ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------------------

NGUYỄN THỊ THU HÀ

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ PHẨM MÀU HỮU CƠ BẰNG XÚC TÁC QUANG
ĐIỆN HOÁ TRÊN CƠ SỞ TiO2 DƯỚI ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

HÀ NỘI - 2015


 

1
 


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
--------------

NGUYỄN THỊ THU HÀ

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ PHẨM MÀU HỮU CƠ BẰNG XÚC TÁC QUANG
ĐIỆN HOÁ TRÊN CƠ SỞ TiO2 DƯỚI ÁNH SÁNG KHẢ KIẾN

CHUYÊN NGÀNH HOÁ HỌC MÔI TRƯỜNG
MÃ SỐ : 60440120

chế tạo vật liệu cho luận văn này.
Xin cảm ơn các anh chị em làm việc và học tập trong Bộ môn Hoá lý, Phòng
Thí nghiệm Hoá môi trường, Bộ môn Hoá vô cơ, Khoa hoá học – Trường Đại học
Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN, các bạn học cùng lớp CH Hoá K23 đã giúp đỡ,
ủng hộ động viên, chia sẻ kinh nghiệm cùng tôi trong thời gian làm Luận văn và
trong toàn thời gian học tập.
Tôi xin cảm ơn nhà trường nơi tôi đang công tác, cảm ơn các anh chị đồng
nghiệp đã tạo điều kiện trong công việc để tôi có thể thực hiện và hoàn thành khoá
học nâng cao trình độ này.
Xin cảm ơn gia đình, bạn bè người thân là chỗ dựa tinh thần lớn lao để tôi có
thể hoàn thành khoá học.
Hà Nội, tháng 10 năm 2015.
Học viên
NGUYỄN THỊ THU HÀ


 

 


 

3
 


MỤC LỤC
Kí hiệu và chữ viết tắt .............................................................................................. 6
Danh mục bảng......................................................................................................... 7

4
 


2.4.2. Phép đo nhiễu xạ tia X –XRD ................................................................. 47
2.4.3. Phổ UV –Vis ........................................................................................... 48
2.5. Các phương pháp điện hoá nghiên cứu tính chất vật liệu ....................... 48
2.5.1. Phương pháp quét thế tuần hoàn ............................................................ 48
2.5.2. Phương pháp áp thế một chiều ............................................................... 50
2.6. Phương pháp đánh giá hoạt tính xúc tác của vật liệu .............................. 53
Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................................ 54
3.1. Nghiên cứu các đặc trưng của màng N - TiO2 .......................................... 54
3.1.1. Ảnh hiển vi điện tử quét – SEM ............................................................... 54
3.1.2. Phổ tán xạ năng lượng tia X –EDS ......................................................... 55
3.1.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X- XRD .................................................................. 56
3.1.4. Phổ hấp thụ quang UV-Vis ..................................................................... 57
3.2. Ảnh hưởng của điện thế và pH đến khả năng dẫn điện của vật liệu
(Phương pháp quét thế tuần hoàn) ................................................................... 57
3.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý RhB bằng vật liệu
xúc tác quang điện hoá N – TiO2
(Phương pháp áp thế điện một chiều) .............................................................. 60
3.3.1. Khảo sát hiệu quả xử lý RhB của xúc tác quang điện hoá N –TiO2 theo
thời gian ............................................................................................................ 61
3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của điện thế mạch ngoài đến hiệu suất quang phân
huỷ RhB của hệ xúc tác quang điện hoá với điện cực N-TiO2.......................... 62
3.3.3. Khảo sát hiệu quả xử lý RhB của xúc tác quang điện hoá N -TiO2 theo
pH dung dịch..................................................................................................... 65
3.4. Tái sử dụng dung dịch sol và tái sử dụng xúc tác ..................................... 70
KẾT LUẬN ............................................................................................................. 72
Tài liệu tham khảo ................................................................................................. 73

Phổ nhiễu xạ tia X

RhB

Rhodamine B


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

Bảng 2.1 Nồng độ dãy chuẩn của RhB

45

Bảng 3.1 Hiệu suất phân huỷ RhB theo thời gian

61

Bảng 3.2 Hiệu suất quang phân huỷ RhB theo thời gian của các hệ xúc

63

tác quang điện hoá với các điện thế mạch ngoài khác nhau
Bảng 3.3 So sánh cường độ dòng trong hệ điện hoá và hiệu suất xử lý

64

RhB của vật liệu N–TiO2, với giá trị thế cố định là 1,5V và 2V
Bảng 3.4 Hiệu suất xử lý Rhodamine B của xúc tác quang điện hoá
ở các pH khác nhau.


 

 

 


Tên hình

Trang

Hình 1.1

Khối bát diện cơ sở của tinh thể TiO2

14

Hình 1.2

Cấu trúc mạng các dạng thù hình của tinh thể TiO2

14

Hình 1.3

Sơ đồ vùng năng lượng của vật rắn

16

Hình 1.4

Sơ đồ vùng năng lượng của kim loại, bán dẫn và chất cách điện

17

Hình 1.5


Hình 1.10 Minh hoạ phản ứng ngưng tụ trong quá trình sol – gel

31

Hình 1.11 Sơ đồ quy trình tổng hợp vật liệu oxit bằng phương pháp sol -

32

gel
Hình 1.12 Sự phát triển cấu trúc màng trong quá trình sol-gel

33

Hình 1.13 Minh hoạ phương pháp phủ quay

34

Hình 1.14 Minh hoạ phương pháp phủ nhúng

35

Hình 2.1

Hệ thống thiết bị dụng cụ dùng chế tạo dung dịch sol

41

Hình 2.2

Mẫu dung dịch sol TiO2


49

Hình 2.8

Sơ đồ phác hoạ hệ thống phản ứng xúc tác quang điện hoá 3

50

điện cực


 

8
 


Hình 2.9

Sơ đồ phác hoạ hệ thống thí nghiệm khảo sát tính chất xúc tác

51

quang điện hoá của vật liệu bán dẫn
Hình 2.10 Hệ thống thí nghiệm khảo sát tính chất xúc tác quang của vật

53

liệu bán dẫn (U = 0)

Hình 3.6

Các đường cong phân cực dòng – thế (I – E) theo các điều kiện

58

khảo sát khác nhau
Hình 3.7

Các đường cong phân cực dòng – thế (I - E) với điện cực làm

59

việc là N-TiO2/Ti hoặc Ti
Hình 3.8

Đồ thị mô tả hiệu quả xúc tác quang điện hoá của vật liệu theo

62

thời gian
Hình 3.9

Đồ thị ảnh hưởng của điện thế mạch ngoài đến hiệu suất quang

63

phân huỷ RhB
Hình 3.10 Đồ thị so sánh hiệu suất xúc tác quang điện hoá của vật liệu


chóng và các dòng nước bị nhiễm bẩn ngày càng mở rộng với mức độ ô nhiễm mỗi
lúc lại càng trở nên nặng nề phức tạp.
Công nghệ xử lý nước phát triển, đã có nhiều phương pháp lý học, hoá học
hoặc sinh học ra đời và được áp dụng rộng rãi. Các phương pháp có thể được kết
hợp trong nhiều công đoạn để xử lý chuyên biệt hiệu quả cho các đối tượng, thành
phần ô nhiễm khác nhau.
Hiện nay, thách thức lớn nhất đặt ra đối với việc xử lý nước ở khắp nơi trên
trái đất là các thành phần hữu cơ gây ô nhiễm có độc tính cao, khó bị phân huỷ,
phát tán từ các nguồn thải nông nghiệp (thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu,…); dòng thải
từ cống rãnh (hoocmon oestrogen, mầm bệnh…); từ các chất thải công nghiệp (các
hợp chất phenolic,…); …
Tính đến thời điểm hiện tại, các quá trình oxi hoá tăng cường (thuộc các
phương pháp oxi hoá hoá học) đang được coi là phương pháp mạnh mẽ nhất đáng
tin cậy nhất có thể xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ độc hại nêu ở trên.
Cùng tham gia trong xu hướng nghiên cứu xử lý môi trường chung hiện nay,
ở đây chúng tôi lựa chọn nghiên cứu xử lý nước có hàm lượng chất hữu cơ ô nhiễm
định hướng theo phương pháp oxi hoá tăng cường, chế tạo và sử dụng vật liệu xử lý
là vật liệu dạng màng được thành lập trên cơ sở bán dẫn TiO2 (vật liệu màng TiO2


 

10
 


đã biến tính). Khi được chiếu ánh sáng nhìn thấy, vật liệu này sẽ thực hiện vai trò
quang xúc tác cho quá trình oxi hoá tăng cường. Ngoài ra một điện thế sẽ được áp
đặt lên vật liệu xử lý đồng thời với sự chiếu sáng nhằm hỗ trợ khả năng quang xúc
tác và do đó có thể nâng cao hiệu quả xử lý nước. Việc sử dụng vật liệu bán dẫn

11
 


Chương 1 - TỔNG QUAN
1.1. Một số phương pháp xử lý nước thông dụng hiện nay và sơ lược về quá
trình oxi hoá tăng cường [27]
Trong công nghệ xử lý nước mỗi phương pháp đã từng được sử dụng đều có
đem lại hiệu quả nhất định song vẫn tồn tại những nhược điểm riêng, một số
phương pháp thường được sử dụng để xử lý phẩm màu hữu cơ hiện nay là:
+ Các phương pháp thông thường như siêu lọc và hấp phụ - sử dụng các chất
hấp phụ (ví dụ: cacbon hoạt tính) có thể tách trực tiếp, loại bỏ các hợp chất hữu cơ ô
nhiễm trong nước, có khả năng làm sạch ở mức độ cao, đáp ứng nhiều cấp độ chất
lượng, quy trình xử lý đơn giản, công nghệ xử lý không đòi hỏi thiết bị phức tạp,
vật liệu hấp phụ có độ bền cao, có khả năng tái sử dụng nhiều lần nên phương pháp
đòi hỏi chi phí thấp. Tuy nhiên bản chất của phương pháp này chỉ là hoạt động
chuyển các chất ô nhiễm từ pha này sang pha khác, trong nhiều trường hợp thậm
chí là đã chuyển từ dạng ô nhiễm này sang dạng ô nhiễm khác, mà không phải là
phá huỷ xử lý triệt để được các hợp chất đó.
+ Oxi hoá hoá học truyền thống sử dụng một số chất oxi hoá mạnh thường
gặp, ví dụ clo (Cl2, HClO), hidroperoxit (H2O2) và ozon (O3), để xử lý ô nhiễm, khử
màu rất tốt cho nước thải chứa thuốc nhuộm, tuy nhiên phương pháp xử lý này hiếm
khi đạt được sự khoáng hoá hoàn toàn của các chất ô nhiễm trong nước.
+ Oxi hoá sinh học sử dụng vi sinh vật để biến đổi và phân huỷ các chất hữu
cơ trong chất thải, ứng dụng trong xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ có khả năng phân
huỷ sinh học. Phương pháp được xem là rất kinh tế và có thể ứng dụng rộng rãi để
xử lý khá hiệu quả phần lớn các chất có trong nước thải dệt nhuộm. Tuy nhiên
phương pháp này cần thời gian xử lý lâu, các khâu xử lý và điều tiết quá trình liên
quan đến chế độ hoạt động của vi sinh khá phức tạp, để áp dụng được phương pháp
cần tìm được và sử dụng đúng loài vi sinh đặc hiệu có hoạt động sống phù hợp, có

Cặp OXH/K
•OH/H2O

2,81

O3/O2

2,07

S2O82-/SO42-

2,05

H2O2/H2O

1,77

MnO4-/Mn2+

1,51

HClO/Cl-

1,49

Cl2/Cl-

1,36

Gốc •OH không có sẵn như các tác nhân oxi hoá khác mà được sinh ra tức

Trong các nguồn phát sinh •OH, nguồn dựa trên cơ sở chất bán dẫn TiO2 làm việc dưới điều kiện chiếu sáng phù hợp - đã được nghiên cứu rộng rãi ở nhiều
nơi cho mục đích xử lý ô nhiễm nước bằng phương pháp oxi hoá tăng cường. Điều
đó là dựa trên sự ưu việt vượt trội ở các tính chất vật lý hoá học, tính chất xúc tác
quang, khả năng dễ dàng thích nghi, độ bền cao của vật liệu TiO2…
Sử dụng nguồn cung •OH dựa trên vật liệu TiO2, bản thân vật liệu không
phải một thành phần tham gia vào phản ứng oxi hoá tăng cường, nó không bị thay


 

14
 


đổi bản chất và lượng chất trước và sau phản ứng. Vật liệu hoạt động như một chất
xúc tác dị thể có hoạt tính quang hoá. Khi đưa vật liệu vào môi trường nước ô
nhiễm, các phân tử nước & các phân tử chất hữu cơ, oxi… bị hấp phụ lên trên bề
mặt vật liệu. Khi được chiếu ánh sáng phù hợp, bán dẫn sẽ sản sinh ra các hạt mang
điện linh động. Các hạt đó khuếch tán ra đến bề mặt vật liệu: một số hạt phân huỷ
trực tiếp hợp chất hữu cơ, số chủ yếu tương tác với các phân tử H2O, O2, … làm sản
sinh ra •OH & các gốc tự do hoạt động khác (•O2-, …); các gốc được sinh ra sẽ là
tác nhân khơi mào cho hàng loạt chuỗi phản ứng phân huỷ hữu cơ diễn ra (trong đó
phản ứng của gốc •OH đóng vai trò chủ đạo - chính là sự oxi hoá tăng cường).
Ngoài ra, một bộ phận thiểu số hạt mang điện linh động do không gặp được các
phân tử hấp phụ ở bề mặt vật liệu nên nhanh chóng bị tái kết hợp, giải phóng ra
năng lượng dưới dạng nhiệt. Như vậy, cơ chế làm việc của các vật liệu trên cơ sở
TiO2 phụ thuộc vào sự chiếu sáng và nguồn chiếu sáng. Xét trong một mô hình xử
lý nước, sự có mặt của hệ thống xử lý trên cơ sở vật liệu bán dẫn TiO2, với sự chiếu
sáng phù hợp, là nhân tố quyết định sự sinh ra gốc •OH - nguyên liệu đầu vào cho
quá trình oxi hoá tăng cường. Hệ thống xử lý trong mô hình là nhân tố đem lại sự

xúc tác dị thể. Về bản chất, vật liệu TiO2 là xúc tác bán dẫn.
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu vật liệu TiO2 mới chỉ được quan tâm khoảng
mười năm trở lại đây và chủ yếu điều chế bột TiO2 ở dạng tinh khiết. Dạng TiO2
biến tính và chế tạo ở dạng màng mới chỉ bắt đầu được nghiên cứu.
1.2.2. TiO2 trong tự nhiên [7, 10]
Titan đioxit (TiO2), còn gọi là titan (IV) oxit hoặc titania, là oxit có nguồn
gốc tự nhiên của titan (Ti). Trong tự nhiên, titan đioxit không xuất hiện ở dạng
nguyên chất, nó tồn tại chủ yếu trong hợp kim (với Fe), trong khoáng chất và trong
các quặng đồng.
1.2.3. Tính chất vật lý của TiO2 nguyên chất [7, 14]
Titan đioxit (TiO2) là chất rắn màu trắng, khi đun nóng có màu vàng, khi làm
lạnh thì trở lại màu trắng.
Tinh thể có độ cứng cao, bền nhiệt, khó nóng chảy (Tonc = 1870oC)
1.2.4. Tính chất hoá học của TiO2 [6, 13]
ü TiO2 bền về mặt hoá học (nhất là dạng đã nung), không phản ứng với: nước,
dung dịch axít vô vơ loãng (trừ HF), các axit hữu cơ, kiềm, amoniac.
ü TiO2 tác dụng chậm với axit (H2SO4, HCl)/kiềm đặc nóng, với kali bisunfat,
borac hoặc photphat nóng chảy
ü Ở nhiệt độ cao TiO2 có thể phản ứng với cacbonat và oxit kim loại để tạo
thành các muối titanat


 

16
 


ü TiO2 dễ bị hidro, cacbon monoxit và titan kim loại khử về oxit thấp hơn.
1.2.5. Cấu trúc của TiO2 [1, 7, 11]

biến nhiều, mức độ đối xứng của hệ rất thấp [3, 5]. Các bát diện tiếp xúc cạnh với
nhau và trục thẳng đứng của tinh thể (như trong hình minh hoạ) kéo dài.
+ Rutile (Hình 1.2b): Các bát diện trong rutile cũng không đồng đều là tương
ứng với hệ trực thoi có sự biến dạng yếu. Các bát diện tiếp xúc với nhau ở đỉnh, hai
khối bát diện đứng cạnh nhau chia sẻ 2 cạnh chung và tạo thành chuỗi.
* Khoảng cách Ti-Ti trong anatase lớn hơn, trong khi khoảng cách Ti-O lại nhỏ
hơn so với trong rutile.
+ Brookite (Hình 1.2c): có cấu trúc phức tạp, kiểu hệ trực thoi đối xứng. Độ
dài của liên kết Ti-O và góc liên kết O-Ti-O đều khác biệt nhiều so với ở anatase và
rutile.
* Sự khác nhau trong cấu trúc mạng lưới với độ xếp chặt khác nhau dẫn đến sự
khác nhau về mật độ điện tử, cũng kéo theo sự khác nhau về các tính chất vật lý &
hoá học: khối lượng riêng, năng lượng vùng cấm,… (Bảng 1.2). Trong khi anatase
và rutile được quan tâm nghiên cứu rất nhiều thì số tài liệu nghiên cứu về pha
brookite lại rất hiếm, nguyên nhân là do dạng thù hình này hầu như không có khả
năng xúc tác quang [1]. Dạng anatase có hoạt tính quang hóa cao nhất trong các
dạng thù hình tồn tại của TiO2.
Bảng 1.2 Một vài thông số vật lý của các dạng thù hình của tinh thể TiO2
Dạng thù hình

Anatase

Rutile

Brookite

Khổi lượng riêng (g/cm3)

3,895


mô hình khái quát cấu trúc vùng năng lượng của vật rắn (Hình 1.3).

Hình 1.3 Sơ đồ vùng năng lượng của vật rắn
Như đã biết, điện tử tồn tại trong nguyên tử trên những mức năng lượng gián
đoạn (các trạng thái dừng). Nhưng trong chất rắn, khi mà các nguyên tử kết hợp lại
với nhau thành các khối, thì các mức năng lượng này phủ lên nhau và trở thành các
vùng năng lượng, có 3 vùng chính: Vùng hoá trị, vùng dẫn và vùng cấm.
- Vùng hoá trị: Là vùng có năng lượng thấp nhất theo thang năng lượng, là vùng mà
điện tử liên kết mạnh với hạt nhân và kém linh động.
- Vùng dẫn: Vùng có mức năng lượng cao nhất, là vùng mà điện tử sẽ linh động
(như 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 dẫn. Tính dẫn điện tăng khi
mật độ điện tử trên vùng dẫn tăng
- Vùng cấm: Là vùng nằm giữa vùng hoá trị và vùng dẫn, không có mức năng
lượng nào do đó điện tử không thể tồn tại trên vùng cấm. Khoảng cách giữa đáy


 

19
 


vùng dẫn và đỉnh vùng hoá trị gọi là độ rộng vùng cấm, hay năng lượng vùng cấm.
Độ rộng vùng cấm lớn hay nhỏ cũng góp phần quyết định khả năng của chất là có

Năng lượng tăng

thể dẫn điện hay không dẫn điện
Vùng

hoá trị (EVB) và vùng dẫn (ECB). Dựa vào giá trị Eg để phân biệt các vật liệu: kim
loại Eg < 0,1eV, bán dẫn 0,1eV < Eg < 5eV, cách điện Eg > 5eV
Xét bản chất hoá học của vật liệu rắn - tương ứng với khả năng dẫn diện:
Kim loại nguyên chất khả năng dẫn điện tốt nhất, là chất dẫn điện điển hỉnh. Chất
bán dẫn truyền thống thường dựa trên cơ sở là các nguyên tố nhóm IV, điển hìnnh
là bán dẫn Si. Ngày nay, người ta biết thêm một điều thú vị rằng các kim loại khi bị
oxi hoá thì khả năng dẫn điện biến đổi, khá nhiều oxit kim loại mang bản chất bán
dẫn [14].
* Cơ chế kích hoạt chất bán dẫn:
- Sự kích hoạt vật liệu bán dẫn: Khi kích thích chất bán dẫn bằng một nguồn
kích thích với năng lượng phù hợp (E ≥ Eg), electron (e-) trong vật liệu nhận được
năng lượng sẽ thực hiện bước nhảy năng lượng rời bỏ vùng hoá trị (VB) chuyển
sang vùng dẫn (CB) và để lại lỗ trống (h+) ở vùng hoá trị. Các cặp electron ở vùng


 

20
 


dẫn (e-CB) & lỗ trống ở vùng hoá trị (h+VB) này là các hạt mang điện linh động và
gây ra tính dẫn điện của vật liệu bán dẫn.
- Các cơ chế kích hoạt vật liệu bán dẫn: kích thích nhiệt, kích thích quang.
Hiện tượng nhạy quang dẫn điện của bán dẫn (Trường hợp nguồn kích thích
bán dẫn dẫn điện là ánh sáng) thực chất cũng chính là hiệu ứng quang điện.
* Sự tương tác của bán dẫn (đã được kích hoạt) với bên ngoài [1, 5, 11, 26]:
Một cách khái quát, bán dẫn được kích hoạt có thể tạo ra một loạt qui trình
giống như phản ứng oxy hoá - khử với các chất bám trên bề mặt ngoài của nó, trong
đó đại bộ phận sản phẩm trung gian (dạng chuyển tiếp) hình thành là các phân tử có



Khả năng chuyển e- và lỗ trống h+ từ chất bán dẫn đến những chất ô nhiễm từ
môi trường bám trên bề mặt vật liệu phụ thuộc vào vị trí dải năng lượng của chất
bán dẫn so với thế oxy hoá - khử của các chất bị hút bám. Thế oxy hoá-khử của chất
nhận (A) phải thấp hơn mức năng lượng thấp nhất của vùng dẫn ở trạng thái cân
bằng nhiệt động. Trong khi đó, thế oxy hoá-khử của chất cho (D) phải cao hơn mức
năng lượng cao nhất của vùng hoá trị.
b. Sơ lược về khả năng xúc tác quang hoá của vật liệu bán dẫn
Xúc tác quang hoá (Quang xúc tác) là loại xúc tác nếu được kích hoạt bởi
nhân tố ánh sáng thích hợp sẽ làm tăng tốc độ phản ứng hoá học.
Chất bán dẫn - khi được kích hoạt bằng ánh sáng thích hợp (nói cách khác là
khi xảy ra hiện tượng quang điện) - thực chất là một xúc tác quang hoá làm tăng tốc
độ của phản ứng oxi hoá – khử các chất bám trên bề mặt nó.
Để kích thích vật liệu bán dẫn theo cách kích thích quang, ánh sáng chiếu
cần có năng lượng Eλ lớn hơn hoặc tối thiểu bằng năng lượng Eg (Eλ ≥ Eg), sao cho
electron sẽ hấp thụ được photon ánh sáng và có đủ năng lượng để thực hiện bước
nhảy năng lượng từ vùng hoá trị qua vùng cấm lên vùng dẫn, đồng thời gây ra lỗ
trống ở vùng hoá trị, lúc này e-/h+ trở thành hạt mang điện và vật liệu bán dẫn đã
được kích hoạt.
Bán dẫn thuộc phân nhóm xúc tác quang hóa dị thể.

Hình 1.5 Sự kích hoạt bán dẫn bằng kích thích quang và phản ứng xảy ra ở bề mặt.
1.2.6.2. Vật liệu bán dẫn TiO2 và khả năng xúc tác quang hoá


 

22
 



 

23
 


+ Bên cạnh TiO2 anatase, 2 bán dẫn oxit kim loại ZnO và ZrO2 cũng có
khoảng thế thoả mãn điều kiện nhiệt động để truyền các điện tích linh động với O2
và H2O bám trên bề mặt. Tuy nhiên, ZnO là một oxit lưỡng tính kém bền hơn so với
TiO2 trong môi trường, ZrO2 lại có độ rộng vùng cấm khá lớn - để kích hoạt bán
dẫn này cần nguồn sáng UV với năng lượng lớn hơn so với năng lượng nguồn sáng
kích hoạt TiO2 hay ZnO.

(a)

(b)
Hình 1.6 Bề rộng khe năng lượng của một số chất bán dẫn quen thuộc
Vậy TiO2 dạng anatase là lựa chọn bán dẫn oxit kim loại phù hợp hơn các
bán dẫn oxit kim loại còn lại cho hoạt động oxi hoá khử trong môi trường.


 

24
 


b. Đặc điểm về sự hoạt động của TiO2 (anatase) trong môi trường thực tế [1, 26]


(1.6)

Các electron cũng có thể phản ứng với các phân tử nước hấp phụ trên bề mặt tạo
ra các gốc oxi hoá khác nữa.
Thời gian tồn tại của các cặp e- & h+ chỉ khoảng vài nano giây, nếu các chất
nhường (H2O, OH-, R, …) và nhận (O2, …) điện tích vắng mặt thì các cặp này có
thể tái kết hợp sinh ra sản phẩm ở dạng năng lượng nhiệt.
e-CB + h+VB à Nhiệt
Các phản ứng đi xa hơn có thể tạo ra các gốc tự do như HO2•, HO2- và H2O2
cũng có thể khởi động các điều kiện phản ứng oxi hoá không được trình bày ở đây.


 

25