VẬT LIỆU TiO2 VÀ ỨNG DỤNG TRONG MÀNG QUANG XÚC TÁC

Song song với việc phát triển của các ngành công nghiệp hiện nay, việc hạn chế gây ô nhiễm môi trường và xử lí chất thải luôn là vấn đề đáng được quan tâm.

Xét về khía cạnh khoa học và công nghệ vật liệu, để giảm thiểu các nguồn thải độc hại ra ngoài môi trường, con người đã nghiên cứu và ứng dụng các loại vật liệu phù hợp và dần được ứng dụng rộng rãi, một trong các ứng dụng được đưa vào sử dụng là màng TiO2 và áp dụng quang xúc tác.

Quang xúc tác là hiện tượng sử dụng ánh sáng làm chất xúc tác để các phản ứng hóa học có thể xảy ra hoặc xảy ra nhanh hơn. Khi ánh sáng được hấp thụ bởi các màng có vật liệu phù hợp, phản ứng hóa học sẽ xảy ra và phân hủy các chất gây ô nhiễm, có tác dụng làm sạch môi trường. Đây hứa hẹn là một ứng dụng đem lại hiệu quả cho các ngành công nghiệp trong việc hạn chế gây ô nhiễm môi trường.

Màng quang xúc tác bao gồm màng lọc và màng quang xúc tác với các vật liệu phù hợp (thường sử dụng TiO2) được thiết kế dưới dạng các lưới lọc với kích thước nano. Được ứng dụng rộng rãi trong việc lọc sạch không khí và nước sinh hoạt.

Các quy trình lọc chất thải bằng phương pháp vật lí thông thường cộng thêm việc phân hủy các chất ô nhiễm thông qua quang xúc tác đang dần trở nên tối ưu .

Một màng quang xúc tác được cấu tạo bởi các thành phần chính như sau:

Trong việc phát triển màng xúc tác quang người ta đã nghiên cứu việc kết hợp các chất xúc tác quang là oxit kim loại để nâng cao hiệu suất màng. Oxit được sử dụng rộng rãi trong công nghệ trên là TiO2, hay còn gọi là Titan dioxide.

Tuy nhiên màng quang xúc tác cũng có những hạn chế nhất định: Chỉ sử dụng được đối với ánh sáng nhận được nằm trong vùng ánh sáng khả kiến.

Người đầu tiên thực hiện quá trình này là nhà luyện kim Matthew Albert Hunter (1878-1961). Ông đã phát minh ra quy trình Hunter để sản xuất kim loại titan. Ông đã trộn TiO2 với than cốc và clo, để tạo ra sản phẩm TiCl4. Titan được sản xuất từ phương pháp này đã được sử dụng như một tác nhân tạo hợp kim trong sản xuất thép.

TiO2 là oxide tự nhiên của titan, là chất rắn màu trắng, được sử dụng chủ yếu như một chất màu sinh động trong rất nhiều sản phẩm hiện nay.

TiO2 đã được các nhà khoa học chú ý và nghiên cứu từ hơn nửa thế kỷ trước. Đến nay, đã có rất nhiều kết luận thú vị về vật liệu này dựa trên cơ sở những đặc tính đặc biệt của nó. Từ những đặc tính đặc biệt này đã đem đến rất nhiều ứng dụng hữu ích trong cuộc sống.

Ngoài ra TiO2 có những ứng dụng quan trọng trong ngành công nghệ nano. Nano TiO2 khi được chiếu ánh sáng sẽ trở thành một chất sẽ trở thành một chất oxy hóa – khử mạnh (gấp 1,5 lần ozon, 2 lần ion Cl-).

Từ đó kết luận rằng TiO2 có tính quang xúc tác rất mạnh, có khả năng phân hủy các chất bẩn trên bề mặt và trong không khí, cũng như các vi khuẩn hay nấm mốc trở thành CO2 và nước, …

Đây là hình mô tả các dạng cấu trúc tinh thể của TiO2: Rutile và anatase có cấu trúc tinh thể thuộc hệ tứ giác trong khi brookite có cấu trúc tinh thể trực thoi. Cả ba đều được tạo ra từ các đa diện phối trí TiO6 có cấu trúc bát diện, các đa diện phối trí này được sắp xếp khác nhau trong không gian cho mỗi pha.

Hình trên đã mô tả cấu trúc không gian của các đa diện phối trí cho các pha khác nhau của TiO2. Trong cấu trúc của rutile, mỗi đa diện này tiếp xúc với 10 bát diện lân cận còn trong cấu trúc của anatase thì mỗi đa diện tiếp xúc với 8 bát diện lân cận khác. Sự khác nhau về cách sắp xếp trong không gian của các đa diện này là nguyên nhân dẫn đến các tính chất khác nhau giữa các pha của TiO2.

TiO2 là hợp chất vô cơ có khối lượng mol M = 79,88 g/mol, trọng lượng riêng 4,23 g/cm3, nhiệt độ nóng chảy 1870oC, là chất rắn màu trắng, khi được gia nhiệt chuyển thành màu vàng, khi làm lạnh thì trở lại màu trắng.

Ở dạng kích thước micromet, TiO2 không tan trong acid, bền về mặt hóa học. Ở dạng kích thước nanomet, TiO2 có thể tham gia một số phản ứng với acid và kiềm mạnh. Các oxide, hydroxide và hợp chất của Ti4+ đều có tính lưỡng tính.

+ Có thể dễ dàng phủ một lớp TiO2 lên các loại đế với độ bám dính rất tốt. Điều này được giải thích do ái lực bề mặt TiO2 với các phân tử rất cao.

+ Các chất bẩn thường bị khoáng hóa hoàn toàn trên TiO2, hoặc ít nhất khi nồng độ sản phẩm và chất bẩn đủ nhỏ ở mức có thể chấp nhận được.

+ Bề mặt TiO2 tạo ra các gốc hoạt tính hấp phụ được các chất bẩn loãng, thích hợp cho việc xử lý các chất khí nặng mùi hoặc làm sạch không khí trong nhà.

Với các tính chất trên, TiO2 là hợp chất bán dẫn quang hoạt. Dưới tác dụng của ánh sáng tử ngoại với bước sóng thích hợp sẽ xảy ra sự chuyển điện tử, electron hóa trị bị tách khỏi liên kết từ vùng hóa trị (h+) chuyển đến vùng dẫn (e-) tạo ra lỗ trống khuyết điện tử (mang điện tích dương) ở vùng hóa trị:

Khi TiO2 anatase được chiếu bởi ánh sáng kích thích có năng lượng lớn hơn bề rộng vùng cấm (3,2 eV) thì vật liệu sẽ hấp thụ các photon của ánh sáng tới. Mỗi photon bị hấp thụ sẽ kích thích một điện tử (electron) từ vùng hóa trị (Valence Band - VB) lên vùng dẫn (Conduction Band - CB), tạo ra một lỗ trống (hole) mang điện dương ở vùng hóa trị:

Các hạt mang điện này có thể bị bẫy lại trong vật liệu dưới dạng các khuyết tật Ti3+ hay O- hoặc chúng có thể tái hợp với nhau trong vật liệu và trung hòa điện tích tại đó. Ngoài ra, các hạt mang điện này có thể di chuyển đến bề mặt vật liệu, thực hiện phản ứng oxy hóa – khử với các chất hấp phụ trên bề mặt đó. Các lỗ trống mang điện dương có thể oxi hóa nhóm OH- hoặc H2O để tạo ra các gốc OH* tự do – tác nhân oxi hóa mạnh.

Một trong các phương pháp hiệu quả để phân hủy các chất hữu cơ trong không khí và nước là quá trình quang xúc tác sử dụng vật liệu nền TiO2 dưới tác dụng của bức xạ Mặt Trời. Tuy nhiên, việc ứng dụng TiO2 trong thực tế bị hạn chế bởi hai lý do là

TiO2 có bề rộng vùng cấm lớn (3,2 eV cho pha anatase) nên bước sóng giới hạn (bước sóng cực đại mà vật liệu có thể hấp thụ) nhỏ ( bước sóng< 400 nm), vật liệu chỉ hấp thụ một phần năng lượng của ánh sáng Mặt Trời (< 5%). Do đó, việc dịch chuyển bờ hấp thụ của TiO2 về vùng khả kiến là một trong các mục tiêu cơ bản nhằm tăng cường tính quang xúc tác của vật liệu này.

Các quá trình quang xúc tác phân hủy chất hữu cơ chủ yếu diễn ra trên bề mặt của vật liệu. Do đó, tương tác giữa bề mặt của TiO2 và các chất hữu cơ cần phân hủy là một tham số ảnh hưởng rõ tới tốc độ của phản ứng quang xúc tác. Nhìn chung, các hợp chất hữu cơ không bị hấp phụ dễ dàng trên bề mặt của TiO2, điều này làm giảm tốc độ của phản ứng quang xúc tác. Việc tăng cường khả năng hấp phụ các chất hữu cơ trên bề mặt các hạt nano TiO2 là một mục tiêu quan trọng khác nhằm tăng cường hiệu quả quang xúc tác của vật liệu. Một hạn chế khác của TiO2 là sự kết đám của các hạt nano, ngăn cản ánh sáng chiếu tới các hạt bên trong, từ đó làm giảm hiệu quả quang xúc tác của vật liệu.

Nước thải gồm các nguồn thải khác nhau như nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt…luôn là vấn đề đáng được quan tâm và việc xả nước thải ra ngoài môi trường luôn được thông qua các bước xử lí chặt chẽ.

Màng quang xúc tác đã được ứng dụng trong công nghiệp lọc và xử lí nước thải. Công nghệ này được đánh giá là tiết kiệm năng lượng và đem lại hiệu quả kinh tế. Màng quang xúc tác hoạt động như một bộ lọc giữ lại các chất ô nhiễm trong màng và cặn bẩn lớn hơn so với lỗ lọc.

Ứng dụng tính chất siêu thấm nước TiO2 có tính ưa nước, lớp TiO2 trên bề mặt sẽ kéo các giọt nước trên bề mặt giàn trải ra thành một mặt phẳng đều làm cho ánh sáng có thể truyền qua mà không bị biến dạng hình ảnh. Ứng dụng này đặc biệt hữu ích cho cửa kính ô tô và các tấm kính của các tòa nhà cao tầng.

Dựa trên cơ chế quang xúc tác, hiện nay người ta đã đưa ra các cải tiến trong khử khuẩn không khí ở những nơi đặc biệt cần khử khuẩn như trong bệnh viện cũng như những nơi cần kiểm soát nhiễm khuẩn.

Nhiều công ty có sự kết hợp giữa hệ thống đèn UV và các tấm kim loại như TiO2, MnO2 để tăng khả năng diệt khuẩn cũng như loại bỏ khí độc.

Khi cho không khí đi qua, những hạt bụi bên trong không khí sẽ bị giữ lại ở lớp đầu tiên (Bộ lọc lưới). Sau đó, những hạt bụi nhỏ hơn sẽ tiếp tục bị giữ lại ở bộ lọc than hoạt tính và bộ lọc HEPA. Vi khuẩn và Viruss sẽ bị tiêu diệt khi đi qua các đèn UV, nếu còn sót lại sẽ bị giữ lại trên tấm MnO2. Không khí có chứa bụi bẩn, virus, vi khuẩn sau khi đi qua máy khử khuẩn không khí đã trở nên sạch hơn.

Trong máy khử khuẩn và nhiều loại điều hòa không khí, TiO2 có chức năng tiêu diệt vi khuẩn, nấm mốc và các khí ô nhiễm. Nhiều nghiên cứu đã đưa ra kết luận rằng vật liệu TiO2 có khả năng xử lý các khí NOx, các hơi dung môi hữu cơ, các khí phát sinh mùi hôi như hidro sulfua, thậm chí các loại khói thuốc lá cũng có khả năng được xử lý. Do đó vật liệu TiO2 chứa rất nhiều tiềm năng để khai thác và ứng dụng để lọc sạch không khí trong môi trường ô nhiễm hiện nay.

Sơn xúc tác quang hay còn gọi là sơn tự làm sạch. Bản chất của loại sơn này được tạo ra từ những hạt TiO2 có kích thước nano siêu nhỏ phân tán trong huyền phù hoặc nhũ tương với dung môi là nước.

Khi sử dụng loại sơn này trên bề mặt của vật liệu, dưới tác động của tia tử ngoại, các phân tử TiO2 của lớp sơn sẽ sinh ra các tác nhân oxi hóa mạnh như HO*, H2O2, O2- . Những tác nhân này có khả năng phân hủy hầu hết các hợp chất hữu cơ, khí thải độc hại bám trên bề mặt vật liệu.

Tương tự, TiO2 có thể được phối trộn vào lớp men phủ trên bề mặt gạch men hoặc tráng phủ thành lớp mỏng trên bề mặt gạch men. Nhờ đó các sản phẩm này sẽ có khả năng tự làm sạch khi có tác động của tia tử ngoại.

Sự phát triển của thế giới ngày càng lớn mạnh hơn là nhờ có sự phát hiện ra các vật liệu tốt hơn. Từ đó tạo ra các giá trị to lớn về mặt lời ích cho cả nhà sản xuất và người sử dụng. Và giúp cho cải thiện hơn về mọi mặt trong đời sống con người.

Bên cạnh các hoạt động bảo vệ môi trường thường thấy, về góc nhìn vật liệu, TiO2 đang được ứng dụng ngày càng phổ biến. Vật liệu TiO2 đang góp phần giúp không khí trở nên sạch hơn, các chất thải ô nhiễm cũng được xủ lý tốt hơn. Tuy còn những hạn chế nhất định nhưng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, trong tương lai vật liệu TiO2 chắc chắn sẽ được cải tiến hơn nữa để ngày càng trở nên hoàn thiện và đem lại nhiều ứng dụng thực tiễn hơn cho đời sống con người.

8.    HIỆN TƯỢNG QUANG XÚC TÁC VÀ ỨNG DỤNG. Slideshare a scribd company. (Ngày truy cập 20/11/2022) https://www.slideshare.net/8s0nc1/hin-tng-quang-xc-tc-v-ng-dng

9.    Kurita D. et al. (2006), "Carrier generation and transport properties of heavily Nb-doped anatase TiO2 epitaxial films at high temperatures", Journal ofApplied Physics, 100 (9), pp. 096-105.

11. Shi, Y., Huang, J., Zeng, G., Cheng, W., & Hu, J. (2019). Photocatalytic membrane in water purification: is it stepping closer to be driven by visible light?