Luận án Nghiên cứu chế tạo, tính chất xúc tác quang và ưa nước của màng tổ hợp Tio2 / sio2 và Tio2 / Peg bằng phương pháp sol - Gel

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT XÚC TÁC QUANG VÀ ƯA NƯỚC CỦA MÀNG TỔ HỢP TIO2/SIO2 VÀ TIO2/PEG BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ HÀ NỘI – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- NGUYỄN THỊ MAI HƯƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT XÚC TÁC QUANG VÀ ƯA NƯỚC CỦA MÀNG TỔ HỢP TIO2/SIO2 VÀ TIO2/PEG BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOL-GEL LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 9 44 01 04 Người hướng dẫn khoa học: 1. Tiến sĩ. Nguyễn Trọng Tĩnh 2. Tiến sĩ. Nghiêm Thị Hà Liên Hà Nội – 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Nguyễn Trọng Tĩnh và TS. Nghiêm Thị Hà Liên. Các kết quả trong một số hợp tác nghiên cứu mà tôi sử dụng trong luận án đã được sự đồng ý của các đồng tác giả. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Thị Mai Hương DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN ÁN Ký hiệu Giải nghĩa TiO2 Titan đioxit PIH Tính chất ưa nước khi bề mặt được chiếu sáng (Photo- Induced Hydrophilic). θ Góc tiếp xúc của giọt chất lỏng trên bề mặt rắn. γsv Năng lượng tiếp xúc bề mặt chất rắn với pha hơi hay năng lượng tự do bề mặt chất rắn. γlv Năng lượng tiếp xúc bề mặt chất lỏng với pha hơi hay năng lượng tự do bề mặt chất lỏng. γsl Năng lượng tiếp xúc bề mặt chất rắn với chất lỏng. P25 TiO2 (kích thước hạt ~25nm) của hãng Degussa TPOT Tetraisopropylorthotitanat (C12H28O4Ti) TEOS Tetraethylorthosilicat (C8H20O4Si) PEG Polyethylene glycol (H-(O-CH2-CH2)n-OH) SiO2 Ôxit Silic UV Ánh sáng tử ngoại (10nm - 380nm) UVA Ánh sáng tử ngoại gần (315nm-380 nm) λ Bước sóng eV Electron Volt – Đơn vị năng lượng e- Điện tử h+ Lỗ trống hv Năng lượng (ánh sáng tới) *O Oxygen Radical *OH Hydroxyl Radical OH- Hydroxyl Ion MB Methylene Blue (Xanh Methylene) MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU . 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẬT LIỆU TITAN ĐIOXIT (TIO2) CẤU TRÚC NANO. 6 1.1 Vật liệu nano TiO2 6 1.1.1 Giới thiệu chung về vật liệu nano TiO2. 6 1.1.2 Tính chất quang xúc tác của vật liệu nano TiO2. 9 1.1.2.1 1.1.2.2 Cơ chế xúc tác quang của vật liệu nano TiO2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất quang xúc tác. 90 10 1.1.3 Các hệ vật liệu nano TiO2 biến tính 12 1.1.3.1 1.1.3.2 Vật liệu nano TiO2 biến tính bởi kim loại, phi kim. Hệ vật liệu nano TiO2/SiO2, TiO2/PEG... 12 13 1.1.4 Các ứng dụng của vật liệu TiO2... 14 1.2 Hiệu ứng ưa nước của màng mỏng nano TiO2... 16 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.2.4 Khái niệm ưa nước, kị nước trên bề mặt vật rắn. ... Cơ chế ưa nước khi kích thích ánh sáng đối với vật liệu nano TiO2... Một số nghiên cứu hướng đến những yếu tố ảnh hưởng lên hiệu ứng ưa nước của màng TiO2 Một số ứng dụng dựa trên hiệu ứng ưa nước của màng TiO2. 16 17 20 23 Kết luận chương 1. 27 CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO, QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.. 28 2.1 Công nghệ chế tạo vật liệu nano TiO2 28 2.1.1 2.1.2 2.1.3 Công nghệ chế tạo vật liệu nano. Quá trình sol-gel chế tạo vật liệu nano Quá trình sol-gel chế tạo vật liệu và màng mỏng trên nền tảng nano TiO2. 28 29 32 32 32 33 2.1.3.1 2.1.3.2 Quá trình thủy phân ngưng tụ chế tạo sol TiO2. Quy trình công nghệ chế tạo màng mỏng cấu trúc nano TiO2.. 2.2 Một số phương pháp nghiên cứu tính chất quang xúc tác cho vật liệu nano TiO2 36 2.2.1 Phương pháp hấp thụ UV-VIS xác định nồng độ dung dịch, nghiên cứu độ rộng vùng cấm bán dẫn... 36 2.2.2 Phương pháp đo phân hủy chất mầu hữu cơ qua đó xác định tốc độ phản ứng quang xúc tác. .. 38 2.3.3 Phương pháp đo khả năng diệt khuẩn của hiệu ứng quang xúc tác..... 40 2.3 Phương pháp đánh giá tính chất ưa nước bằng kỹ thuật đo góc tiếp xúc.. 41 2.3.1 Kỹ thuật đo góc tiếp xúc.. 42 2.3.2 Kỹ thuật đánh giá tính ưa nước. . 47 Kết luận chương 2..... 50 CHƯƠNG 3: NĂNG LƯỢNG TỰ DO BỀ MẶT CHẤT RẮN VÀ GÓC TIẾP XÚC PHA - RẮN LỎNG. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN NĂNG LƯỢNG BỀ MẶT CHO VẬT LIỆU TIO2.. 51 3.1 Năng lượng tự do bề mặt và mối quan hệ với tính dính ướt, góc tiếp xúc giọt chất lỏng trên bề mặt chất rắn..... 51 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 Sức căng bề mặt của chất lỏng.... Năng lượng tự do bề mặt chất rắn... Mối liên hệ giữa góc tiếp xúc pha rắn - lỏng và năng lượng bề mặt... Các cách tiếp cận xác định năng lượng bề mặt thông qua góc tiếp xúc.. 51 53 55 60 3.2 Tổng quan một số cách tính năng lượng bề mặt cho TiO2 đã được nghiên cứu trên thế giới.... 61 3.3 Phương pháp luận tính toán năng lượng bề mặt TiO2 quang xúc tác của luận án 66 Kết luận chương 3.... 69 CHƯƠNG 4: CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU TIO2/SIO2 VÀ TIO2/PEG.. 71 4.1 Hệ vật liệu nano phúc hợp TiO2/SiO2 71 4.1.1 Kết quả chế tạo vật liệu TiO2/SiO2.. 71 74 4.1.2 Các kết quả nghiên cứu tính chất cấu trúc.. 4.1.2.1 4.1.2.2 4.1.2.3 Cấu trúc pha tinh thể của vật liệu TiO2/SiO2.... Cấu trúc hình thái bề mặt màng TiO2/SiO2... Phổ hấp thụ hồng ngoại. 74 76 77 4.1.3 Kết quả nghiên cứu tính chất quang xúc tác hệ vật liệu nano phúc hợp TiO2/SiO2.... 79 79 82 4.1.3.1 4.1.3.2 Kết quả nghiên cứu khả năng phân hủy chất mầu methylene Blue... Kết quả nghiên cứu khả năng diệt khuẩn (E.Coli)... 4.2 Hệ vật liệu nano xốp TiO2/PEG.. 86 4.2.1 Kết quả chế tạo vật liệu nano xốp TiO2/PEG.. 86 89 4.2.2 Các kết quả nghiên cứu tính chất cấu trúc... 4.2.2.1 4.2.2.2 4.2.2.3 Cấu trúc pha tinh thể của vật liệu TiO2/PEG.... Cấu trúc hình thái bề mặt màng TiO2/PEG... Diện tích bề mặt riêng của vật liệu nano xốp TiO2/PEG.. 89 91 92 4.2.3 Kết quả nghiên cứu tính chất quang xúc tác hệ vật liệu nano xốp TiO2/PEG 93 4.3 Ứng dụng của hệ vật liệu nano phúc hợp TiO2/SiO2 và hệ vật liệu nano xốp TiO2/PEG... 95 4.3.1 Triển khai thử nghiệm khả năng diệt khuẩn cho cơ sở y tế... 95 4.3.2 Triển khai thử nghiệm tính nước. 101 Kết luận chương 4.. 103 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ƯA NƯỚC VÀ NĂNG LƯỢNG BỀ MẶT CỦA HAI HỆ VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC TIO2/SIO2, TIO2/PEG.... 105 5.1 Tính ưa nước và năng lượng bề mặt của hệ vật liệu nano phức hợp TiO2/SiO2 106 5.1.1 Tính chất ưa nước của hệ vật liệu nano phức hợp TiO2/SiO2. 106 111 5.1.2 Năng lượng bề mặt màng TiO2/SiO2... 5.2 Tính ưa nước và năng lượng bề mặt của hệ vật liệu nano xốp TiO2/PEG.. 118 5.2.1 Tính chất ưa nước của hệ vật liệu nano xốp TiO2/PEG.. 118 125 5.2.2 Năng lượng bề mặt màng TiO2/PEG... Kết luận chương 5 130 KẾT LUẬN.. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN. PHỤ LỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ. TÀI LIỆU THAM KHẢO.... 132 133 134 136 137 DANH MỤC BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ Bảng biểu Bảng 1.1 Một số đặc tính cấu trúc các dạng thù hình của TiO2. Bảng 1.2 Góc tiếp xúc đo được phụ thuộc vào độ xốp của màng. Bảng 1.3 Diện tích bề mặt riêng phụ thuộc tỷ lệ PEG và SiO2 Bảng 3.1 Sức căng bề mặt của một số chất lỏng và chất rắn khi tiếp xúc với không khí. Bảng 3.2 Giá trị năng lượng bề mặt của một số vật liệu thông dụng tiếp xúc với không khí. Bảng 4.1.1 Tỷ lệ sống sót của vi khuẩn E. coli theo thời gian chiếu sáng. Bảng 4.2.1 Khối lượng PEG đưa vào theo tỷ lệ phần tram từ 0÷50%. Bảng 4.2.2 Độ dày màng TiO2/PEG (0÷50%) theo nồng độ dung dịch và số lần quay phủ. Bảng 4.2.3 Diện tích bề mặt riêng của các mẫu bột TiO2/PEG (0÷50%). Bảng 5.1.1 Giá trị góc tiếp xúc của giọt nước trên màng TiO2/SiO2 (0÷50%) theo thời gian chiếu sáng. Bảng 5.1.2 Giá trị tốc độ bão hòa, góc tiếp xúc bão hòa của nước trên bề mặt các màng TiO2/SiO2 (0÷50%). Bảng 5.1.3 Giá trị năng lượng bề mặt của các chất lỏng. Bảng 5.1.4 Giá trị góc tiếp xúc của các chất lỏng khác nhau trên bề mặt màng TiO2/SiO2 (0÷50%) tại thời điểm chưa chiếu sáng. Bảng 5.1.5 Giá trị năng lượng bề mặt SV của các màng TiO2/SiO2 (0÷50%) tại các thời điểm 0, 30, 60, 90, 120 phút chiếu sáng. Bảng 5.1.6 Giá trị năng lượng bề mặt svbão hòa của các màng TiO2/SiO2(0÷50%). Bảng 5.1.7 Giá trị góc tiếp xúc của nước, năng lượng bề mặt (SV) và năng lượng tiếp xúc giữa nước với bề mặt màng (sl) của các màng TiO2/SiO2 (0÷50%). Bảng 5.2.1 Giá trị góc tiếp xúc bão hòa của nước trên bề mặt màng TiO2/PEG (0÷50%). Bảng 5.2.2 Giá trị góc tiếp xúc bão hòa và tốc độ đạt giá trị bão hòa của góc tiếp xúc trên các mẫu có độ dày khác nhau. Bảng 5.2.3 Giá trị góc tiếp xúc của các chất lỏng khác nhau trên bề mặt màng TiO2/PEG (0÷50%) tại thời điểm chưa chiếu sáng. Bảng 5.2.4 Giá trị năng lượng bề mặt sv của các màng TiO2/PEG (0÷50%) tại các thời điểm 0, 30, 60, 90, 120, 150 phút chiếu sáng. Bảng 5.2.5 Giá trị năng lượng bề mặt (γsv ) bão hòa của các mẫu TiO2/PEG (0÷50%) Bảng 5.2.6 Giá trị góc tiếp xúc θ của nước, năng lượng bề mặt (γsv) và năng lượng tiếp xúc giữa nước với bề mặt màng (γsl) của các màng TiO2/PEG (0÷50%) Hình vẽ Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2. Hình 1.2 Khối bát diện của TiO2 Hình 1.3 Giản đồ năng lượng của TiO2 anatase và rutile. Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý cơ chế quang xúc tác của TiO2. Hình 1.5 Những lĩnh vực ứng dụng chính của TiO2. Hình 1.6 Hình ảnh bề mặt phun sương của kính thường (a) và kính phủ TiO2 (b). Hình 1.7 Bề mặt kị nước (a); Bề mặt ưa nước (b). Hình 1.8 Cơ chế ưa nước của TiO2 khi được chiếu sáng đề xuất bởi Wang và cộng sự. Hình 1.9 Cơ chế ưa nước của TiO2 khi được chiếu sáng đề xuất bởi Sakai và cộng sự. Hình 1.10 Góc tiếp xúc của giọt nước với các màng có độ dày khác nhau tại thời điểm trước chiếu sáng (a, b, c) và sau khi chiếu sáng (a’, b’, c’). Hình 1.11 Mật độ nhóm OH phụ thuộc kích thước hạt. Hình 1.12 Ảnh FE-SEM của màng TiO2/PEG (a)0.003M, (b)0.006M, (c) 0.010M và (d)0.012M. Hình 1.13 Góc tiếp xúc theo thời gian chiếu sáng của các mẫu có diện tích bề mặt riêng khác nhau. Hình 1.14 Quá trình khử xảy ra trên bề mặt ưa nước. Hình 1.15 Một số ứng dụng vào đời sống của vật liệu nano TiO2. Hình 2.1 Kỹ thuật Sol-gel và các sản phẩm của nó. Hình 2.2 Phương pháp phủ quay. Hình 2.3 Các giai đoạn của phương pháp phủ quay. Hình 2.4 Quan hệ về hình học của nhiễu xạ tia X từ các nguyên tử nằm trên mặt phẳng phản xạ. Hình 2.5 Phương pháp Tauc Plot xác định độ rộng vùng cấm chất bán dẫn. Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ đo tính năng quang xúc tác thông qua đo phân hủy Methylene Blue. Hình 2.7 Độ hấp thụ của dãy nồng độ MB chuẩn. Hình 2.8 Một số hình ảnh trong quy trình đánh giá mức độ diệt khuẩn của màng quang xúc tác. Hình 2.9 Góc tiếp xúc. Hình 2.10 Đo góc tiếp xúc bằng phương pháp phản xạ quang. Hình 2.11 Đo góc tiếp xúc bằng phương pháp giao thoa. Hình 2.12 Đo góc tiếp xúc bằng phương pháp chiếu bóng. Hình 2.13 Đo góc tiếp xúc gián tiếp bằng cách đo đường kính vết loang của giọt nước. Hình 2.14 Sơ đồ cấu trúc thiết bị đo góc tiếp xúc. Hình 2.15 Cách tính góc tiếp xúc trong trường hợp giọt chất lỏng hình chỏm cầu. Hình 2.16 Thiết bị đo góc tiếp xúc. Hình 2.17 Hình ảnh giọt chất lỏng quan sát qua camera. Hình 2.18 Giá trị góc tiếp xúc được tính bằng phần mềm ImageJ. Hình 2.19 Phân loại bề mặt ưa nước, kị nước. Hình 2.20 Hiện tượng dính ướt khi chất lỏng tiếp xúc với bề mặt rắn. Hình 2.21 Góc tiếp xúc của một giọt chất lỏng trên bề mặt rắn. Hình 2.22 Zisman Plot. Hình 3.1 Hình vẽ mô tả sức căng bề mặt được gây ra bởi các lực không cân bằng của các phân tử chất lỏng trên bề mặt. Hình 3.2 Khối chất rắn khác pha. Hình 3.3 Khối chất rắn cùng pha. Hình 3.4 Mối quan hệ giữa các tương tác và năng lượng. Hình 3.5 Mô hình tương tác giữa các phân tử trên bề mặt chất rắn tiếp xúc pha hơi. Hình 3.6 Minh họa định hướng của các nhóm phân cực và không phân cực để giảm thiểu năng lượng bề mặt. Hình 3.7 Mối tương quan giữa góc tiếp xúc, khả năng dính ướt và năng lượng bề mặt. Hình 3.8 Năng lượng bề mặt trên đơn vị diện tích (■) của màng TiO2 chế tạo bằng phương pháp (A) CVD và (B) theo thời gian chiếu sáng UV(A). (□): thành phần không phân cực; (◊): thành phần phân cực. Hình 4.1.1 Quy trình chế tạo sol TiO2/SiO2 (0÷50%). Hình 4.1.2 Mẫu bột TiO2/SiO2. Hình 4.1.3 Màng TiO2/SiO2 (0÷50%) trên đế kính thiêu kết ở 500 0C. Hình 4.1.4 Màng TiO2/SiO2 (0÷50%) trên đế silic thiêu kết ở 500 0C, 6000C, 7000C và 8000C. Hình 4.1.5 Ảnh SEM bề mặt cắt ngang màng mỏng TiO2/SiO2, độ dày màng 300nm. Hình 4.1.6 Ảnh SEM bề mặt màng mỏng TiO2/SiO2 (0%) quay phủ 2 lần. Hình 4.1.7 Phổ nhiễu xạ tia X của bột TiO2/SiO2 (0÷50%) thiêu kết ở 500 0C. Hình 4.1.8 Phổ nhiễu xạ tia X của bột TiO2/SiO2 (0÷50%) thiêu kết ở 800 0C. Hình 4.1.9 Ảnh SEM màng TiO2/SiO2 (0%) thiêu kết ở 500 0C, 6000C, 7000C và 8000C. Hình 4.1.10 Ảnh SEM màng TiO2/SiO2 (10%) (a) và TiO2/SiO2 (40%) (b) thiêu kết ở 8000C. Kích thước hạt đo được khoảng 1530nm. Hình 4.1.11 Phổ hấp thụ hồng ngoại mẫu TiO2 đơn thuần. Hình 4.1.12 Phổ hấp thụ hồng ngoại mẫu SiO2 đơn thuần. Hình 4.1.13 Phổ hấp thụ hồng ngoại mẫu TiO2/SiO2 (10%). Hình 4.1.14 Phổ hấp thụ hồng ngoại mẫu TiO2/SiO2 (30%). Hình 4.1.15 Chuẩn bị thí nghiệm đo phân hủy MB bằng màng TiO2/SiO2 (0÷50%). Hình 4.1.16 Nồng độ MB theo thời gian chiếu sáng. Hình 4.1.17 Đường Ln(C0/Ct) theo thời gian chiếu sáng. Hình 4.1.18 Hằng số tốc độ phân hủy MB phụ thuộc tỷ lệ % SiO2. Hình 4.1.19 Tỷ lệ vi khuẩn sống sót theo thời gian chiếu sáng. Hình 4.1.20 Hình ảnh chụp đĩa khuẩn E. Coli sống sót theo thời gian chiếu sáng. Hình 4.2.1 Quy trình chế tạo huyền phù nano TiO2/PEG. Hình 4.2.2 Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu TiO2/PEG (0÷50%) thiêu kết ở 500 0C. Hình 4.2.3 Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu TiO2/PEG (0÷50%) thiêu kết ở 650 0C. Hình 4.2.4 Phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu TiO2/PEG (0%, 30% và 50%) thiêu kết ở 8000C. Hình 4.2.5 Ảnh SEm của các mẫu màng TiO2/PEG (0÷50%). Hình 4.2.6 Nồng độ MB theo thời gian chiếu sáng. Hình 4.2.7 Đường Ln(C0/Ct) theo thời gian chiếu sáng. Hình 4.2.8 Hằng số tốc độ phân hủy MB phụ thuộc tỷ lệ % PEG. Hình 4.3.1 Cơ sở tiến hành thử nghiệm khả năng diệt khuẩn của TiO2/SiO2 Hình 4.3.2 Mẫu Sol TiO2/SiO2 Hình 4.3.3 Xác định vị trí và phủ Sol TiO2/SiO2 Hình 4.3.4 Lấy mẫu khuẩn lạc Hình 4.3.5 Hình hành đĩa khuẩn tại các thời điểm lấy mẫu Hình 4.3.6 Khả năng diệt khuẩn của sol nano TiO2/SiO2 với các mẫu lấy tại giường số 1 Hình 4.3.7 Khả năng diệt khuẩn của sol nano TiO2/SiO2 với các mẫu lấy tại giường số 2 Hình 4.3.8 Khả năng diệt khuẩn của sol Nano TiO2/SiO2 với các mẫu lấy tại giường số 3 Hình 4.3.9 Thực nghiệm tạo màng TiO2/SiO2 trên cửa kính của công trình xây dựng Hình 4.3.10 So sánh hai ô của kính có phủ và không phủ TiO2/SiO2 khi có nước phun lên Hình 4.3.11 So sánh hai ô của kính có phủ và không phủ TiO2/SiO2 sau 6 tháng. Hình 4.3.12 Hệ thống lọc nước phủ TiO2/PEG Hình 5.1.1 Góc tiếp xúc theo thời gian chiếu sáng của các màng TiO2/SiO2 (0÷50%). Hình 5.1.2 Góc bão hòa của các mẫu màng TiO2/SiO2 (0÷50%). Hình 5.1.3 Tốc độ bão hòa của các mẫu màng TiO2/SiO2 (0÷50%). Hình 5.1.4 Góc tiếp xúc theo thời gian hồi phục của các màng TiO2/SiO2 (0÷50%). Hình 5.1.5 Năng lượng bề mặt γsv của màng TiO2/SiO2 (0÷50%) theo thời gian chiếu sáng. Hình 5.1.6 Giá trị năng lượng bão hòa phụ thuộc % SiO2. Hình 5.1.7 Giá trị năng lượng tiếp xúc giữa bề mặt màng TiO2/SiO2 (0÷50%) với nước theo thời gian chiếu sáng. Hình 5.2.1 Góc tiếp xúc theo thời gian chiếu sáng của các màng TiO2/PEG (0÷50%) với độ dày màng ~0,042µm. Hình 5.2.2 Góc tiếp xúc theo thời gian chiếu sáng của các màng TiO2/PEG (0÷50%) với độ dày màng ~0,092µm. Hình 5.2.3 Góc tiếp xúc theo thời gian chiếu sáng của các màng TiO2/PEG (0÷50%) với độ dày màng ~0,14µm. Hình 5.2.4 Giá trị góc tiếp xúc bão hòa theo tỷ lệ % PEG của màng có độ dày ~0,14µm. Hình 5.2.5 Góc tiếp xúc theo thời gian chiếu sáng của các màng TiO2/PEG (40%) có độ dày khác nhau. Hình 5.2.6 Góc tiếp xúc bão hòa và tốc độ bão hòa của màng TiO2/PEG (40%) có độ dày khác nhau. Hình 5.2.7 Góc tiếp xúc theo thời gian hồi phục của các màng TiO2/PEG (0÷50%) có độ dày ~0,048µm. Hình 5.2.8 Góc tiếp xúc theo thời gian hồi phục của các màng TiO2/PEG (0÷50%) có độ dày ~0,092µm. Hình 5.2.9 Góc tiếp xúc theo thời gian hồi phục của các màng TiO2/PEG (0÷50%) với độ dày ~0,14µm. Hình 5.2.10 Giá trị năng lượng tiếp xúc của nước và bề mặt màng (γsl) của các màng TiO2/PEG (0÷50%) theo thời gian chiếu sáng. Hình 5.2.11 Giá trị năng lượng bề mặt γsv bão hòa theo tỷ lệ % PEG. Hình 5.2.12 Giá trị năng lượng tiếp xúc giữa bề mặt màng TiO2/PEG (0÷50%) với nước. 1 MỞ ĐẦU Vật liệu TiO2 (Titan đioxit) cấu trúc nano thù hình Anatase được biết đến trên thế giới cũng như trong nước là vật liệu quang xúc tác có khả năng phân hủy chất độc hữu cơ, diệt vi khuẩn, chống nấm mốc v.v [1-3,10,17]. Những tính năng này của TiO2 cấu trúc nano được sử dụng cho mục đích làm sạch môi trường. Vì lý do đó, TiO2 được coi là vật liệu chức năng rất có tiềm năng tạo ra các vật liệu có tính năng tự làm sạch cho các ứng dụng thực tế. Về mặt học thuật, trên thế giới và trong nước đã có nhiều nghiên cứu về tính chất và cơ chế tự làm sạch của TiO2 [49-52]. Các giả thuyết cho rằng cơ chế tự làm sạch của vật liệu quang xúc tác TiO2 dựa trên hai tính chất cơ bản là quang xúc phân huỷ các chất bẩn hữu cơ, diệt vi khuẩn, nấm mốc và tính chất ưa nước khi bề mặt được chiếu sáng (photo-induced hydrophilic – PIH). Tuy nhiên, những tranh luận vẫn còn tiếp tục, nhất là khi vật liệu TiO2 được cải biến thành các loại vật liệu lai như pha tạp, composite tạo ra các chủng loại vật liệu quang xúc tác gốc TiO2 [32,34-38]. Tính chất ưa nước khi kích thích quang của bề mặt vật liệu liên quan chặt chẽ với tính chất vật liệu, cấu hình bề mặt và các tác nhân kích thích. Vì lý do đó, nghiên cứu tính chất quang xúc tác, tính ưa nước của vật liệu là đối tượng rất hấp dẫn về mặt học thuật trong việc nghiên cứu tính chất cũng như quá trình vật lý trên bề mặt. Những nghiên cứu mới đây trên thế giới chỉ ra sự liên quan giữa mức độ ưa nước của bề mặt chất rắn và năng lượng bề mặt [92-97]. Kích thích bằng bức xạ ánh sáng tạo ra sự thay đổi năng lượng bề mặt dẫn đến sự thay đổi mức độ ưa nước của bề mặt. Mặt khác, nhiều nghiên cứu cho thấy khi TiO2 được kích thích bởi ánh sáng phù hợp sẽ sinh ra các nhóm chức (radical) trên bề mặt [18-20], điều đó có nghĩa là năng lượng bề mặt TiO2 sẽ thay đổi khi bị kích thích. Việc nghiên cứu có hệ thống và định lượng sự thay đổi năng lượng bề mặt khi bị kích thích của TiO2 có các cấu trúc nano khác nhau hứa hẹn dẫn đến những thông tin góp phần làm sáng tỏ thêm cơ chế quang xúc tác và hiệu ứng siêu ưa nước của vật liệu TiO2. Tại Việt Nam, những nghiên cứu có nội dung liên quan tính ưa nước hay năng lượng bề mặt vật liệu, nhất là nghiên cứu tính ưa nước khi kích thích ánh sáng không có nhiều. Điều này có thể giải thích là do bản chất của vấn đề tương đối phức tạp và chưa có đủ phương pháp cũng như công cụ để nghiên cứu. Ngoài ra vấn đề 2 ưa nước chỉ được quan tâm khi đối tượng nghiên cứu có liên quan đến tính chất tự làm sạch của vật liệu quang xúc tác TiO2 cấu trúc nano. Từ những phân tích trên luận án đặt ra mục tiêu: Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu và các tính chất cấu trúc cũng như tính chất quang xúc tác của vật liệu TiO2 và TiO2 biến thể cấu trúc nano. Trên cơ sở các hệ vật liêu đó nghiên cứu có hệ thống và định lượng tính chất ưa nước, hay nói cách khác là nghiên cứu về năng lượng bề mặt của các hệ vật liệu dưới tác động kích thích bằng ánh s