CÔNG NGHỆ TITANDIOXIT (TiO2) - VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG

CÔNG NGHỆ TITANDIOXIT (TiO2) -VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG

Sinh viên: Nguyễn Thị Ánh Tuyết

Nội dung

1.

Tổng quan

2.

Cấu trúc,tính chất,cơ chế hoạt động

3.

Ứng dụng

4.

Phương pháp sản xuất

Tổng quan

Chất bán dẫn và xúc tác quang hóa TiO₂ ❖ Chất bán dẫn: là vật liệu trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện. ❖ Xúc tác quang hóa: là xúc tác nếu được kích hoạt bởi nhân tố ánh sáng thích hợp thì sẽ giúp phản ứng xảy ra.

VD: CH3CHO + 5/2 O2

TiO₂

2CO2 + 2H2O

TiO₂ được dùng làm xúc tác quang dị thể vì thỏa 2 đk sau: - Có hoạt tính quang hóa - Có năng lượng vùng cấm thích hợp để hấp thụ ánh sáng cực tím hoặc nhìn thấy.

- Ổn định hóa học, không gây độc, giá thành thấp.

Biến tính TiO₂ ❖ Mục đích biến tính: • Đưa năng lượng vùng cấm của TiO2 về vùng ánh sáng khả kiến.

• Tạo các “bẫy điện tích” để giảm sự tái kết hợp của các electron và lỗ trống.

• Tăng tốc độ di chuyển electron từ đó tăng hiệu suất lượng tử của phản ứng quang hóa.

 Phương pháp đưa các ion kim loại và không kim loại lên bề mặt hoặc vào cấu trúc TiO2  Phương pháp tạo TiO2 kich thước nano.  Phương pháp kết hợp CNT (cacbon nanotubes) và TiO2 (Composit)

Cấu trúc, tính chất, cơ chế hoạt động ❖ TiO2 là một chất bán dẫn, tồn tại ở dạng bột màu trắng tuyết ở điều kiện thường, nhưng khi đun nóng lại có màu vàng. Tinh thể TiO2 có độ cứng cao, khó nóng chảy (Tnc =1870ᵒC). ❖ Tồn tại ở 4 dạng thù hình: vô định hình, anatase (tetragonal), rutile (tetragonal) và brookite (orthorhombic).

Cấu trúc Rutile

Dạng phổ biến nhất.

Brookite

Anatase

Hình 2.1.3. Cấu trúc tinh thể các dạng brookite của TiO ₂

Tính chất ❖ Là chất rắn màu trắng, đun nóng có màu vàng, khi làm lạnh lại trở lại màu trắng. Độ cứng cao, khó nóng chảy(1870ᵒC).

❖ Có tính chất lưỡng tính ❖ Không tác dụng với nước, axit loãng(trừ HF) và kiềm ❖ Tác dụng với axit đun nóng lâu, với kiềm nóng chảy

Đặc tính quang xúc tác của nano TiO2 -

Khi đc chiếu sáng, nano TiO2 trở thành một chất oxy hóa khử mạnh nhất trong số những chất đã biết( gấp 1.5 lần ozon, gấp 2 lần clo- là những chất thông dụng vẫn đc dùng trong xử lý môi trường).

-

Dưới tác dụng của as, nano TiO2 trợ nên kỵ nước hay ái nước tùy thuộc vào công nghệ chế tạo.

-

Nano TiO2 kháng khuẩn bằng cơ chế phân hủy, tác động vào vsv như phân hủy 1 hợp chất hữu cơ. Vì vậy, nó tránh đc hiện tượng ‘nhờn thuốc’ và là một công cụ hữu hiệu chống lại sự biến đổi gen của vsv gây bệnh.

-

Nano Tio2 hoạt động theo cơ chế xúc tác nên bản thân k bị tiêu hao, nghĩa là đầu tư 1 lần và sd lâu dài.

-

Bản thân nano TiO2 không độc hại, sp của sự phân hủy chất này cũng rất an toàn

Cơ chế xúc tác

hv + SC -> e- + h+ A(ads) + e- -> A-(ads) D(ads) + h+ -> D+(ads)

Sự hình thành OH* và O₂

Chính các gốc OH* và O₂ với vai trò quan trọng ngang nhau có khả năng phân hủy các hợp chất hữ cơ thành CO₂ và H₂O

Hiện tượng siêu thấm ướt của TiO2

Ứng dụng

Chất màu

Xử lý nước, không khí ô nhiễm

Pin quang điện

Vật liệu khô siêu nhanh

Chất xúc tác

Diệt VK, VR, nấm mốc gây bệnh

CN chất dẻo

Các vật liệu tự làm sạch

Tiêu diệt các tế bào ung thư

Vật liệu tự làm sạch

Xử lý nước, không khí bị ô nhiễm ❖ Phân hủy các hợp chất hữu cơ gây ô nhiễm như khói thải xe cộ, khói thuốc lá và các hóa chất độc trong nước thải, thuốc trừ sâu... ❖ Gạch men có khả năng tự làm sạch và diệt vi khuẩn dùng cho các bệnh viện, hệ thống lọc nước sử dụng ánh sáng tử ngoại và TiO2 để khử các chất độc hữu cơ còn sót lại trong nước sau khi đã xử lý bằng các phương pháp thông thường, thiết bị làm sạch không khí và mùi… ❖ Các nhà khoa học đã thiết kế và chế thử thành công tấm panen quang xúc tác TiO2 có cấu trúc nano xốp để đưa vào một số thiết bị làm sạch môi trường như máy khử mùi, làm sạch không khí, hệ thống lọc nước.

Tiêu diệt các tế bào ung thư Phân tử nano tiếp cận khối u loạt xung bức xạ điện từ

kích thích bằng

Năng lượng này làm sắt trong nhân nóng lên, phá vỡ liên kết hydro và phóng thích thuốc vào khối u.

Tế bào ung thư bị tiêu diệt.

Điều chế nano TiO₂

Điều chế bột titan dioxit kích thước nanomet biến tính S theo pp thủy phân TiCl4 trong dung dịch Na2SO4

Điều chế nano TiO₂

TIO2 NANOROD PHA TẠP AL2O3.

TĂNG HIỆU QUẢ XÚC TÁC QUANG TRONG XỬ LÝ VOCs.

Al2O3

Al2O3 đã được biết đến như một vật liệu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau (trong sản xuất đồ gốm, phủ lên vật liệu để chống ăn mòn,...). Ngoài ra nó còn sử dụng kết hợp với TiO2 để tăng cường quá trình xúc tác quang học.

❖Khả năng tăng cường hoạt tính xúc tác quang khi kết hợp với TiO2: ▪ Tăng diện tích tiếp xúc bề mặt ▪ Tăng khả năng bắt giữ điện tử, dẫn đến giảm khả năng tái tổ hợp e-h+ cũng như giảm sự khử ion H+. Từ đó tăng hoạt tính xúc tác quang.

▪ Khả năng chịu nhiệt và chịu áp lực cơ học tốt. →Tăng tính bền cho vật liệu.

Quá trình pha tạp Al2O3 với TiO2 nanorod ❖ Sử dụng các tiền chất của Al (ATSB – aluminium tri-s-butylate) pha vào nước khử ion ở pH =5 và khuấy trong 48h (thủy phân). Sau đó, bổ sung bazo để kết tủa Al tạo hydroxyde. ❖ Tiền chất TiO2 (TTIP) cũng được thủy phân trong hỗn hợp dung môi Etanol và nước ở pH từ 1-2. Sau đó sấy và thu bột TiO2. ❖ Tạo cấu trúc nanorod cho TiO2:  B1: Cân lấy 0,6 g bột TiO2 và hòa vào 80ml dd NaOH 10M và khuấy, lắc trong 30 phút để hỗn hợp phân tán đều.  B2: Cho hỗn hợp vào bình phản ứng Teflon vỏ thép và nung ở nhiệt độ 1800C trong 48 h (chú ý rửa sạch lõi Teflon trước khi cho hỗn hợp vào)  B3: Để nguội đến nhiệt độ phòng, rồi tiến hành trao đổi ion dung dịch trong bình phản ứng với dd 0,2M HCl (Na₂Ti₈O₁₇ → H₂Ti₈O₁₇)  B4: Lọc và rửa sạch với nước khử ion.  B5: Sấy 80oC trong 2h ❖ TiO2 nanorod thu được đem hòa với hydroxyde của nhôm trong nước khử ion theo tỷ lệ thích hợp. Sau đó tiến hành khuấy hoặc lắc trong 1h. Hỗn hợp đêm phủ lên kính và sấy khô rồi nung ở các nhiệt độ khác nhau trong 2h.

 Khi nhiệt độ tăng từ 600-900oC, kích thước tinh thể dạng rutile tăng nhanh từ 31-145nm và chiếm thành phần chủ yếu, trong khi đó kích thước tinh thể anatase tăng rất chậm (54-60nm). Nhiệt độ nung hiệu quả: 500-600oC.  Theo kết quả của Riazian thì kích thước TiO2 nanorod thu được trung bình là: 43nm đường kính và 400nm chiều dài, có những mẫu lên đến 560nm.

Tổng kết • • • •

Có tính quang hóa cao.

Bền về mặt hóa học. Không bị biến đổi trong quá trình xúc tác.

Giá thành thấp, ít độc hại vì tính chất trơ và là chất oxy hóa mạnh .

Không bị phân hủy trong quá trình quang hóa xúc tác như ZnO, CdS, GaP,…

• Có thể thực hiện ở nhiệt độ thấp và áp suất thường, có thể sử dụng UV thiên nhiên hoặc ánh sáng nhân tạo.

• TiO2 là chất hóa học ổn định và không hòa tan trong nước, acid, base, dung môi hữu cơ.

• Biến tính TiO2 làm tăng hiệu quả xúc tác