TiO2-Tổng quan/nghiên cứu/ứng dụng

[nguyencyberchem]

TiO2 được ứng dụng rất nhiều như một chất chống ô nhiễm (cleasing) vd: trong việc làm sạch nước... Tính chất quang xúc tác của nó cho phép xử lý các chất ô nhiễm, diệt khuẩn...
Quang xúc tác cũng giống như khái niệm xúc tác thông thường, nó chỉ khác ở đặc điểm các phản ứng diễn ra dưới sự có mặt của ánh sáng. Ở đây, mình bàn đến quang xúc tác dị thể:Phản ứng quang hóa diễn ra trên bề mặt xúc tác rắn.
Khi một semi-conducteur TiO2 hấp thụ môth photon, nó sẽ có thể chuyển sang trạng thái kích thích, electron được chuyển từ dải hóa trị (valance band) sang dải dẫn (conduction band). Ở vùng dẫn thì electron này là 1 chất khử rất mạnh, đồng thời chỗ trống mà nó để lại ở vùng hóa trị trở thành chất oxy hóa rất mạnh.
Trong cơ chế xử lý nước (chủ yếu xử lý VOC) (sorry vì mình không đưa được hình do không tương thích font)

Lỗ trống được tạo ra ở vùng hóa trị sẽ phản ứng với các hợp phần giàu e như H2O, OH- và các hợp chất hữu cơ R(hấp phụ trên bề mặt xúc tác) để tạo thành các gốc tự do R°, OH° (các gốc này dĩ nhiên được hình thành và ở trạng thái hấp phụ trên bề mặt xúc tác)
Electron được chuyển lên vùng dẫn phản ứng với các hợp phần "khoái e" như O2 để tạo thành các gốc superoxide O2°
OH° và O2° sẽ oxy hóa VOC thành CO2 và H2O

Các bạn vào thảo luận tiếp. Hướng thảo luận
- Về TiO2
- Về hệ quang xúc tác hoàn chỉnh (support, phase active, promoteur...)
- Các pp tổng hợp thin film (vì photocatalyst chỉ làm chủ yếu trên thin film)
- Các pp phân tích cấu trúc
....

[nguyencyberchem]

Năng lượng mặt trời luôn được xem là một nguồn năng lượng rất sách và gần như vô tận (khi so sánh với các nguồn năng lượng khác. Mặc dù hiện nay, giá thành trên mỗi Watt của pin mặt trời trên nền tinh thể Silic đã giảm rất đáng kể trong khoảng 10 năm trở lại đây, nhưng các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời để chuyển thành điện năng vẫn còn siêu mắc so với giá điện hiện nay mỗi hộ gia đình phải chi trả hàng tháng. Năm 1991, sự ra dời của "Mesoscopic dye-sensitized solar cell (DSC)" đã hứa hẹn là một vật liệu thay thế rẻ tiền hơn nhiều so với pin mặt trời truyền thống. Hiện nay, hệ pin mặt trời lai tạo giữa vô cơ-hữu cơ này đã đạt hiệu quả chuyển hóa đến 11% và một khả năng chống chọi tuyệt vời với điều kiện được chiếu sáng ở môt khoảng thời gian rất lâu. Thực nghiệm với 8000 h chiếu sáng với cường độ gấp 2,5 lần ánh sáng mặt trời, và nhiệt độ thực nghiệm là 80-90° cho thấy hiệu năng chỉ bị giảm đi rất ít, kết quả của thí nghiệm này giúp ta có thể tin tưởng vật liệu này có thể hoạt động rất bền bỉ trong khoảng thời gian ít nhất là 10 năm.
Vật liệu được cấu tạo trên nền của TiO2 với nguyên lý hoạt động như sau....
(continue...)

[nguyencyberchem]

TiO2 có 3 cấu trúc tinh thể chính là pha anatase (quadratic), pha rutile (quadratic), et brookite (orthorhombic). Pha rutile là pha bền nhất và việc tạo thành pha này phụ thuộc vào các tác chất ban đầu (trong việc tổng hợp), phương pháp tổng hợp và nhiệt độ calcination. Đặc biệt, TiO2 có thể tự chuyển hóa từ dạng pha vô định hình sang pha tinh thể anatase và từ anatase sang rutile qua quá trình calcination.


Thông số mạng
Rutile a=b=4,593Å
c=2,959 Å


Anatase a=b=3,785 Å
c=9,514 Å

Brookite a =5,456 Å ;
b=9,182 Å ;
c=5.143Å

Thuộc group không gian
Rutile D4h
Anatase D4h

Brookite 2/m 2/m 2/m

Density
Rutile 4,20 à 5,60


Anatase 3,82 à 3,97


Brookite 4,12

[nguyencyberchem]

anatase


Rutile


Brookite

[nguyencyberchem]

Còn đây là phổ tia X cho thấy sự chuyển đổi của các pha TiO2 khi calcinate

[integchimie]

Nguyen noi them vì sao không thể tổng hợp pha brookite ở điều kiện thường ko? Mình nghe ông thầy nói vậy nhưng ko biết có chính xác hay ko?

[integchimie]

Hì, 11% chưa giải quyết được vấn đề gì nhiều, cả vấn đề dye degradation cũng đang là vấn đề đau đầu. Nhưng đây là một hướng đi hấp dẫn và có khả năng triển khai ở những nước vùng nhiệt đới nhiều nắng như nước ta với chi phí khá thấp, tuy nhiên tương lai còn xa lắm....

[integchimie]

vấn đề rất quan trọng hiện nay quyết định khả năng triển khai thực tế của TiO2 là tìm kiếm một chất kết dính phù hợp để gắn kết TiO2 lên một chất nền nào đó. Biến TiO2 thật sự là một vật liệu. Tiếc là kỹ thuật về chất kết dính luôn là một bí quyết công nghệ. Nguyên có idee nào về vấn đề này không?

[nguyencyberchem]

Em đã làm thin film TiO2 phủ trên substrat là thép 316L và trên bản thủy tinh mỏng. Chỉ cần dùng dip-coating (nhúng substrat vào dd keo của Ti(OH)2 và một số dạng khác). Sau đó nung ở nhiệt độ 400-900° trong 1-2 tiếng là ok, độ bám dính không bao giờ là vấn đề cả. Vấn đề chính là làm sao điều chế được thin film vừa dày mà lại vừa xốp trên substrat thôi (cỡ 1 micromet). Đó là những gì mình đã làm. CÓ lẽ hai hệ TiO2 mình nghiên cứu là khac nhau, tuy nhiên trong quang xúc tác thì vẫn phải làm trên thin film

[nguyencyberchem]

11% là phần trăm chuyển hóa từ năng lượng mặt trời sang năng lượng điện, bạn cứ nghĩ xem, nguồn chiếu sáng là free và rất lâu dài, liên tục, đâu phải tính hiệu suất như khi mình phải sử dụng nguyên liệu đầu đâu. Mình thấy các hướng nghiên cứu chính bây giờ không còn tập trung nhiều vào tăng hiệu suất chuyển hóa nữa mà chính là tăng độ bền của vật liệu thôi.