LA39.001_Nghiên cứu chế tạo thiết bị siêu âm công suất để tổng hợp vật liệu Tio cấu trúc Nanô
Do có nhiều tính chất dị thường và khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực mà TiO kích thước nanô đã và đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu, tổng hợp [29,30,53,54,55,68]. Phản ứng quang xúc tác giữa bột TiO với ánh sáng mặt trời cho phép phá huỷ mọi chất ô nhiễm hữu cơ một cách không chọn lọc, diệt vi khuẩn với tốc độ nhanh gấp bội so với các chất khử độc khác. Ngoài những ứng dụng trên, TiO nanô còn đóng một vai trò quan trọng trong các lĩnh vực như chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng, quang phân nước thành nhiên liệu hydro,… Việt Nam có một nguồn ánh sáng mặt trời phong phú, vì vậy đó là nguồn cung cấp năng lượng dồi dào cho công nghệ quang xúc tác. Đối với nước ta, bên cạnh nhiệm vụ xử lý ô nhiễm môi trường do sinh hoạt và sản xuất thì xử lý các chất độc khó phân huỷ do chiến tranh để lại cũng là một vấn đề nan giải đặt ra cho các nhà khoa học.
Ngoài những ứng dụng trong các lĩnh vực nói trên, TiO còn được biết đến với những đặc tính nổi bật là vật liệu rất bền, không độc và rẻ tiền. Hoạt tính quang xúc tác của TiO2 có cấu trúc nanô phụ thuộc vào cấu trúc pha, kích thước hạt, diện tích bề mặt. TiO vô định hình có hoạt tính quang xúc tác không đáng kể và pha Anatase có hoạt tính mạnh hơn pha Rutile [45]. Có rất nhiều phương pháp để chế tạo TiO2 nanô như sol-gel [25,61,75], vi sóng [27,33], thủy nhiệt [25,34,65]. Phương pháp thủy nhiệt là khá đơn giản và đang được sử dụng rộng rãi để chế tạo TiO có cấu trúc ống nanô với đường kính nhỏ, chiều dài lớn, diện tích bề mặt cao. Gần đây, có khá nhiều công trình nghiên cứu sự ảnh hưởng của các tác nhân bên ngoài đến sản phẩm của quá trình thủy nhiệt- vi sóng[13], siêu âm [23,58,66]. Phần lớn các nghiên cứu này đều xuất phát từ những hóa chất như các hợp chất cơ kim chứa Ti và TiO2 nanô thương mại (như Degussa P-25) đắt tiền nên không mang nhiều lợi ích về kinh tế. Vì vậy, việc nghiên cứu chế tạo được chất quang xúc tác TiO2 kích thước nanô lượng lớn, với giá thành rẻ phù hợp với điều kiện kinh tế của chúng ta hiện nay là một vấn đề có ý nghĩa thời sự.
Hiện nay trên thị trường đã xuất hiện một số sản phẩm TiO kích thước nanô, nổi bật nhất là P-25 của Degussa, Đức. Với kích thước hạt trung bình khoảng 30 nm, diện tích bề mặt lớn cỡ 50 m/g. Vật liệu này được chế tạo bằng phương pháp thủy phân TiCl trong điều kiện nhiệt độ cao với sự có mặt của oxi và hydro, lượng hơi sau đó được xử lý để loại bỏ HCl. Thành phần của P-25 gồm 70% anatase và 30% rutile với độ tinh khiết rất cao. Sản phẩm này đã được đông đảo các nhà khoa học trên thế giới công nhận nên hầu như các sản phẩm TiO kích thước nanô đã tổng hợp, thường lấy P-25 để so sánh.
Trong nước, tác giả Trịnh Thị Loan và các đồng sự [9] cũng đã công bố tổng hợp được dây nanô TiO bằng phương pháp thủy nhiệt hai giai đoạn. Giai đoạn đầu thu được các tinh thể nanô H2 Ti5 O11. H2O có cấu trúc lớp dài khoảng 10 µm, đường kính từ 50 đến 70 nm. Xử lý tiếp giai đoạn sau, các tinh thể nanô H2O mất nước, xây dựng lại cấu trúc thành các dây nanô TiO2 anatase. Tác giả Đặng Mậu Chiến và cộng sự [32] đã công bố tổng hợp thành công màng mỏng TiO bằng phương pháp sol-gel xuất phát từ nguồn vật liệu ban đầu là tetraisoproylorthotitanate như là nguồn TiO và tetraethyl orthorsilicat (TEOS) như là nguồn SiO2 Craig A.Grimes [19,69] tổng hợp được dây nanô TiO anatase có chiều dài từ 0,1 µm đến 1 µm, đường kính khoảng 8 đến 10 nm bằng phương pháp thủy nhiệt trong môi trường kiềm NaOH tại 180 oC trong 30 h trong bình pyrex, đi từ chất đầu là tinh thể TiO anatase. Bo Hou và các cộng sự cũng đã chế tạo thành công vật liệu TiO
/SiO2 bằng phương pháp thủy nhiệt xuất phát từ nguồn vật liệu ban đầu Titanium n-butoxide và TEOS. Lin Yuan và các cộng sự cũng đã sử dụng phương pháp thủy nhiệt để chế tạo các ống nanô TiO trong môi trường NaOH xuất phát từ nguồn vật liệu ban đầu là P25. Shigeyuki Somiya và cộng sự đã tổng hợp được ống nanô TiO2 có đường kính 10 nm bằng phương pháp thủy nhiệt quặng ilmanite trong môi trường NaOH 10M tại nhiệt độ 500 0C, áp suất 300 kg/cm Ti trong thời gian 63h.
Nhìn chung, các phương pháp trên có nhược điểm là sử dụng nguyên liệu đầu vào đắt tiền, nhiệt độ tổng hợp cao, áp suất cao, và thời gian tổng hợp dài. Siêu âm là một trong những lĩnh vực khoa học phát triển khá nhanh trong thời gian hiện nay. Tuỳ thuộc vào tần số, công suất phát của các nguồn siêu âm mà chúng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống, khoa học và
công nghệ [12,15,35,36,40]. Các phản ứng hoá học không thể xảy ra trong điều kiện thường, sẽ dễ dàng thực hiện khi có mặt của sóng siêu âm. Một trong những ứng dụng quan trọng nhất hiện nay của lĩnh vực siêu âm trong hoá học đó là việc sử dụng siêu âm để tổng hợp và biến đổi các hợp chất vô cơ, hữu cơ. Hiện nay người ta đã ứng dụng sóng siêu âm để chế tạo các vật liệu vô cơ, hữu cơ, vật liệu điện tử có cấu trúc nanô [46,62,63,64]. Các dung dịch khác nhau không thể hoà tan vào nhau sẽ dễ dàng trộn lẫn nhau một cách đồng nhất dễ dàng khi có mặt siêu âm. Trong xử lý chất thải bảo
vệ môi trường [74], siêu âm hiện đang được chú trọng như một tác nhân siêu oxy hoá tiên tiến. Siêu âm có thế làm gia tăng tốc độ, hiệu suất chiết tách các hợp chất quý mà các phương pháp thông thường không thể đạt được.
Các thiết bị siêu âm là phức tạp, đa dạng, đặt tiền, song linh hồn chính của chúng chính là các biến tử thu phát sóng siêu âm. Phổ biến hiện nay, các biến tử thu phát siêu âm được chế tạo chủ yếu từ vật liệu gốm áp điện có tên thương mại PZT- 4, PZT-8… Tuy nhiên, công thức thành phần của vật liệu là gì, các thông số của quy trình công nghệ chế tạo như thế nào vẫn là những bí mật riêng của hãng sản xuất. Với ý tưởng sử dụng tác động của siêu âm công suất vào phản ứng hoá học, hiệu ứng cavitacy hình thành các bọt khí có áp suất cao, nhiệt độ cao, tốc độ tăng và giảm nhiệt độ đạt tới 10
10 K/s sẽ tạo điều kiện thuận lợi hơn trong việc tổng hợp vật liệu nanô. Vì vậy, chúng tôi chọn đề tài: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ SIÊU ÂM CÔNG SUẤT ĐỂ TỔNG HỢP VẬT LIỆU TiO
CẤU TRÚC NANÔ với mục tiêu nghiên cứu, phát triển và hoàn thiện các thiết bị siêu âm công suất chuyên dụng cho việc tổng hợp TiO2 cấu trúc nanô, nhằm tạo ra một sản phẩm nanô chất lượng cao, giá thành rẻ và có khả năng đưa vào ứng dụng trong thực tiễn. Để đạt được những mục tiêu trên, luận án tập trung giải quyết và thực hiện các nội dung sau:
Nghiên cứu chế tạo biến tử trên cơ sở hệ vật liệu gốm PZT(51/49) – 0.4 % klMnO2 pha tạp ZnO thiêu kết tại nhiệt độ thấp (khoảng 1000 4 0C) với chất lượng cao, độ ổn định tốt.
Nghiên cứu chế tạo biến tử siêu âm dạng hình xuyến và tiến hành lắp ghép biến tử siêu âm công suất cao kiểu Langevin kép.
Nghiên cứu thiết kế mạch kích siêu âm và hoàn thiện các thiết bị siêu âm công suất cao như siêu âm đa tần, đơn tần dùng trong tổng hợp vật liệu.
Nghiên cứu chế tạo vật liệu TiO có cấu trúc nanô sử dụng siêu âm công suất cao kết hợp với thủy nhiệt. Nghiên cứu các tính chất vật lý, cấu trúc, vi cấu trúc của TiO2 có cấu trúc nanô.
Nghiên cứu một số ứng dụng vật liệu TiO nanô đã chế tạo trong xử lý môi trường.
Chế tạo vật liệu PZT51/49 – 0,4%kl MnO2 bằng sử dụng nguyên liệu TiO nanô.
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án được phân bố thành bốn chương:
Chương 1: Cơ sở lý thuyết về biến tử gốm áp điện.
Chương 2: Tổng quan về vật liệu TiO nanô
Chương 3: Nghiên cứu chế tạo biến tử áp điện trên cơ sở hệ vật liệu PZT(51/49) – 0,4 % kl MnO2 – pha tạp ZnO
Chương 4: Một số kết quả nghiên cứu chế tạo vật liệu TiO có cấu trúc nanô và ứng dụng
