BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
……..….***…………
NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT XÚC TÁC QUANG
VÀ ƯA NƯỚC CỦA MÀNG TỔ HỢP TIO
2
/SIO
2
VÀ
TIO
2
/PEG BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL
Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
Mã số: 9 44 01 04
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
Hà Nội – 2018
Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ -
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
Người hướng dẫn khoa học 1: TS. Nguyễn Trọng Tĩnh
Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Nghiêm Thị Hà Liên
Phản biện 1: …
Phản biện 2: …
Phản biện 3: ….
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp tại Họ
c
viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việ
t
Nam vào hồi ….. giờ …..’, ngày … tháng … năm ….
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
- 1 -
A. GIỚI THIỆU LUẬN ÁN
Vật liệu TiO
2
được biết đến là vật liệu bán dẫn có tính chất
quang xúc tác và tính chất ưa nước khi khích thích bằng ánh sáng.
Vì lý do đó, TiO
2
được coi là vật liệu chức năng rất có tiềm năng
tạo ra các vật liệu có tính năng tự làm sạch cho các ứng dụng thực
tế. Tính chất ưa nước khi kích thích quang của bề mặt vật liệu liên
quan chặt chẽ với tính chất vật liệu, cấu hình bề mặt và các tác nhân
kích thích. Vì lý do đó, nghiên cứu tính ưa nước của vật liệu là đối
tượng rất hấp dẫn về mặt học thuật trong việc nghiên cứu tính chất
cũng như quá trình vật lý trên bề mặt.
Trên thế giới, những nghiên cứu mới đây chỉ ra sự liên quan
giữa mức độ ưa nước của bề mặt chất rắn và năng lượng bề mặt.
Kích thích bằng bức xạ ánh sáng tạo ra sự thay đổi năng lượng bề
mặt dẫn đến sự thay đổi mức độ ưa nước.
Việc nghiên cứu có hệ thống và định lượng sự thay đổi năng
lượng bề mặt khi bị kích thích của TiO
2
có các cấu trúc nano khác
nhau hứa hẹn dẫn đến những thông tin góp phần làm sáng tỏ thêm
cơ chế xúc tác quang và hiệu ứng siêu ưa nước của vật liệu TiO
2
.
Tại Việt Nam, những nghiên cứu có nội dung liên quan tính
ưa nước hay năng lượng bề mặt vật liệu, nhất là nghiên cứu tính ưa
nước khi kích thích ánh sáng không có nhiều. Do vậy mục tiêu luận
án đặt ra như sau:
Mục tiêu của của luận án: Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật
liệu và các tính chất cấu trúc cũng như tính chất quang xúc tác của
vật liệu TiO
2
và TiO
2
biến thể cấu trúc nano. Trên cơ sở các hệ vật
liệu đó nghiên cứu có hệ thống và định lượng tính chất ưa nước,
hay nói cách khác là nghiên cứu về năng lượng bề mặt của các hệ
vật liệu dưới tác động kích thích bằng bức xạ ánh sáng cực tím UV.
Làm rõ thêm sự liên quan giữa tính chất xúc tác quang, tự làm sạch
và tính ưa nước của hệ vật liệu TiO
2
cấu trúc nano.
Đối tượng nghiên cứu: Luận án tập trung vào hai hệ cấu trúc
trên cơ sở TiO
2
thù hình anatse cấu trúc nano: Hệ nano phức hợp
TiO
2
/SiO
2
và hệ nano xốp TiO
2
/PEG.
- 2 -
Nội dung nghiên cứu chính:
Chế tạo các hệ vật liệu TiO
2
/SiO
2
, TiO
2
/PEG và nghiên cứu
thực nghiệm về tính chất cấu trúc cũng như tính chất quang xúc tác
của hai hệ vật liệu.
Nghiên cứu tính chất ưa nước hay năng lượng bề mặt của hệ
màng TiO
2
/SiO
2
, TiO
2
/PEG cấu trúc nano bằng kỹ thuật đo góc tiếp
xúc và bán định lượng dựa trên những mô hình lý thuyết vi mô về
bề mặt chất rắn khi có tác nhân kích thích.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:
Làm chủ công nghệ chế tạo vật liệu TiO
2
cấu trúc nano bằng
phương pháp sol-gel. Kiểm soát được cấu trúc nano của màng
mỏng TiO
2
. Ức chế được quá trình chuyển pha từ cấu hình Anatase
có hoạt tính quang xúc tác cao sang pha Rutile có hoạt tính quang
xúc tác thấp tại nhiệt độ cao.
Xây dựng phương pháp luận mới để tính toán định lượng
năng lượng bề mặt pha rắn dựa trên lý thuyết vi mô của vật lý chất
rắn. Trên cơ sở phương pháp luận này, có thể tính toán định lượng
năng lượng bề mặt chất rắn từ dữ liệu thực nghiệm đo góc tiếp xúc
pha lỏng-rắn bằng kỹ thuật đo góc tiếp xúc.
Nghiên cứu định lượng năng lượng bề mặt màng quang xúc
tác TiO
2
cấu trúc nano dưới tác động kích thích của bức xạ UV.
Qua đó đưa ra bằng chứng thực nghiệm về một hiệu ứng vật lý đó
là: kích thích quang có thể làm thay đổi năng lượng bề mặt của vật
liệu quang xúc tác.
Chỉ ra mối tương quan giữa cơ chế quang xúc tác và cơ chế
siêu ưa nước của hệ vật liệu TiO
2
cấu trúc nano. Cung cấp dữ liệu
thực nghiệm có định lượng, góp phần củng cố thêm giả thuyết về
nguồn gốc cơ chế hiệu ứng siêu ưa nước của hệ vật liệu TiO
2
.
Bố cục của luận án: Luận án gồm phần mở đầu, 5 chương
nội dung và phần kết luận. Kết quả liên quan đến luận án được công
bố trong 5 công trình trong đó có 03 công bố quốc tế và 02 công bố
trong nước.
- 3 -
B. NỘI DUNG LUẬN ÁN
Chương 1
TỔNG QUAN VẬT LIỆU TITAN ĐIOXIT (TIO
2
)
CẤU TRÚC NANO.
1.1. Vật liệu nano TiO
2
.
1.1.1. Giới thiệu chung về vật liệu nano TiO
2
.
Những năm trở lại đây, bột TiO
2
tinh thể kích thước nm ở các
dạng thù hình rutile, anatase, hoặc hỗn hợp rutile và anatase và
brookite đã được nghiên cứu ứng dụng vào các lĩnh vực pin mặt
trời, chế tạo thiết bị điện tử, đầu cảm biến… Với hoạt tính quang
xúc tác cao vật liệu nano TiO
2
được ứng dụng trong các lĩnh vực
xử lý môi trường như: phân hủy các hợp chất hữu cơ độc hại, xử lý
nước, diệt khuẩn, chống nấm mốc... Đặc biệt kết hợp với khả năng
ưa nước khi được chiếu ánh sáng TiO
2
còn phát triển như một vật
liệu tự làm sạch. Với cấu trúc bền và không độc, vật liệu TiO
2
được
cho là vật liệu triển vọng nhất để giải quyết rất nhiều vấn đề môi
trường nghiêm trọng và thách thức từ sự ô nhiễm.
Các dạng thù hình của TiO
2
.
TiO
2
có bốn dạng thù hình. Ngoài dạng vô định hình, nó có
ba dạng tinh thể là anatase, rutile và brookite (Hình 1.1).
Anatase
Rutile
Brookite
Hình 1.1: Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO
2
Những sự khác nhau trong cấu trúc mạng lưới dẫn đến sự
khác nhau về mật độ điện tử giữa hai dạng thù hình rutile và
anatase của TiO
2
và đây là nguyên nhân của một số sự khác biệt về
tính chất giữa chúng. Tính chất và ứng dụng của TiO
2
phụ thuộc rất
nhiều vào cấu trúc tinh thể các dạng thù hình và kích thước hạt của
các dạng thù hình này.
Trong các dạng thù hình của TiO
2
thì dạng anatase thể hiện
hoạt tính quang xúc tác cao hơn các dạng còn lại.