuyển từ pha anatas sang pha rutil ở nhiệt độ gần 500oC tuỳ theo tạp chất, áp suất, môi trƣờng, công nghệ chế tạo [1] [5] [6] [7]. Một số nghiên cứu cho thấy sự chuyển cấu trúc từ pha anatas sang rutil còn phụ thuộc vào kích thƣớc hạt. Kích thƣớc hạt càng nhỏ, năng lƣợng hoạt hoá cần để chuyển cấu trúc từ pha anatas sang rutil càng nhỏ, sự chuyển pha càng dễ xảy ra. Ngoài ra, sự có mặt của pha brookit cũng ảnh hƣởng đến sự chuyển pha đó. Tỷ lệ pha brookit trong tinh thể TiO2 anatas càng lớn thì sự chuyển pha càng xảy ra nhanh vì pha brookit dễ chuyển sang pha rutil hơn. Nhƣ vậy, pha rutil là dạng phổ biến nhất của TiO2, pha anatas hiếm gặp trong tự nhiên. Thực tế TiO2 không tồn tại riêng biệt dƣới một dạng nhất định trong các khoáng chất mà thƣờng có nhiều pha khác cùng tồn tại: rutil, anatas, brookit, quarzt, feldspars…Tuy nhiên, trong các dạng thù hình trên của TiO2 thì pha anatas thể hiện tính hoạt động dƣới ánh sáng mặt trời cao hơn hẳn so với các pha khác do sự khác biệt về cấu trúc vùng năng lƣợng của nó.  Giản đồ năng lƣợng của tinh thể TiO2 Các hiện tƣợng vật lý, hóa học xảy ra liên hệ rất mật thiết đến sự dịch chuyển điện tử giữa các dải năng lƣợng của vật liệu. TiO2 anatas có vùng cấm rộng 3,25 eV - ứng với một lƣợng tử ánh sáng có bƣớc sóng 388 nm. TiO2 rutil có độ rộng vùng cấm là 3,05 eV - ứng với một lƣợng tử ánh sáng có bƣớc sóng 413 nm. Giản đồ năng lƣợng của TiO2 anatas và rutil đƣợc thể hiện trong Hình 1.2.
7 Hình 1.2. Giản đồ năng lƣợng của TiO2 pha anatas và rutil [1] [8] Giản đồ trên cho thấy vùng cấm của TiO2 anatas và rutil tƣơng đối rộng và xấp xỉ bằng nhau cho thấy chúng đều có khả năng oxy hóa mạnh. Nhƣng dải dẫn của TiO2 anatas cao hơn (khoảng 0,3 eV), ứng với một thế khử mạnh hơn, có khả năng khử O2 thành O2- còn dải dẫn của TiO2 rutil thấp hơn, chỉ ứng với thế khử nƣớc thành khí hiđro. Do vậy, TiO2 pha anatas có tính hoạt động mạnh hơn. Với những lý do trên, TiO2 pha anatas được quan tâm chế tạo, nghiên cứu và ứng dụng nhiều hơn các pha khác. 1.1.1.2. Tính chất xúc tác quang của TiO2 TiO2 anatas là bán dẫn loại n có độ linh động hạt tải lớn, vùng cấm rộng. Nó có hệ số truyền qua cao trong vùng ánh sáng nhìn thấy và vùng hồng ngoại. Chiết suất và hằng số điện môi của TiO2 anatas cũng lớn. Ngoài ra, với cấu trúc điện tử có vùng hoá trị điền đầy và vùng dẫn trống, các chất bán dẫn nhƣ TiO2 có thể hoạt động nhƣ những chất tăng nhạy cho các quá trình oxy hoá khử trong ánh sáng (tính chất quang xúc tác). Các nghiên cứu cho thấy tinh thể nano TiO2 anatas (kích thƣớc hạt tinh thể cỡ 5 - 50 nm) có tính oxy hoá khử mạnh dƣới tác dụng của tia tử ngoại trong ánh sáng mặt trời hoặc đèn huỳnh quang. Quá trình quang xúc tác tiến hành ở pha khí hoặc pha lỏng đƣợc chia thành 6 giai đoạn sau:
8 1- Các chất tham gia phản ứng đƣợc khuếch tán ở pha lỏng hoặc khí đến bề mặt xúc tác. 2- Các chất tham gia phản ứng bị hấp phụ trên bề mặt chất xúc tác. 3- Các phân tử chất xúc tác hấp thụ photon và chuyển từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích. Điện tử tách khỏi liên kết, chuyển từ dải hóa trị (valance band) sang dải dẫn (conduction band) và tạo ra lỗ trống (hole) ở dải hóa trị. Ở dải dẫn, điện tử có tính khử mạnh, phản ứng với các chất “ƣa điện tử” nhƣ O2 để tạo các nhân oxy hoá mạnh nhƣ H2O2, O2-, OH- TiO2(e-) + O2 → TiO2 + O2- (1.1) O2- + H+ → HO*2 (1.2) 2 HO*2 → H2O2 + O2 (1.3) TiO2(e-) + H2O2 → TiO2 + HO* + HO- (1.4) Đồng thời, lỗ trống ở dải hóa trị có tính oxy hóa mạnh, phản ứng với các chất giàu điện tử nhƣ H2O, OH- và các hợp chất hữu cơ RX (hấp phụ trên bề mặt chất xúc tác) để tạo các gốc tự do RX+, OH* trên bề mặt xúc tác: TiO2 (h+) + H2O → OH* + H+ + TiO2 (1.5) TiO2 (h+) + OH- → OH* + TiO2 (1.6) TiO2 (h+) + RX → RX+ + TiO2 (1.7) Các gốc OH* và O2- có tính oxy hoá mạnh gấp hàng trăm lần các chất ôxy hoá quen thuộc hiện nay nhƣ clo, ozon. Chúng giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ, khí thải độc hại, vi khuẩn, rêu mốc bám trên bề mặt vật liệu thành những chất vô hại nhƣ CO2, H2O.
9 Hình 1.3. Sơ đồ mô tả các quá trình oxy hoá và khử trong tinh thể bán dẫn [1] [3] [4] TiO2 rutil cũng có tính chất tƣơng tự nhƣng nó có dải dẫn thấp hơn, gần với thế khử nƣớc thành khí H2 còn TiO2 anatas có khả năng khử O2 thành O2- có tính oxy hoá mạnh. Nguyên nhân là do TiO2 rutil đƣợc hình thành ở nhiệt độ cao, sự dehydrat hoá xảy ra triệt để. Còn TiO2 anatas đƣợc hình thành ở nhiệt độ thấp hơn, trên bề mặt của nó vẫn còn các gốc OH [-Ti-OH] nên dễ dàng hấp phụ các chất. Nhƣng thực tế cho thấy hoạt tính của chất xúc tác cao hơn khi sử dụng TiO2 là hỗn hợp gồm 70% anatas và 30% rutil. Đó là vì TiO2 anatas và rutil đều có năng lƣợng vùng hoá trị nhƣ nhau nhƣng rutil có năng lƣợng vùng dẫn thấp hơn năng lƣợng vùng dẫn của anatas 0,3 eV nên điện tử quang sinh dễ dàng đi vào vùng dẫn của TiO2 rutil rồi sau đó dễ đi vào vùng dẫn của TiO2 anatas hơn. Đây là giai đoạn khởi đầu cho chuỗi các quá trình sau. Do vậy, để một chất có khả năng quang xúc tác thì nó phải có hoạt tính quang hoá, phải có độ rộng vùng cấm thích hợp để hấp thụ đƣợc tia tử ngoại hoặc ánh sáng nhìn thấy (tức là Eg ≤ hν). 4- Phản ứng quang hóa: gồm 2 giai đoạn nhỏ: • Phản ứng quang hóa sơ cấp: các phân tử chất bán dẫn bị kích thích tham gia trực tiếp vào phản ứng với các chất bị hấp phụ.