ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Ninh Thị Hiền
NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU TỔ HỢP QUANG XÚC TÁC
N-C-TiO
2
/AC VÀ ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ Ô NHIỄM
LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC HÀ NỘI – 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Ninh Thị Hiền
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 2
Chƣơng 1. TỔNG QUAN 4
1.1. Giới thiệu chung về vật liệu bán dẫn TiO
2
và xúc tác quang hóa 4
1.1.1. Các dạng cấu trúc và một số tính chất vật lý, hóa học của TiO
2
7
1.1.2. Hoạt tính xúc tác quang hoá và cơ chế hoạt động của vật liệu quang xúc tác bán dẫn
TiO
2
9
1.1.3. Các phƣơng pháp điều chế vật liệu TiO
2
dạng nano 12
1.1.4. Ứng dụng của TiO
2
trong xử lý môi trƣờng nƣớc 15
1.2. Vật liệu TiO
2.6.1. Xây dựng đƣờng chuẩn xác định nồng độ Rhodamin B 29
2.6.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu 30
2.6.3. Khả năng tái sinh của vật liệu 30
Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31
3.1. Khảo sát điều kiện tổng hợp vật liệu 31
3.1.1. Nghiên cứu quá trình hoạt hóa than hoạt tính 31
3.1.2. Khảo sát tỉ lệ AC đƣa vào 32
3.1.3.Khảo sát nhiệt độ thủy nhiệt 33
3.1.4. Khảo sát thời gian thủy nhiệt 35
3.1.5. Khảo sát nồng độ dung dịch PSS dùng biến tính than 36
3.1.6. Khảo sát thời gian khuấy tạo gel 37
3.2. Các đặc trƣng, tính chất của vật liệu 38
3.2.1. Phổ UV-VIS của vật liệu N-C-TiO
2
/AC 38
3.2.2. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 38
3.2.3. Hình ảnh hiển vi điện tử quét SEM của bề mặt vật liệu 39
3.2.4. Phổ hồng ngoại IR 40
3.2.5. Phổ EDX của vật liệu N-C-TiO
2
/AC 42
3.3. Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu …………….…………………………… 43
3.3.1. Khảo sát lƣợng xúc tác dùng để xử lý Rhodamine B 43
3.3.2. Khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu N-C-TiO
2
/AC 44
3.3.3. Khả năng tái sinh của vật liệu 45
KẾT LUẬN 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO 47
PHỤ LỤC HÌNH
Hình 1.1. Chất rắn bán dẫn……………………………………………………………… 4
Hình 1.2. Hoạt động của hạt bán dẫn khi bị kích thích…………………………………… 5
Hình 1.3. Cấu trúc tinh thể các hạt thù hình TiO
2
………………………… ……………….7
Hình 1.4. Hình khối bát diện TiO
2
……………………………………………………………8
Hình 1.5. Giản đồ năng lượng của anatase và rutile……………………………………….10
Hình 1.6. Doping chất bán dẫn làm giảm năng lượng vùng cấm………………………… 16
Hình 2.1. Công thức hóa học của Rhodamin B…………………………………………… 23
Hình 2.2. Nhiễu xạ tia X theo mô hình Bragg………………………………………………24
Hình 2.3. Đường chuẩn xác định nồng độ Rhodamine B………………………………… 29
Hình 3.1. Mô hình mô phỏng quá trình tạo điện tích bề mặt – tự lắp ghép của TiO
2
/AC….32
Hình 3.2. Ảnh hưởng của lượng AC đưa vào tới hiệu suất xử lý RhB…………………………33
Hình 3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy nhiệt tới hiệu suất xử lý RhB…………………… …34
Hình 3.4. Ảnh hưởng của thời gian thủy nhiệt tới hiệu suất xử lý RhB………………………35
Hình 3.5. Ảnh hưởng của nồng độ PSS tới hiệu suất xử lý RhB……………………………… 36
Hình 3.6. Ảnh hưởng của thời gian khuấy tạo gel tới khả năng xử lý RhB…………………37
Hình 3.7. Phổ UV-VIS của một số vật liệu………………………………………………….38
Hình 3.8. Phổ XRD của vật liệu N-C-TiO2/AC…………………………………………… 39
Hình 3.9. Hình ảnh SEM của mẫu vật liệu N-C-TiO2/AC………………………………… 40
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AC: Than hoạt tính
EDX: Phƣơng pháp phổ tán sắc năng lƣợng tia X
IR: Phƣơng pháp phổ hồng ngoại
RhB: Rhodamin B
SEM: Phƣơng pháp hiển vi điện tử quét
UV-VIS: Phƣơng pháp phổ hấp thụ tử ngoại và khả kiến
XRD: Phổ nhiễu xạ tia X
) và lỗ trống (h
+
) có khả năng phân hủy chất hữu cơ hoặc chuyển hóa các kim
loại độc hại thành những chất không gây hại đến môi trƣờng.
Mặc dù có rất nhiều hợp chất quang xúc tác bán dẫn, nhƣng hiện nay, TiO
2
vẫn là một
trong các chất quang xúc tác phổ biến nhất vì giá thành rẻ, bền hóa học, không độc và dễ điều
chế. Do vậy TiO
2
là chất thích hợp ứng dụng trong xử lí môi trƣờng .Tuy nhiên, hạn chế của
xúc tác quang hóa TiO
2
là xúc tác này chỉ có hoạt tính trong điều kiện chiếu sáng vùng tử
ngoại (UV), chỉ chiếm 3 – 5% năng lƣợng ánh sáng mặt trời, nên khó có khả năng ứng dụng
rộng rãi, ít hiệu quả về mặt sử dụng năng lƣợng và làm tăng giá thành sử dụng. Vì vậy, xu
hƣớng mới trên thế giới hiện nay là biến tính TiO
2
để nâng cao khả năng ứng dụng trong vùng
ánh sáng khả kiến.
Đến nay, đã có nhiều nghiên cứu biến tính TiO
2
bởi các cation kim loại chuyển tiếp
hay bởi các phi kim. Trong số đó, TiO
2
đƣợc biến tính bởi các phi kim đã cho thấy kết quả
tốt, tăng cƣờng tính chất quang xúc tác trong vùng ánh sáng khả kiến. Chính vì vậy, chúng tôi
đã chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp quang xúc tác N-C-TiO
2
/AC và ứng
3 Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu chung về vật liệu bán dẫn TiO
2
và xúc tác quang hóa
Chất bán dẫn là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. Gọi là “bán
dẫn” nghĩa là có thể dẫn điện ở một điều kiện nào đó còn ở điều kiện khác thì nó sẽ không
dẫn điện. Khi giải thích cơ chế dẫn điện của chất bán dẫn ngƣời ta phân thành chất bán dẫn
loại n (dẫn electron) và bán dẫn loại p (dẫn lỗ trống dƣơng) [8].
Theo phƣơng pháp obitan phân tử, có thể hình dung sự tạo thành các vùng năng lƣợng
trong mạng lƣới tinh thể nhƣ sau: ở các nguyên tử riêng lẻ (khi chúng ở xa nhau nhƣ trong
pha khí), electron chiếm giữ các mức năng lƣợng hoàn toàn xác định. Khi các nguyên tử dịch
lại gần nhau nhƣ trong mạng lƣới tinh thể thì các obitan nguyên tử sẽ bị phân tách ra. Nếu tổ
hợp n nguyên tử sẽ tạo thành n mức năng lƣợng khác nhau của N obitan phân tử. N mức năng
lƣợng này sẽ tạo thành một miền năng lƣợng liên tục. trong đó:
Vùng năng lƣợng đã đƣợc lấp đầy các electron, gọi là vùng hóa trị (Valance band).
Trong vùng này, điện tử bị liên kết mạnh với nguyên tử và không linh động, chúng giữ vai trò
liên kết trong mạng lƣới tinh thể.
Vùng năng lƣợng còn để trống (cao hơn vùng hóa trị) gọi là vùng dẫn
(Conductionband). Trong vùng này, điện tử sẽ linh động (nhƣ các điện tử tự do) và điện tử ở
vùng này sẽ là điện tử dẫn, có nghĩa là chất sẽ có khả năng dẫn điện khi có điện tử tồn tại trên
vùng đẫn. Tính dẫn điện tăng khi mặt độ điện tử trên vùng dẫn tăng.
Tùy thuộc vào cấu trúc nguyên tử và mức độ đối xứng của tinh thể mà vùng hóa trị và
vùng hóa trị sẽ có các lỗ trống (h
+
) mang điện tích dƣơng đƣợc gọi là lỗ trống quang sinh.
Chính các electron và lỗ trống quang sinh này là nguyên nhân dẫn đến các quá trình hóa học
xảy ra, bao gồm quá trình khử electron quang sinh và quá trình oxi hóa các lỗ trống quang
sinh. Khả năng khử và oxi hóa của các electron và lỗ trống quang sinh là rất cao (từ +0,5 eV
đến -1,5 eV đối với các electron quang sinh; và từ +1,0 eV đến 3,5 eV đối với các lỗ trống
quang sinh). Các electron và lỗ trống quang sinh có thể di chuyển tới bề mặt của hạt xúc tác
và tác dụng với các chất trên bề mặt xúc tác [4].
Hình 1.2. Hoạt động của hạt bán dẫn khi bị kích thích bằng ánh sáng
Vùng hoá trị
Vùng cấm (Eg < 3 eV)
Vùng dẫn
Vùng dẫn
E
h
A
2
O
3
(2,2 eV), CdS(2,5 eV), WO
3
(2,8 eV), ZnS (3,6 eV),
V
2
O
5
(2,8 eV) ….[10]
Trong các chất bán dẫn trên cũng nhƣ trong các xúc tác quang, TiO
2
đƣợc nghiên cứu
và sử dụng nhiều nhất vì nó có năng lƣợng vùng cấm trung bình, không độc, diện tích bề mặt
riêng cao, giá thành rẻ, có khả năng tái chế, hoạt tính quang học cao, bền về mặt hóa học và lỗ
trống sinh ra trong TiO
2
có tính oxi hóa cao. Hiện nay vật liệu TiO
2
là một chất xúc tác quang
đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Quá trình quang xúc tác của vật liệu TiO
2
là một trong
những quá trình ôxi hoá nâng cao nhờ tác nhân ánh sáng và đƣợc xem là một quá trình có tầm
quan trọng trong việc xử lí nƣớc và nƣớc thải.
Thế oxi hóa của lỗ trống sinh ra trên bề mặt TiO
2
là +2,53 eV so với thế điện cực
chuẩn của điện cực hidro, trong dung dịch nƣớc có pH = 7. Lỗ trống này dễ dàng tác dụng với
+
→
OH
Thế oxi hóa khử của electron trên vùng dẫn sinh ra bởi TiO
2
là -0,52V, đủ âm để có
thể khử phân tử oxi thành anion superoxit
O
2
+ e
-
→
O
2
-
6
•
O
2
-
+ H
+
→ HO
2
2
đƣợc sử dụng làm chất diệt
khuẩn, nấm, khử mùi, xử lý nƣớc thải ô nhiễm, làm sạch không khí [10].
1.1.1. Các dạng cấu trúc và một số tính chất vật lý, hóa học của TiO
2
Các dạng cấu trúc
TiO
2
tồn tại chủ yếu dƣới ba dạng thù hình là dạng anatase, rutile và brookite. Trong
đó, dạng rutile, anatase có cấu trúc tetragonal, còn brookite có dạng ortho. Ba cấu trúc này
khác nhau bởi sự biến dạng và bởi kiểu liên kết.
Rutile là dạng bền phổ biến nhất của TiO
2
, có mạng lƣới tứ phƣơng trong đó mỗi ion
Ti
4+
đƣợc ion O
2-
bao quanh kiểu bát diện, đây là cấu trúc điển hình của hợp chất có công
thức MX
2
. Anatase và brookite là các dạng giả bền và chuyển thành rutile khi nung nóng.
Dạng anatase
Dạng rutile
Dạng brookite
Cấu trúc tinh thể
Tứ diện
Tứ diện
Thông số mạng
A (Å)
4.58
3.78
C (Å)
2.95
9.49
Khối lƣợng riêng (g/cm
3
)
4.25
3.895
Chiết suất
2.75
2.54
Độ rộng vùng cấm (eV)
3.05
3.25
Nhiệt độ nóng chảy
1830 - 1850
O
C
Ở nhiệt độ cao chuyển
thành rutile
8
đặc nóng, HF phân hủy
Titan dioxit bị hiđrô, cacbon monoxit, titan kim loại khử ở nhiệt độ cao.
1.1.2. Hoạt tính xúc tác quang hoá và cơ chế hoạt động của vật liệu quang xúc tác bán
dẫn TiO
2
TiO
2
ở dạng anatase có hoạt tính quang hóa cao hơn hẳn các dạng tinh thể khác.
Anatase có năng lƣợng vùng cấm là 3,2 eV, tƣơng đƣơng với năng lƣợng của một lƣợng tử
ánh sáng có bƣớc sóng 388 nm. Rutile có năng lƣợng vùng cấm là 3,0 eV tƣơng đƣơng với
năng lƣợng của một lƣợng tử ánh sáng có bƣớc sóng 413 nm. Giản đồ năng lƣợng của
Anatase và Rutile đƣợc chỉ ra nhƣ hình vẽ. 9
Hình 1.5. Giản đồ năng lượng của anatase và rutile
Vùng hóa trị của Anatase và Rutile nhƣ chỉ ra trên giản đồ là xấp xỉ bằng nhau và cũng
rất dƣơng, điều này có nghĩa là chúng có khả năng oxy hóa mạnh. Khi đƣợc kích thích bởi
ánh sáng có bƣớc sóng thích hợp, các electron hóa trị sẽ tách ra khỏi liên kết, chuyển lên vùng
dẫn, tạo ra một lỗ trống mang điện tích dƣơng ở vùng hóa trị. Các electron khác có thể nhảy
vào vị trí này để bão hòa điện tích tại đó, đồng thời tạo ra một lỗ trống mới ngay tại vị trí mà
nó vừa đi khỏi. Nhƣ vậy lỗ trống mang điện tích dƣơng có thể tự do chuyển động trong vùng
hóa trị.
đƣợc khơi mào bằng sự hấp thụ
một photon với năng lƣợng bằng hoặc lớn hơn năng lƣợng vùng cấm E của chất bán dẫn (với
TiO
2
là 3,2eV) tạo ra cặp electron – lỗ trống .
(e
-
/h
+
)TiO
2
→ e
-
(TiO
2
) + h
+
(TiO
2
)
Tiếp sau sự bức xạ, hạt TiO
2
có thể hoạt động vừa nhƣ một trung tâm cho, vừa nhƣ
một trung tâm nhận electron cho các phần tử xung quanh. Sự oxi hóa nƣớc hay OH
-
bị hấp
phụ trên bề mặt các hạt TiO
2
sẽ sinh ra gốc tự do hoạt động OH
•
bị hấp
phụ, tạo ra ion
•
O
2
-
TiO
2
(e
-
) + O
2
→ TiO
2
+
•
O
2
-
Gốc
•
O
2
-
này có thể phản ứng với ion H
+
(tạo thành do sự phân ly H
2
•
O
2
-
+ 2H
2
O → H
2
O
2
+ 2OH
-
+ O
2
TiO
2
(e
-
) + HO
2
•
+ H
+
→ H
2
O
2
+ TiO
2
2
O
2
+ TiO
2
(e
-
) → OH
•
+ OH
-
+ TiO
2
Ion OH
-
sinh ra lại có thể tác dụng với lỗ trống quang sinh (h
+
) để tạo thêm gốc OH
•
.
Cần chú ý rằng, các electron quang sinh (e
-
) và các lỗ trống quang sinh (h
+
) có xu
hƣớng kết hợp lại với nhau, kèm theo sự giải phóng năng lƣợng dƣới dạng nhiệt hoặc ánh
sáng:
11
2
-
và OH
•
là hai dạng có hoạt tính oxi hóa cao, có khả năng phân
hủy chất hữu cơ thành H
2
O và CO
2.
1.1.3. Các phƣơng pháp điều chế vật liệu TiO
2
dạng nano
a. Phương pháp sol - gel
Sol - gel là phƣơng pháp đã đƣợc áp dụng nhiều nhất do có ƣu điểm là dễ điều khiển
kích thƣớc hạt, sản phẩm thu đƣợc có độ đồng nhất và độ tinh khiết cao, bề mặt riêng lớn, phân
bố kích thƣớc hạt hẹp. Tuy nhiên, để tổng hợp đƣợc nano TiO
2
thì nguồn nguyên liệu thƣờng
đƣợc dùng là các alkoxide titanium, giá thành rất cao.
Phƣơng pháp sol – gel hiện nay là phƣơng pháp hữu hiệu nhất để điều chế tạo nhiều
loại vật liệu kích thƣớc nanomet dạng bột hoặc màng mỏng với cấu trúc thành phần mong
muốn. Trong đó sol là một hệ keo chứa các cấu tử có kích thƣớc từ 1–100 nm tồn tại trong
dung dịch, rất đồng thể về mặt hóa học. Gel là một hệ rắn, “bán cứng” chứa dung môi trong
mạng lƣới. Sau khi gel hóa, tức là ngƣng tụ sol đến khi độ nhớt của hệ tăng lên một cách đột
ngột.
Sol đƣợc tạo thành bằng phƣơng pháp phân tán các tiểu phân rắn trong dung môi hoặc
đi từ phản ứng hóa học giữa chất đầu và dung môi mang bản chất phản ứng thủy phân.
-MOR + H
2
O → - MOH + ROH
9
-) phản ứng rất mạnh với nƣớc.
Ti(OR)
4
+ 4H
2
O → Ti(OH)
4
+ 4ROH
Thực tế phản ứng này xảy ra phức tạp hơn nhiều. Nó bao gồm hai quá trình chính là
thủy phân và ngƣng tụ:
♦ Quá trình thủy phân xảy ra theo cơ chế ái nhân SN:
- Giai đoạn 1: Cộng ái nhân (AN), các tác nhân ái nhân (nucleophile) tấn công vào
nhân Ti
4+
của ankoxit
- Giai đoạn 2: Hình thành trạng thái chuyển tiếp
- Giai đoạn 3: Vận chuyển proton từ phân tử H
2
O sang nhóm OR
- Giai đoạn 4: Giai đoạn loại rƣợu ROH.
♦ Quá trình ngƣng tụ:
Quá trình này rất phức tạp, xảy ra ngay khi sinh ra nhóm hydroxo. Tùy thuộc vào điều
kiện thực nghiệm có thể xảy ra 3 cơ chế cạnh tranh nhau (alkoxolation, oxolation và olation).
+ Alkolation: Phản ứng tạo thành cầu nối oxo bằng cách loại phân tử rƣợu. Về cơ bản,
quá trình này giống quá trình thủy phân.
+ Oxolation: Cơ chế này giống cơ chế alkolation nhƣng khác ở chỗ là R thay thế bằng
H.
+ Olation: Cơ chế này xảy ra khi trong ankoxit, sự bão hòa phối trí chƣa đƣợc thỏa
mãn. Cơ chế này hình thành những cầu nối hydroxo do loại phân tử dung môi. Dung môi có
b. Phƣơng pháp thủy nhiệt
Phƣơng pháp thuỷ nhiệt đi từ nguồn nguyên liệu titan oxit anatase TiO
2
.nH
2
O là
phƣơng pháp hiệu quả và kinh tế nhất đang đƣợc áp dụng hiện nay. Phƣơng pháp thủy nhiệt
tức là phƣơng pháp dùng nƣớc dƣới áp suất cao và nhiệt độ cao hơn điểm sôi bình thƣờng.
Lúc đó, nƣớc thực hiện hai chức năng: thứ nhất vì nó ở trạng thái hơi nên đóng chức năng
môi trƣờng truyền áp suất, thứ hai nó đóng vai trò nhƣ một dung môi có thể hoà tan một phần
chất phản ứng dƣới áp suất cao, do đó phản ứng đƣợc thực hiện trong pha lỏng hoặc có sự
tham gia một phần của pha lỏng hoặc pha hơi. Thông thƣờng, áp suất pha khí ở điểm tới hạn
14
chƣa đủ để thực hiện quá trình này. Vì vậy, ngƣời ta thƣờng chọn áp suất cao hơn áp suất hơi
cân bằng của nƣớc để tăng hiệu quả của quá trình điều chế. Nhiệt độ, áp suất hơi nƣớc và thời
gian phản ứng là các nhân tố vô cùng quan trọng quyết định hiệu quả của phƣơng pháp thủy
nhiệt, ngoài ra cũng có thể sử dụng các dung môi phân cực nhƣ NH
3
, dung dịch nƣớc chứa HF,
các axit, bazơ khác để điều chỉnh pH hoặc các dung môi không phân cực để mở rộng khả năng
ứng dụng của phƣơng pháp tổng hợp này. Tuy nhiên, cách làm này có một nhƣợc điểm là dễ làm
cho nồi phản ứng bị nhiễm độc và ăn mòn. Thông thƣờng đối với mỗi loại tiền chất, ngƣời ta
thƣờng đặt sẵn các thông số vật lý và hóa học khác nhau trong suốt quá trình điều chế. Điều này
tƣơng đối phức tạp do các thông số này bị ảnh hƣởng lẫn nhau và sự ảnh hƣởng qua lại này vẫn
chƣa đƣợc giải quyết một cách thoả đáng [6, 7].
Thủy nhiệt là một trong những phƣơng pháp tốt để điều chế bột TiO
2
tinh khiết với
kích thƣớc nhỏ [Xiangxin]. Phƣơng pháp này có ƣu điểm so với các phƣơng pháp khác ở chỗ:
là một hƣớng nghiên cứu rất triển vọng. Nhiều sản phẩm nano TiO
2
đã đƣợc thƣơng mại hoá
nhƣ: Vật liệu nano TiO
2
(Mỹ, Nhật Bản,…), máy làm sạch không khí khỏi nấm mốc, vi
khuẩn, virus và khử mùi trong bệnh viện, văn phòng, nhà ở (Mỹ); khẩu trang nano phòng
chống lây nhiễm qua đƣờng hô hấp (Nhật Bản); vải tự làm sạch, giấy khử mùi diệt vi khuẩn
(Đức, Úc), gạch lát đƣờng phân huỷ khí thải xe hơi (Hà Lan); pin mặt trời (Thụy Sỹ, Mỹ,…).
Ở Việt Nam, vật liệu nano TiO
2
đã đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm với những thành công
đáng khích lệ: Nhiều công trình về vật liệu nano TiO
2
đã đƣợc công bố trong và ngoài nƣớc. Tuy
nhiên, các kết quả này thiên về nghiên cứu cơ bản. Việc đƣa vào ứng dụng thực tiễn còn bị hạn
chế do cần phải vƣợt qua rào cản về hiệu quả kinh tế, khoa học và công nghệ.
b. Ƣu, nhƣợc điểm của việc ứng dụng vật liệu TiO
2
dạng nano trong xử lý nƣớc
- Ƣu điểm: là vật liệu sạch, có thể ứng dụng để xử lý nhiều loại nƣớc ô nhiễm, các
phẩm màu hữu cơ, thuốc trừ sâu,
- Nhƣợc điểm: trên thế giới thì TiO
2
là vật liệu có giá thành rẻ, nhƣng ở Việt Nam thì
nguồn tiền chất để tổng hợp TiO
2
lại có giá thành cao. Sau khi xử lý thì rất khó thu hồi lại xúc
lƣợng vùng cấm và làm tăng khả năng hấp phụ bƣớc sóng dài ở vùng ánh sáng khả kiến (bƣớc
sóng 400-600 nm). Đây là phƣơng pháp hiện đang thu hút đƣợc quan tâm nghiên cứu của
nhiều nhà khoa học.
16 Hình 1.6. Doping chất bán dẫn làm giảm năng lượng vùng cấm
Có hiện tƣợng chuyển dịch mạnh của dải hấp thụ ánh sáng của TiO
2
biến tính bởi N.
Vùng cấm hẹp lại do có sự pha trộn các trạng thái p của nguyên tử N pha tạp với trạng thái 2p
của nguyên tử O trong vùng hóa trị của TiO
2.
Khi thực hiện doping các kim loại chuyển tiếp, một phần Ti
4+
trong khung mạng đƣợc
thay thế bởi cation kim loại chuyển tiếp và khi doping với các phi kim, một phần O
2-
đƣợc thế
bởi các anion phi kim. Đặc biệt khi doping với các phi kim ngoài việc O
2-
đƣợc thay thế bởi
các anion phi kim, còn có thể tạo ra các tâm khuyết tật có khả năng xúc tác quang hóa cao.
Khi doping TiO
2
với kim loại chuyển tiếp (V, Cr, Fe ) và doping TiO
2
với á kim (N) ta
có thể nhận thấy sự dịch chuyển bƣớc sóng từ vùng ánh sáng tử ngoại (bƣớc sóng ~ 380 nm)
2
bởi các phi kim nhƣ N, F, S, Cl, P,…bằng phƣơng pháp biến tính đƣa
vào gel sau tổng hợp: trộn cơ học nano TiO
2
đã tổng hợp với các hợp chất chứa N, F, Cl, P và
xử lý ở nhiệt độ cao khoảng 500
o
C.
Copyright: Tài liệu đại học ©