TÓM TẮT VỀ NHỮNG KẾT LUẬN MỚI CỦA LUẬN ÁN TIẾN SỸ
Tên đề tài: “Chế tạo vật liệu quang xúc tác TiO2 biến tính (TiO2:V- TiO2:N và TiO2-CNTs) và nghiên cứu một số tính chất của chúng”.
Chuyên ngành: Vật lý Chất rắn
Mã số: 62.44.01.04
Nghiên cứu sinh: Dương Quốc Văn
Tập thể hướng dẫn:
1. PGS.TS. Nguyễn Minh Thủy
2. TS. Nguyễn Huy Việt
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Sư phạm Hà Nội
Những kết luận mới của luận án
1. Các điều kiện phù hợp sử dụng để mô phỏng vật liệu TiO2 biến tính (pha V, N; tổ hợp với CNTs) bằng DFT: gần đúng gradient mở rộng (GGA), phiếm hàm năng lượng tương quan – trao đổi PBE, hệ cơ sở sóng phẳng, giả thế siêu mềm Vanderbilt và giá trị thế bổ chính Hubbard 8,18 eV. Các điều kiện này được sử dụng thống nhất trong toàn bộ quá trình khảo sát vật liệu TiO2 biến tính.
2. Các mô hình lý thuyết của vật liệu TiO2 pha V, N và mô hình vật liệu tổ hợp TiO2/CNTs đã được xâyn dựng và tính toán sử dụng DFT với các điều kiện phù hợp. Hai cơ chế làm tăng hoạt tính quang xúc tác của vật liệu TiO2 pha V, N là (i) sự xuất hiện các mức năng lượng tạp chất gây ra bởi các nguyên tử V, N và (ii) các electron thừa gây ra bởi các nút khuyết O, các nút khuyết này có nguồn gốc từ sự pha tạp V, N vào vật liệu. Kết quả tính cho các cluster (TiO2)n chứng tỏ rằng các nguyên tử O và Ti bề mặt đóng vai trò quan trọng trong các quá trình quang hóa của phản ứng quang xúc tác. Mô phỏng lý thuyết chỉ ra rằng quá trình hấp phụ của các cluster (TiO2)n trên CNTs có bản chất là hấp phụ hóa học yếu; tương tác bền giữa chúng hình thành bởi tương tác giữa các orbital d trống của nguyên tử Ti và các electron trên bề mặt CNTs. Mật độ trạng thái của các nguyên tử C trên bề mặt CNTs quanh cluster TiO2 tăng, nâng cao khả năng trao đổi electron giữa TiO2 và CNTs và làm tăng hoạt tính quang xúc tác của vật liệu tổ hợp TiO2/CNTs.
3. Vật liệu TiO2 và TiO2 pha V được tổng hợp thành công bằng ba phương pháp: thủy nhiệt, sol-gel và đồng kết tủa; mẫu thu được có kích thước hạt nhỏ, đồng đều, thể hiện hoạt tính quang xúc tác cao. Trong đều kiện tổng hợp tối ưu (phương pháp thủy nhiệt, nồng độ tạp chất 0,5%, thời gian thủy nhiệt 5 giờ, dung môi có chứa axit oleic (OLA) mẫu thu được đơn pha anatase, kích thước hạt trung bình từ 10 ÷ 20 nm, bề rộng vùng cấm cỡ 2,90 eV, hoạt tính quang xúc tác cao – phân hủy hơn 90% lượng phenol sau 3 giờ chiếu sáng; các nguyên tử V thay vào vị trí của nguyên tử Ti trong mạng tinh thể TiO2. Hình dạng và kích thước hạt của các mẫu được điều chỉnh thông qua thay đổi độ phân cực của dung dịch thủy nhiệt bằng cách thay đổi nồng độ axit oleic. Mẫu sử dụng dung dịch thủy nhiệt với tỉ lệ TiCl4 : OLA : Ethanol = 1 : 8 : 20 có kích thước hạt nhỏ nhất (~ 10 nm) và hoạt tính quang xúc tác cao nhất. 4. Vật liệu tổ hợp TiO2/CNTs được chế tạo thành công bằng phương pháp thủy phân; điều kiện công nghệ thuận lợi để tổng hợp mẫu: hoạt hóa CNTs bằng dung dịch chứa ethanol, nước và Benzyl Alcohol với thể tích 10 ml; tỉ lệ khối lượng trong khoảng từ 3 đến 30. Các mẫu thu được đều xuất hiện các đỉnh đặc trưng của CNTs và TiO2 anatase, các hạt nano TiO2 bám dính đều trên bề mặt CNTs. Các mẫu tổ hợp có diện tích bề mặt riêng tăng cỡ 1,5 đồng thời hoạt tính quang xúc tác phân hủy RhB cao hơn cỡ 5 lần so với vật liệu TiO2 ban đầu.
