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

1. CÔNG NGHỆ TITANDIOXIT (TiO2)
-VẬT LIỆU XÚC TÁC QUANG
Sinh viên: Nguyễn Thị Ánh Tuyết

2. Nội dung
Phương pháp sản xuất4.
Ứng dụng3.
Cấu trúc,tính chất,cơ chế
hoạt động
2.
Tổng quan1.

3. Tổng quan

4. 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 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.
TiO₂

5. 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)

6. Cấu trúc, tính chất, cơ chế hoạt động
TiO❖ 2 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).

7. Cấu trúc
Rutile
Anatase
Brookite
Hình 2.1.3. Cấu trúc tinh thể các dạng brookite của TiO₂
Dạng phổ biến
nhất.

8. 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❖

9. 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

10. Cơ chế xúc tác
hv + SC -> e- + h+
A(ads) + e- -> A-(ads)
D(ads) + h+ -> D+(ads)

11. 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

12. Hiện tượng siêu thấm ướt của TiO2

13. Ứng dụng
Chất
xúc tác
Diệt VK, VR,
nấm mốc gây
bệnh
Pin
quang
điện
Xử lý nước,
không khí ô
nhiễm
Các vật
liệu tự
làm
sạch
Tiêu diệt các tế
bào ung thư
Chất màu
CN chất dẻo
Vật liệu khô
siêu nhanh

14. Vật liệu tự làm sạch

15. 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.

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

17. Điều chế nano TiO₂
Điều chế bột titan dioxit kích thước nanomet biến tính S theo pp thủy phân TiCl4
trong dung dịch Na2SO4

18. Điều chế nano TiO₂

19. TIO2 NANOROD PHA TẠP AL2O3.
TĂNG HIỆU QUẢ XÚC TÁC QUANG TRONG XỬ LÝ VOCs.

20. 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.

21. ❖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.

22. 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.

23.  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.

24. Tổng kết
• Có tính quang hóa cao.
Bền• về mặt hóa học. Không bị biến đổi trong quá trình xúc tác.
Gi• á 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.
TiO• 2 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