Nguyên lý hoạt động và một số ứng dụng quan trọng của vật liệu nano TiO2

Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> NGUYEÂN LÍ HOAÏT ÑOÄNG VAØ MOÄT SOÁ ÖÙNG DUÏNG<br /> QUAN TROÏNG CUÛA VAÄT LIEÄU NANO TiO2<br /> Traàn Kim Cöông<br /> Tröôøng Ñaïi hoïc Thuû Daàu Moät<br /> <br /> <br /> TOÙM TAÉT<br /> Vaät lieäu coù caáu truùc nano noùi chung vaø nano TiO2 noùi rieâng ngaøy caøng coù öùng duïng<br /> nhieàu vaø quan troïng trong khoa hoïc kó thuaät vaø ñôøi soáng haøng ngaøy. ÖÙng duïng ñaëc bieät<br /> quan troïng cuûa nano TiO2 laø trong lónh vöïc quang xuùc taùc laøm saïch vaø khöû ñoäc moâi<br /> tröôøng, trong lónh vöïc naêng löôïng söû duïng ñeå cheá taïo pin nhieân lieäu vaø pin maët trôøi<br /> quang ñieän hoaù, giaûi quyeát vaán ñeà an ninh naêng löôïng cho loaøi ngöôøi trong töông lai<br /> gaàn, trong lónh vöïc linh kieän ñieän töû ñeå löu tröõ vaø truyeàn daãn thoâng tin vôùi dung löôïng<br /> lôùn vaø theå tích nhoû. Nguyeân lí hoaït ñoäng vaø nhöõng öùng duïng cô baûn cuûa vaät lieäu nano<br /> TiO2 seõ ñöôïc ñeà caäp trong baøi baùo naøy.<br /> Töø khoaù: nano TiO2, quang xuùc taùc TiO2, öùng duïng TiO2, pin maët trôøi TiO2<br /> *<br /> 1. Môû ñaàu kinh ñieån nhö laøm chaát maøu traéng trong<br /> Coâng ngheä vaät lieäu nano ñaõ vaø ñang sôn, chaát deûo vaø giaáy, laøm chaát ñoän chöùc<br /> môû ra moät trieån voïng öùng duïng lôùn lao naêng, aéc quy titan vaø hoùa chaát… Nhöõng<br /> trong cuoäc soáng cuûa toaøn nhaân loaïi. Caùc öùng duïng môùi cuûa vaät lieäu TiO2 kích<br /> nghieân cöùu veà vaät lieäu nano trong hôn thöôùc nano laø hoaït ñoäng quang hoùa treân<br /> moät thaäp kæ qua ñaõ taïo ra nhöõng ñoät phaù beà maët töï laøm saïch, nhaát laø vaät lieäu xaây<br /> quan troïng trong khoa hoïc vaø coâng ngheä. döïng, duøng laøm lôùp phuû cho kính töï saïch,<br /> Nano TiO2 laø moät trong soá nhöõng vaät lieäu caùc öùng duïng ñieän töû vaø phaân huûy xuùc taùc<br /> nano tieâu bieåu ñaõ ñöôïc nghieân cöùu vaø ñaõ quang hoùa, baûo veä ñoái vôùi böùc xaï töû ngoaïi<br /> ñaït ñöôïc nhöõng thaønh töïu ñaùng keå. Caùc cuûa maët trôøi, laøm saïch khoâng khí, phaân<br /> nöôùc treân theá giôùi haøng naêm ñaõ ñaàu tö huûy dö löôïng thuoác tröø saâu, laøm saïch<br /> haøng chuïc tæ USD vaøo nghieân cöùu coâng nöôùc thaûi, baûo veä moâi tröôøng, duøng laøm<br /> ngheä cheá taïo, öùng duïng vaø saûn xuaát vaät xuùc taùc trong caùc nhaø maùy phaùt ñieän laïnh<br /> lieäu nano TiO2; ñaõ phaùt trieån raát nhieàu vaø trong oâtoâ coù theå phaân huûy toái ña caùc<br /> phöông phaùp cheá taïo nano TiO2 töø nhieàu nitô oxit phaùt ra töø quaù trình chaùy nhieân<br /> vaät lieäu ban ñaàu khaùc nhau. Khaû naêng lieäu, vaät lieäu choáng noùng, söû duïng trong<br /> öùng duïng cuûa vaät lieäu naøy cuõng raát phong lĩnh vöïc naêng löôïng nhö pin nhieân lieäu vaø<br /> phuù vaø ña daïng, ngoaøi những öùng duïng pin maët trôøi quang ñieän hoaù… Trong baøi<br /> <br /> 8<br />  Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012<br /> <br /> <br /> baùo naøy, chuùng toâi ñeà caäp ñeán nguyeân lí Baûng 1: Theá oâxi hoùa cuûa moät soá chaát<br /> hoaït ñoäng trong nhöõng öùng duïng quan thoâng duïng [19]<br /> troïng nhaát cuûa nano TiO2 laø quang xuùc Chất ôxi hóa Thế ôxi hóa (V)<br /> taùc, linh kieän ñieän töû vaø pin maët trôøi.<br /> Gốc hydroxyl (-OH) 2.8<br /> 2. Quang xuùc taùc TiO2<br /> Gốc sulfat 2.6<br /> Chaát xuùc taùc laø chaát coù taùc duïng laøm Ozon 2.1<br /> giaûm naêng löôïng hoaït hoaù cuûa phaûn öùng<br /> Hydrogen peroxide (H2O2) 1.8<br /> hoaù hoïc vaø khoâng bò maát ñi sau phaûn<br /> Thuốc tím (KMnO4) 1.7<br /> öùng. Neáu quaù trình xuùc taùc ñöôïc kích hoaït<br /> baèng aùnh saùng thì ñöôïc goïi laø söï quang<br /> Chlorine dioxide 1.5<br /> <br /> xuùc taùc. Chaát coù tính naêng kích hoaït caùc Clo 1.4<br /> <br /> phaûn öùng hoùa hoïc khi ñöôïc chieáu saùng goïi Oxi 1.2<br /> laø chaát quang xuùc taùc. Nhieàu hôïp chaát Brom 1.1<br /> baùn daãn oxit vuøng caám roäng nhö TiO2, Iot 0.76<br /> ZnO, In2O3... ñeàu coù tính naêng quang xuùc<br /> Töø baûng 1 ta thaáy nano TiO2 coù khaû<br /> taùc, nhöng nano TiO2 laø moät vaät lieäu<br /> naêng oâxi hoaù maïnh gaáp gaàn 1,5 laàn so<br /> quang xuùc taùc ñieån hình. vôùi ozon, gaáp 2,3 laàn so vôùi clo, gaáp 2,6 so<br /> vôùi oxi. Vôùi theá oâxi hoaù 3,2 V döôùi taùc<br /> ñoäng cuûa aùnh saùng töû ngoaïi nano TiO2 coù<br /> khaû naêng phaân huyû raát maïnh caùc chaát<br /> ñoäc haïi trong moâi tröôøng. H2O haáp thuï<br /> treân beà maët cuûa TiO2 bò caùc loã troáng oâxi<br /> hoaù sau ñoù taïo ra goác hydroxyl oâxi hoaù<br /> (OH)*. Tieáp theo, goác hydroxyl naøy phaûn<br /> öùng vôùi caùc chaát höõu cô. Neáu O2 toàn taïi<br /> trong quaù trình phaûn öùng, thì caùc goác<br /> (saûn phaåm trung gian cuûa caùc hôïp chaát<br /> höõu cô) vaø caùc phaân töû oâxi baét ñaàu phaûn<br /> Hình 1: Cô cheá phaûn öùng treân beà maët öùng. Saûn phaåm cuoái cuøng cuûa söï phaân huyû<br /> quang xuùc taùc TiO2 [19] caùc chaát höõu cô laø CO2 vaø nöôùc. Maët<br /> Khi haáp thuï aùnh saùng töû ngoaïi coù khaùc, ñieän töû (e-) khöû oâxi vaø taïo ra ion<br /> böôùc soùng ≥ 3,2 eV thì ñieän töû ôû vuøng hoaù sieâu oxide O. Ion sieâu oâxi naøy taïo ra<br /> trò chuyeån leân vuøng daãn vaø TiO2 trôû peroxide, trôû thaønh saûn phaåm trung gian<br /> thaønh ôû traïng thaùi kích thích (hình 1). cuûa phaûn öùng oâxi hoaù, hoaëc taïo ra nöôùc<br /> <br /> Vôùi naêng löôïng vuøng caám 3,2 eV haït nano thoâng qua hydrogen peroxide.<br /> <br /> TiO2 ôû traïng thaùi kích thích laø moät moâi Caùc phaûn öùng cuûa quaù trình quang<br /> tröôøng oâxi hoaù khöû maïnh nhaát trong caùc xuùc taùc xaûy ra treân beà maët TiO2 coù theå<br /> moâi tröôøng ñaõ bieát (baûng 1). ñöôïc moâ taû baèng nhöõng phaûn öùng sau:<br /> <br /> 9<br /> Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012<br /> <br /> <br /> (2.1)<br /> (2.2)<br /> (2.3)<br /> <br /> (2.4)<br /> (2.5)<br /> (2.6)<br /> Treân cô sôû phaûn öùng quang xuùc taùc, tetrachlorethylene, trihalomethane vaø<br /> TiO2 coù theå ñöôïc söû duïng ñeå laøm pin nhöõng chaát coù haïi khaùc [37]. Vieäc laøm<br /> nhieân lieäu vaø laøm chaát xuùc taùc cho caùc saïch nöôùc döïa treân hieäu öùng quang xuùc<br /> quaù trình laøm saïch moâi tröôøng. taùc coù khaû naêng loaïi boû ion kim loaïi naëng<br /> 3. Moät soá öùng duïng tieâu bieåu cuûa trong nöôùc, khaéc phuïc ñöôïc nhöõng nhöôïc<br /> quang xuùc taùc TiO2 ñieåm cuûa caùc phöông phaùp laøm saïch<br /> truyeàn thoáng. Noù ñöôïc öùng duïng trong caùc<br /> TiO2 laø vaät lieäu khoâng coù ñoäc tính. Vì<br /> boä loïc nöôùc sinh hoaït vaø laøm saïch nöôùc<br /> vaäy, ñaëc tính quang xuùc taùc cuûa noù coù theå<br /> trong chu trình nuoâi troàng thuyû saûn kheùp<br /> ñöôïc söû duïng trong nhieàu muïc ñích khaùc<br /> nhau. kín.<br /> <br /> Caùc goác hoùa hoïc hoaït ñoäng vaø caùc ñieän „TiO2 khaùng khuaån baèng cô cheá<br /> <br /> tích sinh ra khi nano TiO2 ñöôïc kích hoaït phaân huyû neân coù theå söû duïng ñeå dieät vi<br /> <br /> coù khaû naêng phaù huûy caùc chaát ñoäc höõu cô, khuaån, virut, naám moác... [35,40,45].<br /> <br /> naám moác [20,24]. Moät soá keát quaû ñaõ ñaït „Döôùi taùc duïng cuûa böùc xaï töû ngoaïi<br /> ñöôïc cuûa vieäc söû duïng vaät lieäu naøy trong (UV), TiO2 trôû thaønh moät moâi tröôøng kò<br /> lónh vöïc laøm saïch ñöôïc lieät keâ döôùi ñaây: nöôùc hay aùi nöôùc tuøy thuoäc vaøo baûn chaát<br /> TiO2 coù khaû naêng laøm saïch moâi vaät lieäu. Khaû naêng naøy ñöôïc öùng duïng ñeå<br /> tröôøng khoâng khí thoâng qua vieäc phaân taïo ra caùc beà maët töï taåy röûa hoaëc caùc<br /> huyû caùc hôïp chaát höõu cô ñoäc haïi nhö thieát bò laøm laïnh thoâng qua vieäc taïo ñieàu<br /> NOx , SOx, CO, NH3 [2,13,29,36] coù trong kieän cho nöôùc bay hôi.<br /> moâi tröôøng khoâng khí thaønh nhöõng chaát Khaû naêng quang xuùc taùc cuûa nano<br /> ñôn giaûn khoâng ñoäc haïi. Noù ñöôïc söû TiO2 ñang ñöôïc nghieân cöùu trong coâng<br /> duïng trong caùc thieát bò loïc khoâng khí vaø ngheä cheá taïo pin nhieân lieäu:<br /> khöû muøi trong beänh vieän, vaên phoøng,<br /> Pin nhieân lieäu saûn sinh ra naêng löôïng<br /> nhaø ôû...<br /> döïa treân phaûn öùng taùch nöôùc. Maøng TiO2<br /> TiO2 coù khaû naêng phaân huyû caùc hôïp ñoùng vai troø laø ñieän cöïc quang cuûa loaïi<br /> chaát gaây oâ nhieãm trong moâi tröôøng nöôùc pin naøy [14]. Hình 2 moâ taû caáu truùc cuûa<br /> nhö muoái clorua höõu cô [5], dioxin [5,31], pin nhieân lieäu.<br /> <br /> 10<br />  Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012<br /> <br /> <br /> ñaõ lôùn hôn 90% vaø toác ñoä thu ñöôïc löôïng<br /> khí hydro laø 24 ml/Wh. Hieäu suaát toång theå<br /> ñaït 6,8%. Cho ñeán naêm 2005, ñaây laø hieäu<br /> suaát cao nhaát thu ñöôïc ñoái vôùi pin quang<br /> ñieän hoùa söû duïng nano oxit titan [14].<br /> 4. Pin maët trôøi<br /> Hieäu öùng quang ñieän hoaù: Khi coù söï<br /> tieáp xuùc giöõa ñieän cöïc vôùi dung dòch chaát<br /> ñieän li thì ôû beà maët tieáp xuùc giöõa chuùng<br /> xuaát hieän moät theá ñieän cöïc (hình 3). Khi<br /> ñieän cöïc ñöôïc chieáu saùng, xuaát hieän caùc<br /> caëp ñieän töû loã troáng khoâng caân baèng.<br /> Neáu dung dòch ñieän li laø moät chaát oâxi hoaù<br /> Hình 2: Caáu truùc cuûa pin nhieân lieäu (1) khöû thì trong maïch seõ xuaát hieän moät suaát<br /> ñieän cöïc TiO2; (2) ñieän cöïc ñoái Pt; (3) lôùp quang ñieän ñoäng ñieän coù giaù trò phuï thuoäc<br /> vaøo baûn chaát cuûa vaät lieäu laøm ñieän cöïc vaø<br /> ngaên caûn söï daãn ion; (4) oáng laáy khí; (5)<br /> dung dòch ñieän li. Töø pheùp ño giaù trò cuûa<br /> ñieän trôû taûi; (6) ñoàng hoà ño ñieän aùp [23]<br /> suaát quang ñieän ñoäng, coù theå bieát ñöôïc<br /> Khi beà maët ñieän cöïc TiO2 ñöôïc chieáu<br /> trong vaät lieäu baùn daãn laøm ñieän cöïc<br /> saùng bôûi aùnh saùng coù böôùc soùng thích hôïp quang coù chöùa taïp chaát hay khoâng.<br /> (λ ≤ 415 nm) treân beà maët caùc ñieän cöïc<br /> xaûy ra caùc phaûn öùng sau [23]:<br /> TiO2 + h e- + h+ (ở điện cực TiO2 ) (3.1)<br /> 2H2O + 4h+ O2 + 4H+ (ở điện cực Pt) (3.2)<br /> 4H+ + 2e- H2 (3.3)<br /> Phaûn öùng toång hôïp cho caû quaù trình:<br /> <br /> 2H2O + 4h O2 + 2H2 (3.4)<br /> Doøng quang ñieän sinh ra seõ ñi töø ñieän Hình 3: Nguyeân lí pin maët trôøi quang<br /> cöïc ñoái plantin, qua maïch ngoaøi roài ñeán ñieän hoùa<br /> ñieän cöïc TiO2. Höôùng ñi naøy cho thaáy Pin maët trôøi quang ñieän hoaù laøm<br /> phaûn öùng oâxi hoùa (sinh ra oâxi) dieãn ra nhaïy quang baèng chaát maøu (DSSC):<br /> treân beà maët ñieän cöïc TiO2 vaø phaûn öùng Caáu truùc xoáp vaø thôøi gian soáng cuûa<br /> khöû (sinh ra hydro) dieãn ra taïi ñieän cöïc haït taûi cao taïo ra moät öu ñieåm noåi baät<br /> platin. Ngöôøi ta ñaõ cheá taïo pin nhieân lieäu cuûa nano TiO2 trong vieäc cheá taïo pin<br /> vôùi ñieän cöïc söû duïng oáng nano TiO2 ñeå DSSC (photoelectrochemical dye sensiti-<br /> taêng hieäu suaát cuûa phaûn öùng taùch nöôùc. zed solar cell). Maøng moûng TiO2 nano xoáp<br /> Hieäu suaát löôïng töû taïi böôùc soùng 337nm coù beà maët haáp thuï taêng leân haøng nghìn<br /> <br /> 11<br /> Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012<br /> <br /> <br /> laàn laøm taêng hieäu suaát quang ñieän cuûa<br /> DSSC. Caáu taïo DSSC ñôn giaûn, deã cheá<br /> taïo, giaù thaønh thaáp, deã phoå caäp roäng raõi.<br /> DSSC laø moät trong caùc giaûi phaùp ñang<br /> ñöôïc nghieân cöùu maïnh meõ ñeå caûi thieän<br /> hieäu suaát chuyeån ñoåi naêng löôïng maët trôøi<br /> thaønh naêng löôïng ñieän [22]. Trong caáu<br /> taïo cuûa DSSC, caùc haït nano tinh theå TiO2<br /> ñöôïc söû duïng ñeå cheá taïo maøng ñieän cöïc<br /> quang [33,43,44].<br /> Ñeå taêng hieäu suaát cuûa pin maët trôøi Hình 4: Nguyeân lí hoaït ñoäng cuûa pin<br /> quang ñieän hoaù (PEC), vaät lieäu nano TiO2 DSSC<br /> treân ñieän cöïc quang ñöôïc phuû moät lôùp ñôn Hình 4 moâ taû nguyeân lí caáu taïo vaø<br /> phaân töû chaát maøu (thöôøng laø hôïp chaát hoaït ñoäng cuûa DSSC. Ñieàu khaùc bieät ôû<br /> chöùa ruthenium) coù theå ñöôïc kích hoaït bôûi ñaây laø söï taùch ñieän tích trong caùc DSSC<br /> aùnh saùng vuøng khaû kieán ñeå taïo ra nguoàn döïa treân quaù trình chuyeån electron töø<br /> ñieän töû. Khi ñoù PEC ñöôïc goïi laø DSSC. phaân töû chaát maøu tôùi TiO2 vaø loã troáng töø<br /> Ñoàng thôøi, ñieän cöïc nano TiO2 ñöôïc cheá chaát maøu tôùi chaát ñieän phaân. Kích thöôùc<br /> taïo vôùi caáu truùc xoáp ñeå taêng cöôøng dieän caùc haït rieâng bieät ôû ñieän cöïc caáu truùc<br /> tích beà maët haáp thuï aùnh saùng. nano laø quaù nhoû ñeå hình thaønh lôùp ñieän<br /> Khi hoaït ñoäng, aùnh saùng kích thích tích khoâng gian beân trong caùc haït [16].<br /> chaát maøu So treân beà maët TiO2 taïo ra caëp Chaát ñieän phaân bao quanh caùc haït kích<br /> ñieän töû loã troáng: thöôùc nano chaén moïi ñieän tröôøng toàn taïi<br /> [32]. Nhöng coù söï toàn taïi cuûa ñieän tröôøng<br /> So + hγ = S* /S+ + e (4.1)<br /> ôû maët phaân caùch chaát ñieän phaân ‟ baùn<br /> Ñieän töû ñöôïc “tieâm” vaøo vuøng daãn cuûa<br /> daãn giuùp vieäc taùch caùc ñieän tích vaø laøm<br /> TiO2, chuyeån ñoäng ñeán lôùp SnO2:F, qua<br /> giaûm taùi hôïp.<br /> maïch ngoaøi ñeå ñeán ñieän cöïc thu. Loã troáng<br /> Maïng haït nano baùn daãn khoâng chæ<br /> bò khöû bôûi ion I- theo phaûn öùng:<br /> cho dieän tích beà maët lôùn cho caùc phaân töû<br /> 2S+ + 3I- = I-3 + 2So (4.2)<br /> chaát maøu huùt baùm, noù coøn laø moâi tröôøng<br /> Chaát maøu sau khi bò bò khöû trôû laïi<br /> chuyeån ñoái vôùi caùc ñieän töû tieâm töø caùc<br /> traïng thaùi bình thöôøng (So), saün saøng cho<br /> phaân töû chaát maøu. Kích thöôùc nhoû cuûa caùc<br /> moät chu trình tieáp theo.<br /> haït nano ngaên caûn söï hình thaønh lôùp<br /> Taïi ñieän cöïc ñoái, ion I-3 nhaän ñieän töû ñeå ñieän tích khoâng gian vaø ñieän tröôøng noäi<br /> trôû laïi traïng thaùi ban ñaàu theo phaûn öùng: beân trong caùc haït vaø vì vaäy söï chuyeån caùc<br /> - -<br /> I 3 + 2e = 3I (4.3) ñieän töû khoâng theå laø cuoán trong ñieän<br /> vaø nhö vaäy chu trình hoaït ñoäng ñöôïc tröôøng. Caùc quaù trình taùi hôïp chæ ôû maët<br /> kheùp kín. phaân caùch chaát ñieän li ‟ baùn daãn [17].<br /> <br /> 12<br />  Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012<br /> <br /> <br /> Trong caùc pin maët trôøi Si, söï taùi hôïp electron cuûa phaân töû chaát maøu leân traïng<br /> cuûa caùc haït taûi ñieän ôû caùc traïng thaùi baãy thaùi kích thích môùi daãn ñeán vieäc taïo ra<br /> ôû caùc beà maët, caùc bieân haït vaø trong khoái doøng ñieän. Naêng löôïng naøy ñoái vôùi caùc<br /> deã daøng laøm suy giaûm hieäu suaát pin. Vì chaát maøu ñaõ ñöôïc nghieân cöùu thöôøng lôùn<br /> vaäy ñoøi hoûi vaät lieäu baùn daãn phaûi coù ñoä hôn ñoä roäng vuøng caám cuûa Si coù nghóa laø<br /> tinh khieát tinh theå cao. Ngöôïc laïi, trong coù ít hôn photon trong aùnh naéng maët trôøi<br /> ñieän cöïc nano TiO2 laøm nhaïy baèng chaát coù theå söû duïng ñeå phaùt sinh electron.<br /> maøu, coù moät dieän tích beà maët khoång loà. Theâm nöõa, chaát ñieän phaân haïn cheá toác ñoä<br /> Tuy nhieân, trong DSSC söï maát maùt vì taùi maø ôû ñoù caùc phaân töû chaát maøu coù theå laáy<br /> hôïp laø nhoû do caùc ñieän töû ñöôïc chuyeån qua laïi caùc electron cuûa chuùng ñeå trôû veà traïng<br /> caùc haït baùn daãn, trong khi caùc loã troáng laïi<br /> thaùi ban ñaàu. Nhöõng nhaân toá naøy giôùi<br /> ñöôïc trung hoaø bôûi chaát ñieän phaân. Noùi<br /> haïn doøng phaùt ra bôûi DSSC.<br /> khaùc, DSSC laøm vieäc nhö duïng cuï haït taûi<br /> chuû yeáu, töông töï chuyeån tieáp baùn daãn ‟ Ñeán nay hieäu suaát cuûa DSSC ñaõ ñaït<br /> <br /> kim loaïi hay ñi-oât Shottky [15]. ñöôïc khoaûng 11% [1,11]. DSSC hoaït ñoäng<br /> theo cô cheá hoaøn toaøn khaùc pin Si truyeàn<br /> Hieäu suaát cuûa pin maët trôøi ñöôïc xaùc<br /> thoáng, maëc duø hieäu suaát hieän taïi thaáp<br /> ñònh baèng bieåu thöùc:<br /> hôn so vôùi pin maët trôøi Si, nhöng caáu taïo<br /> Pm FF.VOC .ISC<br /> η (4.4) ñôn giaûn vaø deã cheá taïo hôn, giaù thaønh<br /> E.AC E.AC<br /> thaáp öôùc tính chæ baèng 1/5 pin Si, neân noù<br /> vôùi Pm laø ñieåm coâng suaát ra cöïc ñaïi cuûa trôû thaønh söï löïa choïn haøng ñaàu cuûa khoa<br /> pin, E laø coâng suaát aùnh saùng chieáu vaøo hoïc khi ñi tìm lôøi giaûi cho vaán ñeà an ninh<br /> pin vaø Ac laø dieän tích cuûa pin, Isc laø doøng naêng löôïng cuûa loaøi ngöôøi.<br /> ngaén maïch, Voc laø theá hôû maïch cuûa pin.<br /> Hieäu suaát cuûa DSSC coù theå taêng leân<br /> Heä soá laáp ñaày FF bieåu thò tính chaát tröôùc heát baèng caùch taêng Voc vaø Isc vaø sau<br /> toång theå cuûa pin laø tæ soá: ñoù laø taêng FF. Nhöõng ñaïi löôïng naøy phuï<br /> Pm η.AC .E thuoäc vaøo phaåm chaát vaø caáu truùc ñieän cöïc,<br /> FF (4.5)<br /> VOC .ISC VOC .ISC maø tröôùc heát phuï thuoäc vaøo phaåm chaát vaø<br /> tính chaát cuûa maøng nano TiO2. Ñieàu naøy<br /> Ñieän aùp cöïc ñaïi gaây ra bôûi pin laø söï<br /> coù ñöôïc baèng nghieân cöùu caûi tieán coâng<br /> khaùc nhau giöõa möùc Fermi cuûa TiO2 vaø<br /> ngheä cheá taïo vaät lieäu.<br /> theá oâxi hoùa ‟ khöû (redox) cuûa chaát ñieän<br /> phaân, khoaûng 0,7 V (Voc). Ñieän aùp cuûa caùc 5. Linh kieän ñieän töû<br /> DSSC cho giaù trò Voc cao hôn so vôùi Si TiO2 ñöôïc söû duïng nhö moät coång caùch<br /> (0,6 V). ñieän trong transistor tröôøng (FET) [28],<br /> Chaát maøu coù hieäu quaû cao ñeå chuyeån hoaëc ñeå laøm detector ño böùc xaï haït nhaân<br /> naêng löôïng cuûa caùc photon thaønh naêng [4]. Khi pha taïp theâm caùc taïp chaát thích<br /> löôïng cuûa caùc electron, nhöng chæ caùc hôïp seõ taïo neân caùc möùc naêng löôïng taïp<br /> photon coù ñuû naêng löôïng ñeå chuyeån chaát Ea naèm ôû vuøng caám, neáu caùc ñieän töû<br /> <br /> 13<br /> Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012<br /> <br /> <br /> ñoàng loaït chuyeån töø möùc kích thích veà caùc Tröôùc nhöõng öùng duïng quan troïng, ña<br /> möùc naêng löôïng cô baûn thì vaät lieäu seõ daïng vaø phong phuù, vaät lieäu TiO2 ñang<br /> phaùt ra caùc böùc xaï mong muoán. Cöûa soå ñöôïc raát nhieàu nhoùm taùc giaû treân theá giôùi<br /> ñoåi maøu hoaït ñoäng döïa treân nguyeân lí nghieân cöùu cheá taïo. Soá löôïng caùc nghieân<br /> naøy. Möùc naêng löôïng taïp chaát chuyeån dôøi cöùu môùi khoâng ngöøng ñöôïc gia taêng do<br /> coù theå ñieàu khieån nhôø ñieän tröôøng, do vaäy caùc öùng duïng coâng ngheä cuûa vaät lieäu naøy<br /> tuyø theo söï ñieàu khieån cuûa ñieän tröôøng [6]. Thí duï, maøng TiO2 ñöôïc söû duïng laøm<br /> maø coù ñöôïc maøu saéc thay ñoåi töùc thôøi lôùp choáng aên moøn, xuùc taùc trong hoaù hoïc<br /> [18,34]. TiO2 cuõng ñöôïc söû duïng laøm caùc [26], caùc duïng cuï phaùt quang (PL)<br /> lôùp choáng phaûn xaï giuùp taêng cöôøng hieäu (luminescence) [8]...<br /> suaát cuûa khueách ñaïi quang baùn daãn 6. Keát luaän<br /> (laser) GaInAs/AlGaInAs [25]. Do TiO2 coù<br /> Khaû naêng quang xuùc taùc kæ luïc cuûa<br /> heä soá chieát suaát raát lôùn, sôïi caùp quang<br /> TiO2 cuøng caùc tính chaát quí baùu khaùc ñaõ<br /> hoaëc caùc cöûa soå quang hoïc phuû vaät lieäu<br /> môû ra trieån voïng öùng duïng roäng raõi vaät<br /> naøy hoaït ñoäng theo nguyeân lí phaûn xaï<br /> lieäu naøy trong nhieàu lónh vöïc quan troïng<br /> lieân tieáp seõ phaûn xaï toaøn phaàn, neân seõ<br /> nhö coâng ngheä moâi tröôøng, chuyeån ñoåi<br /> laøm giaûm toái ña söï suy hao aùnh saùng (tín<br /> naêng löôïng maët trôøi, caùc duïng cuï quang<br /> hieäu).<br /> töû vaø quang ñieän töû…<br /> Ñaëc tính xoáp cuûa maøng TiO2 laøm cho<br /> Hieän taïi vôùi söï phaùt trieån maïnh cuûa<br /> noù coù khaû naêng haáp thuï chaát khí raát toát.<br /> nhieàu ngaønh kinh teá ñaõ taïo ra söï oâ nhieãm<br /> Ñaëc tính naøy ñaõ ñöôïc nhieàu taùc giaû<br /> moâi tröôøng nghieâm troïng keå caû veà maët<br /> nghieân cöùu ñeå laøm sensor khí xaùc ñònh<br /> hoaù hoïc laãn sinh hoïc, nhieàu nôi treân theá<br /> noàng ñoä hôi röôïu, noàng ñoä caùc chaát khí<br /> giôùi ñaõ xuaát hieän tình traïng maát caân<br /> ñoäc coù trong moâi tröôøng nhö CO, NO...<br /> baèng sinh thaùi. Nano TiO2 vôùi khaû naêng<br /> Maøng TiO2 vôùi caáu truùc pha rutile raát<br /> nhaïy khí O2 neân noù ñöôïc söû duïng ñeå xaùc quang xuùc taùc cao ñöôïc kì voïng trôû thaønh<br /> <br /> ñònh noàng ñoä O2 trong caùc loø luyeän kim vaät lieäu ñaéc löïc cho loaøi ngöôøi trong vieäc<br /> <br /> [9,12,27,30,42]. Maøng TiO2 coøn ñöôïc söû khöû ñoäc vaø laøm saïch moâi tröôøng. Nhieàu<br /> duïng laøm sensor xaùc ñònh ñoä aåm [7]. thieát bò laøm saïch moâi tröôøng nöôùc vaø<br /> khoâng khí ñaõ ñöôïc cheá taïo ôû qui moâ coâng<br /> Vaät lieäu maøng moûng vôùi neàn laø TiO2<br /> nghieäp. Nhieàu cheá phaåm chöùa nano TiO2<br /> khi pha theâm caùc haït saét töø ñöôïc goïi laø<br /> coù hoaït tính khaùng sinh ñaõ ñöôïc saûn xuaát<br /> baùn daãn töø loaõng, chuùng coù naêng löôïng töø<br /> thaønh thöông phaåm.<br /> dò höôùng cao vaø momen töø vuoâng goùc vôùi<br /> maët phaúng tinh theå, coù khaû naêng löu giöõ Ñieàu quan troïng khaùc laø vaán ñeà naêng<br /> thoâng tin vôùi maät ñoä raát lôùn. Maøng moûng löôïng. Caùc döï baùo khoa hoïc cho bieát, nhu<br /> töø ña lôùp coù töø trôû khoång loà ñöôïc söû duïng caàu naêng löôïng caàn cho loaøi ngöôøi seõ taêng<br /> ñeå ño töø tröôøng raát thaáp [3, 10, 21, 38, gaáp ñoâi trong voøng 50 naêm tôùi vaø luùc ñoù<br /> 39, 41]. caùc nguoàn nhieân lieäu hoaù thaïch chuû yeáu<br /> <br /> 14<br />  Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012<br /> <br /> <br /> seõ caïn kieät. Trong khi ñoù, Traùi ñaát luoân ñoái vôùi khoa hoïc vaø coâng ngheä. Nhöõng<br /> nhaän ñöôïc nguoàn naêng löôïng haøng naêm phaùt minh gaàn ñaây veà DSSC treân cô sôû<br /> töø Maët trôøi khoaûng 3.1024 J, nhieàu hôn maøng ñieän cöïc nano TiO2 ñaõ môû ra cô hoäi<br /> khoaûng 10.000 nhu caàu naêng löôïng cuûa cho vieäc öùng duïng daân duïng. Tuy nhieân,<br /> con ngöôøi hieän taïi. Öôùc tính chæ caàn söû vieäc saûn xuaát DSSC laø bí quyeát coâng ngheä<br /> duïng 0,1% dieän tích beà maët Traùi ñaát vôùi rieâng cuûa caùc haõng treân theá giôùi. Maët<br /> caùc pin maët trôøi hieäu suaát chuyeån ñoåi khaùc, vaán ñeà caûi thieän hieäu suaát vaø naâng<br /> 10% ñaõ coù theå ñaùp öùng nhu caàu naêng cao ñoä beàn cuûa caùc DSSC vaãn ñang coøn laø<br /> löôïng hieän taïi. Hôn nöõa, ñaây laø nguoàn nhöõng thaùch thöùc lôùn veà khoa hoïc vaø<br /> naêng löôïng sieâu saïch, taïi choã vaø voâ taän. coâng ngheä. Ñieàu naøy ñoái vôùi caùc nhaø khoa<br /> Tuy nhieân, vieäc khai thaùc nguoàn naêng hoïc vaãn coøn laø caùnh cöûa roäng môû ñang ôû<br /> löôïng naøy vaãn coøn laø moät thaùch thöùc lôùn phía tröôùc.<br /> *<br /> PRINCIPLES OF OPERATION AND SOME IMPORTANT<br /> APPLICATIONS OF NANO TiO2 MATERIAL<br /> Tran Kim Cuong<br /> Thu Dau Mot University<br /> <br /> ABSTRACT<br /> <br /> Materials of nano structure and nano TiO2 have increasingly been applied in tech-<br /> science and everyday life. Specially important applications of nano TiO2 are in area of<br /> the photocatalysis to clean and decontaminate the environment. In the area of the<br /> energy, the application to make fuel-cell and Photoelectrochemical solar cells can solve<br /> problems of the energy security for humanity in the near future. In the area of the<br /> electric components, the application has been used to store and communicate<br /> information with large capacity and small volume. Principles and essential applications<br /> of nano TiO2 material will be mentioned in this paper.<br /> Keywords: nano TiO2, photocatalysis TiO2, applying TiO2, solar cell TiO2<br /> <br /> TAØI LIEÄU THAM KHAÛO<br /> <br /> [1] American Chemical Society, “Ultrathin, Dye-sensitized Solar Cells Called Most<br /> Efficient To Date”, Science Daily, 20 September 2006.<br /> [2] Arghya Narayan Banerjee (2011), “The design, fabrication, and photocatalytic<br /> utility of nanostructured semiconductors: focus on TiO2-based nanostructures”,<br /> Nanotechnology, Science and Applications 4, pp. 35‟65.<br /> [3] Ariake Jun, Chiba Takashi, Honda Naoki (2005), “Magnetic property and<br /> microstructure of CoPt-TiO2 thin films for perpendicular magnetic recording<br /> media”, Nippon Oyo Jiki Gakkai Kenkyukai Shiryo 144, pp. 33 ‟ 39.<br /> <br /> 15<br /> Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012<br /> <br /> <br /> [4] Arshak K., Corcoran J., Korostynska O. (2005), “Gamma radiation sensing<br /> properties of TiO2, ZnO, CuO and CdO thick film pn-junctions”, Sensors and<br /> Actuators A 123‟124, pp. 194 ‟ 198.<br /> [5] Binbin Yu, Jingbin Zeng, Lifen Gong, Maosheng Zhang, Limei Zhang, Xi Chen<br /> (2007), “Investigation of the photocatalytic degradation of organochlorine pesticides<br /> on a nano-TiO2 coated film”, Talanta 72, pp. 1667‟1674.<br /> [6] Castillo N., Olguin D., and Conde-Gallardo A. (2004), “Structural and<br /> morphological properties of TiO2 thin films prepared by spray pyrolysis”, Rev. Mex.<br /> Fis. 50 (4), pp. 382 ‟ 387.<br /> [7] Chang Wen-Yang, Lin Yu-Cheng, Ke Wen-Wang, Hsieh Yu-Sheng, Kuo Nai-Hao<br /> (2005), “Combined TiO2/SnO2 material with adding Pt by sol-gel technology for<br /> humidity sensor”, Progress on Advanced Manufacture for Micro/Nano Technology<br /> 2005 505-507 (2), pp. 397 ‟ 402.<br /> [8] Conde-Gallardo A., García-Rocha M., Hernaùndez-Calderoùn I., and Palomino-<br /> Merino R. (2001), “Photoluminescence properties of the Eu3+ activator ion in the<br /> TiO2 host matrix”, Appl. Phys. Lett. 78, pp. 3436 ‟ 3438.<br /> [9] Dang Thi Thanh Le, Dang Duc Vuong, Nguyen Van Duy, Nguyen Van Hieu, and<br /> Nguyen Duc Chien (2005), “Preparation and characterization of nanostructured<br /> TiO2 and SnO2 materials for gas sensor applications”, Proceedings of the eighth<br /> German ‟ Vietnamese seminar on physics and engineering, Hanoi University of<br /> Technology, Vietnam, pp. 122 ‟ 125.<br /> [10] Deng Lu Hou, Hai Juan Meng, Li Yun Jia, Xiao Juan Ye, Hong Juan Zhou and Xiu<br /> Ling Li (2007), “Impurity concentration study on ferromagnetism in Cu-doped<br /> TiO2 thin films”, Euro Physics Letter (EPL) 78 (6), pp.7001 ‟ 7005.<br /> [11] Gao, F; Wang, Y; Zhang, J; Shi, D; Wang, M; Humphry-Baker, R; Wang, P;<br /> Zakeeruddin, Sm; Grätzel, M (2008). “A new heteroleptic ruthenium sensitizer<br /> enhances the absorptivity of mesoporous titania film for a high efficiency dye-<br /> sensitized solar cell”. Chem. Commun 23, pp. 2635‟2637. (doi:10.1039/b802909a.<br /> PMID 18535691).<br /> [12] Garzella C., Comini E., Tempesti E., Frigeri C., Sberveglieri G. (2000), “TiO2 thin<br /> films by a novel sol-gel processing for gas sensor applications”, Sensors and<br /> Actuators B 68, pp. 189 ‟ 196.<br /> [13] Giuseppe Cappelletti, Silvia Ardizzone, Claudia L. Bianchi, Stefano Gialanella,<br /> Alberto Naldoni, Carlo Pirola, Vittorio Ragaini (2009), “Photodegradation of<br /> Pollutants in Air: Enhanced Propertiesof Nano-TiO2 Prepared by Ultrasound”,<br /> Nanoscale Res Lett 4, pp. 97‟105. (DOI 10.1007/s11671-008-9208-3).<br /> <br /> 16<br />  Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012<br /> <br /> <br /> [14] Gopal K. Mor, Karthik Shankar, Maggie Paulose, Oomman K. Varghese, and<br /> Grimes Craig A. (2005), “Enhanced Photocleavage of Water Using Titanita<br /> Nanotube Arrays”, Nano letters 5 (1) , pp. 191 ‟195.<br /> [15] Green M.A. (1982), Solar Cells, Operating Principles, Technology, and System<br /> Applications, Englewood Cliffs N.J., Prentice‟Hall, Inc., 276 s., 0‟13‟822270‟3.<br /> [16] Hagfeldt A., Grätzel M. (1995), “Light-Induced Redox Reactions in Nanocrystalline<br /> Systems”, Chem. Rev. 95, pp. 49 ‟ 68.<br /> [17] Hagfeldt A., Grätzel M. (2000), “Molecular Photovoltaic”, Acc. Chem. Res. 33 (5),<br /> pp. 269 ‟ 277.<br /> [18] http://kuroppe.tagen.tohoku.ac.jp/~ecd/museum-j.htm<br /> [19] http://www.epa.gov/swerust1/pubs/tum_ch13.pdf<br /> [20] http://www.noodor.net/id62.htm<br /> [21] Jianxun Qiu, Mingyuan Gu (2005), “Magnetic nanocomposite thin films of<br /> BaFe12O19 and TiO2 prepared by sol-gel method”, Applied Surface Science 252 (4),<br /> pp. 888 ‟ 892.<br /> [22] Kamat P.V. and Dimitrijevic N.M. (1990), “Colloidal semiconductors as<br /> photocatalysts for solar energy conversion”, Solar Energy 44 (2), pp. 83 ‟ 89.<br /> [23] Kazuhito Hashimoto, Hiroshi Irie and Akira Fujishima (2005), “TiO2 photocatalytic<br /> activity: a historical overview and future prospects” (part 1), Japanese journal of<br /> applied physics 44 (12), pp. 8269 ‟ 8285.<br /> [24] Kim Jin Ho, Kim Sae Hoon, and Shiratori Seimei (2004), “Fabrication of nanoporous<br /> and hetero structure thin film via a layer-by-layer self assembly method for a gas<br /> sensor”, Sensors and Actuators B-Chemical 102 (2), pp. 241 ‟ 247.<br /> [25] Lee J., Tanaka T., Uchiyama S., Tsuchiya M., Kamiya T. (1997), “Broadband<br /> double-layer antireflection coatings for semiconductor laser amplifiers”, Japanese<br /> Journal of Applied Physics 36 (2), pp. L52 ‟ L54.<br /> [26] Linsebigler A.L, Lu G., and Yates J.T. (1995), “Photocatalysis on TiO2 surfaces:<br /> Principles, mechanism, and selected results”, Chem. Rev. 95, pp. 735 ‟ 758.<br /> [27] Marta Radecka, Katarzyna Zakrzewska, Mieczysław Rekas (1998), “SnO2-TiO2<br /> solid solutions for gas sensors”, Sensors and Actuators B, 47, pp. 194 ‟ 204.<br /> [28] Masao Katayama, Shinya Ikesaka and Jun Kuwano, Yuichi Yamamoto, Hideomi<br /> Koinuma, Yuji Matsumoto (2006), “Field-effect transistor based on atomically flat<br /> rutile TiO2”, Appl. Phys. Lett. 89 (24), pp. 2103-1 ‟ 2103-3 (3 pages).<br /> [29] Muhammad Faisal Irfan, Ahsanulhaq Qurashi, and Mir Wakas Alam (2010),<br /> “Metal oxide nanostructures and nanocomposites for selective catalytic reduction of<br /> <br /> 17<br /> Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012<br /> <br /> <br /> NOx: a review”, The Arabian Journal for Science and Engineering 35 (1C), pp. 79<br /> ‟ 92.<br /> [30] Nickolay Golego, Studenikin S.A., and Michael Cocivera (2000), “Sensor<br /> Photoresponse of Thin-Film Oxides of Zinc and Titanium to Oxygen Gas”, J.<br /> Elec.chem. Soc. 147 (4), pp. 1592 ‟ 1594.<br /> [31] Nora Savage and Mamadou S. Diallo (2005), “Nanomaterials and water<br /> purification: Opportunities and challenges”, Journal of Nanoparticle Research 7,<br /> pp. 331‟342.<br /> [32] Pichot F., Gregg B.A. (2000), “The Photovoltage-Determining Mechanism in Dye-<br /> Sensitized Solar Cells”, J. Phys. Chem. B 104, pp. 6 ‟ 10.<br /> [33] Pravin S. Shinde, Pramod S. Patil, Popat N. Bhosale, and Chandrakant H.<br /> Bhosalew (2008), “Structural, Optical, and Photoelectrochemical Properties of<br /> Sprayed TiO2 Thin Films: Effect of Precursor Concentration”, J. Am. Ceram. Soc.<br /> 91 (4), pp. 1266 ‟ 1272.<br /> [34] Rachel Cinnsealach, Gerrit Boschloo, Nagaraja Rao S. and Donald Fitzmaurice<br /> (1999), “Coloured electrochromic windows based on nanostructured TiO2 films<br /> modified by adsorbed redox chromophores”, Solar Energy Materials and Solar<br /> Cells 57 (2), pp. 107 ‟ 125.<br /> [35] Ruifen Xu, Xiaoling Liu, Peng Zhang, Hao Ma, Gang Liu and Zhengyan Xia, “The<br /> photodestruction of virus in Nano-TiO2 suspension”, Journal of Wuhan University<br /> of Technology ‟ materials science edition 22 (3), pp. 422-425, (DOI:<br /> 10.1007/s11595-006-3422-6).<br /> [36] R. Vinu AND Giridhar Madras (2010), “Environmental remediation by<br /> Photocatalysis”, Journal of the Indian Institute of Science 90 (2), pp. 189 ‟ 230.<br /> [37] Satinder K. Brar, Mausam Verma, R.D. Tyagi, R.Y. Surampalli (2010), “Engineered<br /> nanoparticles in wastewater and wastewater sludge – Evidence and impacts”,<br /> Waste Management 30, pp. 504‟520.<br /> [38] Song Hong-Qiang, Mei Liang-Mo, Zhang Yun-Peng, Yan Shi-Shen, Ma Xiu-Liang,<br /> Yong Wang, Ze Zhang, Chen Liang-Yao (2007), “Magneto-optical Kerr rotation in<br /> amorphous TiO2/Co magnetic semiconductor thin films”, Physica. B, Condensed<br /> matter 388 (1-2), pp. 130 ‟ 133.<br /> [39] Tamura Takashi, Nihei Yukari (2002), “Non-magnetic substrate including TiO2 for<br /> a magnetic head and magnetic head”, United States Patent 6426848.<br /> [40] Tienphongonline 17-10-2011.<br /> [41] Torres C.E. Rodríguez, Golmar F., Cabrera A.F., Errico L., Navarro A.M. Mudarra,<br /> Rentería M., Saùnchez F.H. and Duhalde S. (2007), “Magnetic and structural study<br /> of Cu-doped TiO2 thin films”, Applied Surface Science 254 (1), pp. 365 ‟ 367.<br /> <br /> 18<br />  Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012<br /> <br /> <br /> [42] Wisitsoraat A. and Tuantranont A., Comini E. and Sberveglieri G., Wlodarski W.<br /> (2006), “Gas-Sensing Characterization of TiO2-ZnO Based Thin Film”, IEEE<br /> SENSORS 2006, EXCO, Daegu, Korea, pp. 964 ‟ 967.<br /> [43] Yacobi B.G. (2004), Semiconductor Materials, Kluwer Academic Publishers, New<br /> York, Boston, Dordrecht, London, Moscow.<br /> [44] Yanqin Wang, Yanzhong Hao, Humin Cheng, Jiming Ma, Bin Xu, Weihua Li,<br /> Shengmin Cai (1999) “The photoelectrochemistry of transition metal-ion-doped<br /> TiO2 nanocrystalline electrodes and higher solar cell conversion efficiency based on<br /> Zn2+-doped TiO2 electrode”, J. Mater. Sci. 34, pp. 2773 ‟ 2779.<br /> [45] Y. W. H. Wong, C. W. M. Yuen, M. Y. S. Leung, S. K. A. Ku, and H. L. I. Lam,<br /> “Selected applications of nanotechnology in textiles”, AUTEX Research Journal 6<br /> (1), March 2006 © AUTEX, 8 pages.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 19<br />