Nguyên lí hoạt động và một số ứng dụng quan trọng của vật liệu nano TiO2 - Trần Kim Cương

Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012 8 NGUYEÂN LÍ HOAÏT ÑOÄNG VAØ MOÄT SOÁ ÖÙNG DUÏNG QUAN TROÏNG CUÛA VAÄT LIEÄU NANO TiO2 Traàn Kim Cöông Tröôøng Ñaïi hoïc Thuû Daàu Moät TOÙM TAÉT Vaät lieäu coù caáu truùc nano noùi chung vaø nano TiO2 noùi rieâng ngaøy caøng coù öùng duïng nhieàu vaø quan troïng trong khoa hoïc kó thuaät vaø ñôøi soáng haøng ngaøy. ÖÙng duïng ñaëc bieät quan troïng cuûa nano TiO2 laø trong lónh vöïc quang xuùc taùc laøm saïch vaø khöû ñoäc moâi tröôøng, trong lónh vöïc naêng löôïng söû duïng ñeå cheá taïo pin nhieân lieäu vaø pin maët trôøi quang ñieän hoaù, giaûi quyeát vaán ñeà an ninh naêng löôïng cho loaøi ngöôøi trong töông lai gaàn, trong lónh vöïc linh kieän ñieän töû ñeå löu tröõ vaø truyeàn daãn thoâng tin vôùi dung löôïng lôùn vaø theå tích nhoû. Nguyeân lí hoaït ñoäng vaø nhöõng öùng duïng cô baûn cuûa vaät lieäu nano TiO2 seõ ñöôïc ñeà caäp trong baøi baùo naøy. Töø khoaù: nano TiO2, quang xuùc taùc TiO2, öùng duïng TiO2, pin maët trôøi TiO2 * 1. Môû ñaàu Coâng ngheä vaät lieäu nano ñaõ vaø ñang môû ra moät trieån voïng öùng duïng lôùn lao trong cuoäc soáng cuûa toaøn nhaân loaïi. Caùc nghieân cöùu veà vaät lieäu nano trong hôn moät thaäp kæ qua ñaõ taïo ra nhöõng ñoät phaù quan troïng trong khoa hoïc vaø coâng ngheä. Nano TiO2 laø moät trong soá nhöõng vaät lieäu nano tieâu bieåu ñaõ ñöôïc nghieân cöùu vaø ñaõ ñaït ñöôïc nhöõng thaønh töïu ñaùng keå. Caùc nöôùc treân theá giôùi haøng naêm ñaõ ñaàu tö haøng chuïc tæ USD vaøo nghieân cöùu coâng ngheä cheá taïo, öùng duïng vaø saûn xuaát vaät lieäu nano TiO2; ñaõ phaùt trieån raát nhieàu phöông phaùp cheá taïo nano TiO2 töø nhieàu vaät lieäu ban ñaàu khaùc nhau. Khaû naêng öùng duïng cuûa vaät lieäu naøy cuõng raát phong phuù vaø ña daïng, ngoaøi những öùng duïng kinh ñieån nhö laøm chaát maøu traéng trong sôn, chaát deûo vaø giaáy, laøm chaát ñoän chöùc naêng, aéc quy titan vaø hoùa chaát Nhöõng öùng duïng môùi cuûa vaät lieäu TiO2 kích thöôùc nano laø hoaït ñoäng quang hoùa treân beà maët töï laøm saïch, nhaát laø vaät lieäu xaây döïng, duøng laøm lôùp phuû cho kính töï saïch, caùc öùng duïng ñieän töû vaø phaân huûy xuùc taùc quang hoùa, baûo veä ñoái vôùi böùc xaï töû ngoaïi cuûa maët trôøi, laøm saïch khoâng khí, phaân huûy dö löôïng thuoác tröø saâu, laøm saïch nöôùc thaûi, baûo veä moâi tröôøng, duøng laøm xuùc taùc trong caùc nhaø maùy phaùt ñieän laïnh vaø trong oâtoâ coù theå phaân huûy toái ña caùc nitô oxit phaùt ra töø quaù trình chaùy nhieân lieäu, vaät lieäu choáng noùng, söû duïng trong lĩnh vöïc naêng löôïng nhö pin nhieân lieäu vaø pin maët trôøi quang ñieän hoaù Trong baøi Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012 9 baùo naøy, chuùng toâi ñeà caäp ñeán nguyeân lí hoaït ñoäng trong nhöõng öùng duïng quan troïng nhaát cuûa nano TiO2 laø quang xuùc taùc, linh kieän ñieän töû vaø pin maët trôøi. 2. Quang xuùc taùc TiO2 Chaát xuùc taùc laø chaát coù taùc duïng laøm giaûm naêng löôïng hoaït hoaù cuûa phaûn öùng hoaù hoïc vaø khoâng bò maát ñi sau phaûn öùng. Neáu quaù trình xuùc taùc ñöôïc kích hoaït baèng aùnh saùng thì ñöôïc goïi laø söï quang xuùc taùc. Chaát coù tính naêng kích hoaït caùc phaûn öùng hoùa hoïc khi ñöôïc chieáu saùng goïi laø chaát quang xuùc taùc. Nhieàu hôïp chaát baùn daãn oxit vuøng caám roäng nhö TiO2, ZnO, In2O3... ñeàu coù tính naêng quang xuùc taùc, nhöng nano TiO2 laø moät vaät lieäu quang xuùc taùc ñieån hình. Hình 1: Cô cheá phaûn öùng treân beà maët quang xuùc taùc TiO2 [19] Khi haáp thuï aùnh saùng töû ngoaïi coù böôùc soùng ≥ 3,2 eV thì ñieän töû ôû vuøng hoaù trò chuyeån leân vuøng daãn vaø TiO2 trôû thaønh ôû traïng thaùi kích thích (hình 1). Vôùi naêng löôïng vuøng caám 3,2 eV haït nano TiO2 ôû traïng thaùi kích thích laø moät moâi tröôøng oâxi hoaù khöû maïnh nhaát trong caùc moâi tröôøng ñaõ bieát (baûng 1). Baûng 1: Theá oâxi hoùa cuûa moät soá chaát thoâng duïng [19] Chất ôxi hóa Thế ôxi hóa (V) Gốc hydroxyl (-OH) 2.8 Gốc sulfat 2.6 Ozon 2.1 Hydrogen peroxide (H2O2) 1.8 Thuốc tím (KMnO4) 1.7 Chlorine dioxide 1.5 Clo 1.4 Oxi 1.2 Brom 1.1 Iot 0.76 Töø baûng 1 ta thaáy nano TiO2 coù khaû naêng oâxi hoaù maïnh gaáp gaàn 1,5 laàn so vôùi ozon, gaáp 2,3 laàn so vôùi clo, gaáp 2,6 so vôùi oxi. Vôùi theá oâxi hoaù 3,2 V döôùi taùc ñoäng cuûa aùnh saùng töû ngoaïi nano TiO2 coù khaû naêng phaân huyû raát maïnh caùc chaát ñoäc haïi trong moâi tröôøng. H2O haáp thuï treân beà maët cuûa TiO2 bò caùc loã troáng oâxi hoaù sau ñoù taïo ra goác hydroxyl oâxi hoaù (OH)*. Tieáp theo, goác hydroxyl naøy phaûn öùng vôùi caùc chaát höõu cô. Neáu O2 toàn taïi trong quaù trình phaûn öùng, thì caùc goác (saûn phaåm trung gian cuûa caùc hôïp chaát höõu cô) vaø caùc phaân töû oâxi baét ñaàu phaûn öùng. Saûn phaåm cuoái cuøng cuûa söï phaân huyû caùc chaát höõu cô laø CO2 vaø nöôùc. Maët khaùc, ñieän töû (e - ) khöû oâxi vaø taïo ra ion sieâu oxide O. Ion sieâu oâxi naøy taïo ra peroxide, trôû thaønh saûn phaåm trung gian cuûa phaûn öùng oâxi hoaù, hoaëc taïo ra nöôùc thoâng qua hydrogen peroxide. Caùc phaûn öùng cuûa quaù trình quang xuùc taùc xaûy ra treân beà maët TiO2 coù theå ñöôïc moâ taû baèng nhöõng phaûn öùng sau: Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012 10 (2.1) (2.2) (2.3) (2.4) (2.5) (2.6) Treân cô sôû phaûn öùng quang xuùc taùc, TiO2 coù theå ñöôïc söû duïng ñeå laøm pin nhieân lieäu vaø laøm chaát xuùc taùc cho caùc quaù trình laøm saïch moâi tröôøng. 3. Moät soá öùng duïng tieâu bieåu cuûa quang xuùc taùc TiO2 TiO2 laø vaät lieäu khoâng coù ñoäc tính. Vì vaäy, ñaëc tính quang xuùc taùc cuûa noù coù theå ñöôïc söû duïng trong nhieàu muïc ñích khaùc nhau. Caùc goác hoùa hoïc hoaït ñoäng vaø caùc ñieän tích sinh ra khi nano TiO2 ñöôïc kích hoaït coù khaû naêng phaù huûy caùc chaát ñoäc höõu cô, naám moác [20,24]. Moät soá keát quaû ñaõ ñaït ñöôïc cuûa vieäc söû duïng vaät lieäu naøy trong lónh vöïc laøm saïch ñöôïc lieät keâ döôùi ñaây: TiO2 coù khaû naêng laøm saïch moâi tröôøng khoâng khí thoâng qua vieäc phaân huyû caùc hôïp chaát höõu cô ñoäc haïi nhö NOx , SOx, CO, NH3 [2,13,29,36] coù trong moâi tröôøng khoâng khí thaønh nhöõng chaát ñôn giaûn khoâng ñoäc haïi. Noù ñöôïc söû duïng trong caùc thieát bò loïc khoâng khí vaø khöû muøi trong beänh vieän, vaên phoøng, nhaø ôû... TiO2 coù khaû naêng phaân huyû caùc hôïp chaát gaây oâ nhieãm trong moâi tröôøng nöôùc nhö muoái clorua höõu cô [5], dioxin [5,31], tetrachlorethylene, trihalomethane vaø nhöõng chaát coù haïi khaùc [37]. Vieäc laøm saïch nöôùc döïa treân hieäu öùng quang xuùc taùc coù khaû naêng loaïi boû ion kim loaïi naëng trong nöôùc, khaéc phuïc ñöôïc nhöõng nhöôïc ñieåm cuûa caùc phöông phaùp laøm saïch truyeàn thoáng. Noù ñöôïc öùng duïng trong caùc boä loïc nöôùc sinh hoaït vaø laøm saïch nöôùc trong chu trình nuoâi troàng thuyû saûn kheùp kín. „TiO2 khaùng khuaån baèng cô cheá phaân huyû neân coù theå söû duïng ñeå dieät vi khuaån, virut, naám moác... [35,40,45]. „Döôùi taùc duïng cuûa böùc xaï töû ngoaïi (UV), TiO2 trôû thaønh moät moâi tröôøng kò nöôùc hay aùi nöôùc tuøy thuoäc vaøo baûn chaát vaät lieäu. Khaû naêng naøy ñöôïc öùng duïng ñeå taïo ra caùc beà maët töï taåy röûa hoaëc caùc thieát bò laøm laïnh thoâng qua vieäc taïo ñieàu kieän cho nöôùc bay hôi. Khaû naêng quang xuùc taùc cuûa nano TiO2 ñang ñöôïc nghieân cöùu trong coâng ngheä cheá taïo pin nhieân lieäu: Pin nhieân lieäu saûn sinh ra naêng löôïng döïa treân phaûn öùng taùch nöôùc. Maøng TiO2 ñoùng vai troø laø ñieän cöïc quang cuûa loaïi pin naøy [14]. Hình 2 moâ taû caáu truùc cuûa pin nhieân lieäu. Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012 11 Hình 2: Caáu truùc cuûa pin nhieân lieäu (1) ñieän cöïc TiO2; (2) ñieän cöïc ñoái Pt; (3) lôùp ngaên caûn söï daãn ion; (4) oáng laáy khí; (5) ñieän trôû taûi; (6) ñoàng hoà ño ñieän aùp [23] Khi beà maët ñieän cöïc TiO2 ñöôïc chieáu saùng bôûi aùnh saùng coù böôùc soùng thích hôïp (λ ≤ 415 nm) treân beà maët caùc ñieän cöïc xaûy ra caùc phaûn öùng sau [23]: TiO2 + h e - + h + (ở điện cực TiO2 ) (3.1) 2H2O + 4h + O2 + 4H + (ở điện cực Pt) (3.2) 4H + + 2e - H2 (3.3) Phaûn öùng toång hôïp cho caû quaù trình: 2H2O + 4h O2 + 2H2 (3.4) Doøng quang ñieän sinh ra seõ ñi töø ñieän cöïc ñoái plantin, qua maïch ngoaøi roài ñeán ñieän cöïc TiO2. Höôùng ñi naøy cho thaáy phaûn öùng oâxi hoùa (sinh ra oâxi) dieãn ra treân beà maët ñieän cöïc TiO2 vaø phaûn öùng khöû (sinh ra hydro) dieãn ra taïi ñieän cöïc platin. Ngöôøi ta ñaõ cheá taïo pin nhieân lieäu vôùi ñieän cöïc söû duïng oáng nano TiO2 ñeå taêng hieäu suaát cuûa phaûn öùng taùch nöôùc. Hieäu suaát löôïng töû taïi böôùc soùng 337nm ñaõ lôùn hôn 90% vaø toác ñoä thu ñöôïc löôïng khí hydro laø 24 ml/Wh. Hieäu suaát toång theå ñaït 6,8%. Cho ñeán naêm 2005, ñaây laø hieäu suaát cao nhaát thu ñöôïc ñoái vôùi pin quang ñieän hoùa söû duïng nano oxit titan [14]. 4. Pin maët trôøi Hieäu öùng quang ñieän hoaù: Khi coù söï tieáp xuùc giöõa ñieän cöïc vôùi dung dòch chaát ñieän li thì ôû beà maët tieáp xuùc giöõa chuùng xuaát hieän moät theá ñieän cöïc (hình 3). Khi ñieän cöïc ñöôïc chieáu saùng, xuaát hieän caùc caëp ñieän töû loã troáng khoâng caân baèng. Neáu dung dòch ñieän li laø moät chaát oâxi hoaù khöû thì trong maïch seõ xuaát hieän moät suaát quang ñieän ñoäng ñieän coù giaù trò phuï thuoäc vaøo baûn chaát cuûa vaät lieäu laøm ñieän cöïc vaø dung dòch ñieän li. Töø pheùp ño giaù trò cuûa suaát quang ñieän ñoäng, coù theå bieát ñöôïc trong vaät lieäu baùn daãn laøm ñieän cöïc quang coù chöùa taïp chaát hay khoâng. Hình 3: Nguyeân lí pin maët trôøi quang ñieän hoùa Pin maët trôøi quang ñieän hoaù laøm nhaïy quang baèng chaát maøu (DSSC): Caáu truùc xoáp vaø thôøi gian soáng cuûa haït taûi cao taïo ra moät öu ñieåm noåi baät cuûa nano TiO2 trong vieäc cheá taïo pin DSSC (photoelectrochemical dye sensiti- zed solar cell). Maøng moûng TiO2 nano xoáp coù beà maët haáp thuï taêng leân haøng nghìn Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012 12 laàn laøm taêng hieäu suaát quang ñieän cuûa DSSC. Caáu taïo DSSC ñôn giaûn, deã cheá taïo, giaù thaønh thaáp, deã phoå caäp roäng raõi. DSSC laø moät trong caùc giaûi phaùp ñang ñöôïc nghieân cöùu maïnh meõ ñeå caûi thieän hieäu suaát chuyeån ñoåi naêng löôïng maët trôøi thaønh naêng löôïng ñieän [22]. Trong caáu taïo cuûa DSSC, caùc haït nano tinh theå TiO2 ñöôïc söû duïng ñeå cheá taïo maøng ñieän cöïc quang [33,43,44]. Ñeå taêng hieäu suaát cuûa pin maët trôøi quang ñieän hoaù (PEC), vaät lieäu nano TiO2 treân ñieän cöïc quang ñöôïc phuû moät lôùp ñôn phaân töû chaát maøu (thöôøng laø hôïp chaát chöùa ruthenium) coù theå ñöôïc kích hoaït bôûi aùnh saùng vuøng khaû kieán ñeå taïo ra nguoàn ñieän töû. Khi ñoù PEC ñöôïc goïi laø DSSC. Ñoàng thôøi, ñieän cöïc nano TiO2 ñöôïc cheá taïo vôùi caáu truùc xoáp ñeå taêng cöôøng dieän tích beà maët haáp thuï aùnh saùng. Khi hoaït ñoäng, aùnh saùng kích thích chaát maøu S o treân beà maët TiO2 taïo ra caëp ñieän töû loã troáng: S o + hγ = S * /S + + e (4.1) Ñieän töû ñöôïc “tieâm” vaøo vuøng daãn cuûa TiO2, chuyeån ñoäng ñeán lôùp SnO2:F, qua maïch ngoaøi ñeå ñeán ñieän cöïc thu. Loã troáng bò khöû bôûi ion I - theo phaûn öùng: 2S + + 3I - = I - 3 + 2S o (4.2) Chaát maøu sau khi bò bò khöû trôû laïi traïng thaùi bình thöôøng (S o ), saün saøng cho moät chu trình tieáp theo. Taïi ñieän cöïc ñoái, ion I - 3 nhaän ñieän töû ñeå trôû laïi traïng thaùi ban ñaàu theo phaûn öùng: I - 3 + 2e = 3I - (4.3) vaø nhö vaäy chu trình hoaït ñoäng ñöôïc kheùp kín. Hình 4: Nguyeân lí hoaït ñoäng cuûa pin DSSC Hình 4 moâ taû nguyeân lí caáu taïo vaø hoaït ñoäng cuûa DSSC. Ñieàu khaùc bieät ôû ñaây laø söï taùch ñieän tích trong caùc DSSC döïa treân quaù trình chuyeån electron töø phaân töû chaát maøu tôùi TiO2 vaø loã troáng töø chaát maøu tôùi chaát ñieän phaân. Kích thöôùc caùc haït rieâng bieät ôû ñieän cöïc caáu truùc nano laø quaù nhoû ñeå hình thaønh lôùp ñieän tích khoâng gian beân trong caùc haït [16]. Chaát ñieän phaân bao quanh caùc haït kích thöôùc nano chaén moïi ñieän tröôøng toàn taïi [32]. Nhöng coù söï toàn taïi cuûa ñieän tröôøng ôû maët phaân caùch chaát ñieän phaân ‟ baùn daãn giuùp vieäc taùch caùc ñieän tích vaø laøm giaûm taùi hôïp. Maïng haït nano baùn daãn khoâng chæ cho dieän tích beà maët lôùn cho caùc phaân töû chaát maøu huùt baùm, noù coøn laø moâi tröôøng chuyeån ñoái vôùi caùc ñieän töû tieâm töø caùc phaân töû chaát maøu. Kích thöôùc nhoû cuûa caùc haït nano ngaên caûn söï hình thaønh lôùp ñieän tích khoâng gian vaø ñieän tröôøng noäi beân trong caùc haït vaø vì vaäy söï chuyeån caùc ñieän töû khoâng theå laø cuoán trong ñieän tröôøng. Caùc quaù trình taùi hôïp chæ ôû maët phaân caùch chaát ñieän li ‟ baùn daãn [17]. Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012 13 Trong caùc pin maët trôøi Si, söï taùi hôïp cuûa caùc haït taûi ñieän ôû caùc traïng thaùi baãy ôû caùc beà maët, caùc bieân haït vaø trong khoái deã daøng laøm suy giaûm hieäu suaát pin. Vì vaäy ñoøi hoûi vaät lieäu baùn daãn phaûi coù ñoä tinh khieát tinh theå cao. Ngöôïc laïi, trong ñieän cöïc nano TiO2 laøm nhaïy baèng chaát maøu, coù moät dieän tích beà maët khoång loà. Tuy nhieân, trong DSSC söï maát maùt vì taùi hôïp laø nhoû do caùc ñieän töû ñöôïc chuyeån qua caùc haït baùn daãn, trong khi caùc loã troáng laïi ñöôïc trung hoaø bôûi chaát ñieän phaân. Noùi khaùc, DSSC laøm vieäc nhö duïng cuï haït taûi chuû yeáu, töông töï chuyeån tieáp baùn daãn ‟ kim loaïi hay ñi-oât Shottky [15]. Hieäu suaát cuûa pin maët trôøi ñöôïc xaùc ñònh baèng bieåu thöùc: OC SCm C C FF.V .IP η E.A E.A (4.4) vôùi Pm laø ñieåm coâng suaát ra cöïc ñaïi cuûa pin, E laø coâng suaát aùnh saùng chieáu vaøo pin vaø Ac laø dieän tích cuûa pin, Isc laø doøng ngaén maïch, Voc laø theá hôû maïch cuûa pin. Heä soá laáp ñaày FF bieåu thò tính chaát toång theå cuûa pin laø tæ soá: Cm OC SC OC SC η.A .EP FF V .I V .I (4.5) Ñieän aùp cöïc ñaïi gaây ra bôûi pin laø söï khaùc nhau giöõa möùc Fermi cuûa TiO2 vaø theá oâxi hoùa ‟ khöû (redox) cuûa chaát ñieän phaân, khoaûng 0,7 V (Voc). Ñieän aùp cuûa caùc DSSC cho giaù trò Voc cao hôn so vôùi Si (0,6 V). Chaát maøu coù hieäu quaû cao ñeå chuyeån naêng löôïng cuûa caùc photon thaønh naêng löôïng cuûa caùc electron, nhöng chæ caùc photon coù ñuû naêng löôïng ñeå chuyeån electron cuûa phaân töû chaát maøu leân traïng thaùi kích thích môùi daãn ñeán vieäc taïo ra doøng ñieän. Naêng löôïng naøy ñoái vôùi caùc chaát maøu ñaõ ñöôïc nghieân cöùu thöôøng lôùn hôn ñoä roäng vuøng caám cuûa Si coù nghóa laø coù ít hôn photon trong aùnh naéng maët trôøi coù theå söû duïng ñeå phaùt sinh electron. Theâm nöõa, chaát ñieän phaân haïn cheá toác ñoä maø ôû ñoù caùc phaân töû chaát maøu coù theå laáy laïi caùc electron cuûa chuùng ñeå trôû veà traïng thaùi ban ñaàu. Nhöõng nhaân toá naøy giôùi haïn doøng phaùt ra bôûi DSSC. Ñeán nay hieäu suaát cuûa DSSC ñaõ ñaït ñöôïc khoaûng 11% [1,11]. DSSC hoaït ñoäng theo cô cheá hoaøn toaøn khaùc pin Si truyeàn thoáng, maëc duø hieäu suaát hieän taïi thaáp hôn so vôùi pin maët trôøi Si, nhöng caáu taïo ñôn giaûn vaø deã cheá taïo hôn, giaù thaønh thaáp öôùc tính chæ baèng 1/5 pin Si, neân noù trôû thaønh söï löïa choïn haøng ñaàu cuûa khoa hoïc khi ñi tìm lôøi giaûi cho vaán ñeà an ninh naêng löôïng cuûa loaøi ngöôøi. Hieäu suaát cuûa DSSC coù theå taêng leân tröôùc heát baèng caùch taêng Voc vaø Isc vaø sau ñoù laø taêng FF. Nhöõng ñaïi löôïng naøy phuï thuoäc vaøo phaåm chaát vaø caáu truùc ñieän cöïc, maø tröôùc heát phuï thuoäc vaøo phaåm chaát vaø tính chaát cuûa maøng nano TiO2. Ñieàu naøy coù ñöôïc baèng nghieân cöùu caûi tieán coâng ngheä cheá taïo vaät lieäu. 5. Linh kieän ñieän töû TiO2 ñöôïc söû duïng nhö moät coång caùch ñieän trong transistor tröôøng (FET) [28], hoaëc ñeå laøm detector ño böùc xaï haït nhaân [4]. Khi pha taïp theâm caùc taïp chaát thích hôïp seõ taïo neân caùc möùc naêng löôïng taïp chaát Ea naèm ôû vuøng caám, neáu caùc ñieän töû Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012 14 ñoàng loaït chuyeån töø möùc kích thích veà caùc möùc naêng löôïng cô baûn thì vaät lieäu seõ phaùt ra caùc böùc xaï mong muoán. Cöûa soå ñoåi maøu hoaït ñoäng döïa treân nguyeân lí naøy. Möùc naêng löôïng taïp chaát chuyeån dôøi coù theå ñieàu khieån nhôø ñieän tröôøng, do vaäy tuyø theo söï ñieàu khieån cuûa ñieän tröôøng maø coù ñöôïc maøu saéc thay ñoåi töùc thôøi [18,34]. TiO2 cuõng ñöôïc söû duïng laøm caùc lôùp choáng phaûn xaï giuùp taêng cöôøng hieäu suaát cuûa khueách ñaïi quang baùn daãn (laser) GaInAs/AlGaInAs [25]. Do TiO2 coù heä soá chieát suaát raát lôùn, sôïi caùp quang hoaëc caùc cöûa soå quang hoïc phuû vaät lieäu naøy hoaït ñoäng theo nguyeân lí phaûn xaï lieân tieáp seõ phaûn xaï toaøn phaàn, neân seõ laøm giaûm toái ña söï suy hao aùnh saùng (tín hieäu). Ñaëc tính xoáp cuûa maøng TiO2 laøm cho noù coù khaû naêng haáp thuï chaát khí raát toát. Ñaëc tính naøy ñaõ ñöôïc nhieàu taùc giaû nghieân cöùu ñeå laøm sensor khí xaùc ñònh noàng ñoä hôi röôïu, noàng ñoä caùc chaát khí ñoäc coù trong moâi tröôøng nhö CO, NO... Maøng TiO2 vôùi caáu truùc pha rutile raát nhaïy khí O2 neân noù ñöôïc söû duïng ñeå xaùc ñònh noàng ñoä O2 trong caùc loø luyeän kim [9,12,27,30,42]. Maøng TiO2 coøn ñöôïc söû duïng laøm sensor xaùc ñònh ñoä aåm [7]. Vaät lieäu maøng moûng vôùi neàn laø TiO2 khi pha theâm caùc haït saét töø ñöôïc goïi laø baùn daãn töø loaõng, chuùng coù naêng löôïng töø dò höôùng cao vaø momen töø vuoâng goùc vôùi maët phaúng tinh theå, coù khaû naêng löu giöõ thoâng tin vôùi maät ñoä raát lôùn. Maøng moûng töø ña lôùp coù töø trôû khoång loà ñöôïc söû duïng ñeå ño töø tröôøng raát thaáp [3, 10, 21, 38, 39, 41]. Tröôùc nhöõng öùng duïng quan troïng, ña daïng vaø phong phuù, vaät lieäu TiO2 ñang ñöôïc raát nhieàu nhoùm taùc giaû treân theá giôùi nghieân cöùu cheá taïo. Soá löôïng caùc nghieân cöùu môùi khoâng ngöøng ñöôïc gia taêng do caùc öùng duïng coâng ngheä cuûa vaät lieäu naøy [6]. Thí duï, maøng TiO2 ñöôïc söû duïng laøm lôùp choáng aên moøn, xuùc taùc trong hoaù hoïc [26], caùc duïng cuï phaùt quang (PL) (luminescence) [8]... 6. Keát luaän Khaû naêng quang xuùc taùc kæ luïc cuûa TiO2 cuøng caùc tính chaát quí baùu khaùc ñaõ môû ra trieån voïng öùng duïng roäng raõi vaät lieäu naøy trong nhieàu lónh vöïc quan troïng nhö coâng ngheä moâi tröôøng, chuyeån ñoåi naêng löôïng maët trôøi, caùc duïng cuï quang töû vaø quang ñieän töû Hieän taïi vôùi söï phaùt trieån maïnh cuûa nhieàu ngaønh kinh teá ñaõ taïo ra söï oâ nhieãm moâi tröôøng nghieâm troïng keå caû veà maët hoaù hoïc laãn sinh hoïc, nhieàu nôi treân theá giôùi ñaõ xuaát hieän tình traïng maát caân baèng sinh thaùi. Nano TiO2 vôùi khaû naêng quang xuùc taùc cao ñöôïc kì voïng trôû thaønh vaät lieäu ñaéc löïc cho loaøi ngöôøi trong vieäc khöû ñoäc vaø laøm saïch moâi tröôøng. Nhieàu thieát bò laøm saïch moâi tröôøng nöôùc vaø khoâng khí ñaõ ñöôïc cheá taïo ôû qui moâ coâng nghieäp. Nhieàu cheá phaåm chöùa nano TiO2 coù hoaït tính khaùng sinh ñaõ ñöôïc saûn xuaát thaønh thöông phaåm. Ñieàu quan troïng khaùc laø vaán ñeà naêng löôïng. Caùc döï baùo khoa hoïc cho bieát, nhu caàu naêng löôïng caàn cho loaøi ngöôøi seõ taêng gaáp ñoâi trong voøng 50 naêm tôùi vaø luùc ñoù caùc nguoàn nhieân lieäu hoaù thaïch chuû yeáu Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012 15 seõ caïn kieät. Trong khi ñoù, Traùi ñaát luoân nhaän ñöôïc nguoàn naêng löôïng haøng naêm töø Maët trôøi khoaûng 3.1024 J, nhieàu hôn khoaûng 10.000 nhu caàu naêng löôïng cuûa con ngöôøi hieän taïi. Öôùc tính chæ caàn söû duïng 0,1% dieän tích beà maët Traùi ñaát vôùi caùc pin maët trôøi hieäu suaát chuyeån ñoåi 10% ñaõ coù theå ñaùp öùng nhu caàu naêng löôïng hieän taïi. Hôn nöõa, ñaây laø nguoàn naêng löôïng sieâu saïch, taïi choã vaø voâ taän. Tuy nhieân, vieäc khai thaùc nguoàn naêng löôïng naøy vaãn coøn laø moät thaùch thöùc lôùn ñoái vôùi khoa hoïc vaø coâng ngheä. Nhöõng phaùt minh gaàn ñaây veà DSSC treân cô sôû maøng ñieän cöïc nano TiO2 ñaõ môû ra cô hoäi cho vieäc öùng duïng daân duïng. Tuy nhieân, vieäc saûn xuaát DSSC laø bí quyeát coâng ngheä rieâng cuûa caùc haõng treân theá giôùi. Maët khaùc, vaán ñeà caûi thieän hieäu suaát vaø naâng cao ñoä beàn cuûa caùc DSSC vaãn ñang coøn laø nhöõng thaùch thöùc lôùn veà khoa hoïc vaø coâng ngheä. Ñieàu naøy ñoái vôùi caùc nhaø khoa hoïc vaãn coøn laø caùnh cöûa roäng môû ñang ôû phía tröôùc. * PRINCIPLES OF OPERATION AND SOME IMPORTANT APPLICATIONS OF NANO TiO2 MATERIAL Tran Kim Cuong Thu Dau Mot University ABSTRACT Materials of nano structure and nano TiO2 have increasingly been applied in tech- science and everyday life. Specially important applications of nano TiO2 are in area of the photocatalysis to clean and decontaminate the environment. In the area of the energy, the application to make fuel-cell and Photoelectrochemical solar cells can solve problems of the energy security for humanity in the near future. In the area of the electric components, the application has been used to store and communicate information with large capacity and small volume. Principles and essential applications of nano TiO2 material will be mentioned in this paper. Keywords: nano TiO2, photocatalysis TiO2, applying TiO2, solar cell TiO2 TAØI LIEÄU THAM KHAÛO [1] American Chemical Society, “Ultrathin, Dye-sensitized Solar Cells Called Most Efficient To Date”, Science Daily, 20 September 2006. [2] Arghya Narayan Banerjee (2011), “The design, fabrication, and photocatalytic utility of nanostructured semiconductors: focus on TiO2-based nanostructures”, Nanotechnology, Science and Applications 4, pp. 35‟65. [3] Ariake Jun, Chiba Takashi, Honda Naoki (2005), “Magnetic property and microstructure of CoPt-TiO2 thin films for perpendicular magnetic recording media”, Nippon Oyo Jiki Gakkai Kenkyukai Shiryo 144, pp. 33 ‟ 39. Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012 16 [4] Arshak K., Corcoran J., Korostynska O. (2005), “Gamma radiation sensing properties of TiO2, ZnO, CuO and CdO thick film pn-junctions”, Sensors and Actuators A 123‟124, pp. 194 ‟ 198. [5] Binbin Yu, Jingbin Zeng, Lifen Gong, Maosheng Zhang, Limei Zhang, Xi Chen (2007), “Investigation of the photocatalytic degradation of organochlorine pesticides on a nano-TiO2 coated film”, Talanta 72, pp. 1667‟1674. [6] Castillo N., Olguin D., and Conde-Gallardo A. (2004), “Structural and morphological properties of TiO2 thin films prepared by spray pyrolysis”, Rev. Mex. Fis. 50 (4), pp. 382 ‟ 387. [7] Chang Wen-Yang, Lin Yu-Cheng, Ke Wen-Wang, Hsieh Yu-Sheng, Kuo Nai-Hao (2005), “Combined TiO2/SnO2 material with adding Pt by sol-gel technology for humidity sensor”, Progress on Advanced Manufacture for Micro/Nano Technology 2005 505-507 (2), pp. 397 ‟ 402. [8] Conde-Gallardo A., García-Rocha M., Hernaùndez-Calderoùn I., and Palomino- Merino R. (2001), “Photoluminescence properties of the Eu3+ activator ion in the TiO2 host matrix”, Appl. Phys. Lett. 78, pp. 3436 ‟ 3438. [9] Dang Thi Thanh Le, Dang Duc Vuong, Nguyen Van Duy, Nguyen Van Hieu, and Nguyen Duc Chien (2005), “Preparation and characterization of nanostructured TiO2 and SnO2 materials for gas sensor applications”, Proceedings of the eighth German ‟ Vietnamese seminar on physics and engineering, Hanoi University of Technology, Vietnam, pp. 122 ‟ 125. [10] Deng Lu Hou, Hai Juan Meng, Li Yun Jia, Xiao Juan Ye, Hong Juan Zhou and Xiu Ling Li (2007), “Impurity concentration study on ferromagnetism in Cu-doped TiO2 thin films”, Euro Physics Letter (EPL) 78 (6), pp.7001 ‟ 7005. [11] Gao, F; Wang, Y; Zhang, J; Shi, D; Wang, M; Humphry-Baker, R; Wang, P; Zakeeruddin, Sm; Grätzel, M (2008). “A new heteroleptic ruthenium sensitizer enhances the absorptivity of mesoporous titania film for a high efficiency dye- sensitized solar cell”. Chem. Commun 23, pp. 2635‟2637. (doi:10.1039/b802909a. PMID 18535691). [12] Garzella C., Comini E., Tempesti E., Frigeri C., Sberveglieri G. (2000), “TiO2 thin films by a novel sol-gel processing for gas sensor applications”, Sensors and Actuators B 68, pp. 189 ‟ 196. [13] Giuseppe Cappelletti, Silvia Ardizzone, Claudia L. Bianchi, Stefano Gialanella, Alberto Naldoni, Carlo Pirola, Vittorio Ragaini (2009), “Photodegradation of Pollutants in Air: Enhanced Propertiesof Nano-TiO2 Prepared by Ultrasound”, Nanoscale Res Lett 4, pp. 97‟105. (DOI 10.1007/s11671-008-9208-3). Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012 17 [14] Gopal K. Mor, Karthik Shankar, Maggie Paulose, Oomman K. Varghese, and Grimes Craig A. (2005), “Enhanced Photocleavage of Water Using Titanita Nanotube Arrays”, Nano letters 5 (1) , pp. 191 ‟195. [15] Green M.A. (1982), Solar Cells, Operating Principles, Technology, and System Applications, Englewood Cliffs N.J., Prentice‟Hall, Inc., 276 s., 0‟13‟822270‟3. [16] Hagfeldt A., Grätzel M. (1995), “Light-Induced Redox Reactions in Nanocrystalline Systems”, Chem. Rev. 95, pp. 49 ‟ 68. [17] Hagfeldt A., Grätzel M. (2000), “Molecular Photovoltaic”, Acc. Chem. Res. 33 (5), pp. 269 ‟ 277. [18] [19] [20] [21] Jianxun Qiu, Mingyuan Gu (2005), “Magnetic nanocomposite thin films of BaFe12O19 and TiO2 prepared by sol-gel method”, Applied Surface Science 252 (4), pp. 888 ‟ 892. [22] Kamat P.V. and Dimitrijevic N.M. (1990), “Colloidal semiconductors as photocatalysts for solar energy conversion”, Solar Energy 44 (2), pp. 83 ‟ 89. [23] Kazuhito Hashimoto, Hiroshi Irie and Akira Fujishima (2005), “TiO2 photocatalytic activity: a historical overview and future prospects” (part 1), Japanese journal of applied physics 44 (12), pp. 8269 ‟ 8285. [24] Kim Jin Ho, Kim Sae Hoon, and Shiratori Seimei (2004), “Fabrication of nanoporous and hetero structure thin film via a layer-by-layer self assembly method for a gas sensor”, Sensors and Actuators B-Chemical 102 (2), pp. 241 ‟ 247. [25] Lee J., Tanaka T., Uchiyama S., Tsuchiya M., Kamiya T. (1997), “Broadband double-layer antireflection coatings for semiconductor laser amplifiers”, Japanese Journal of Applied Physics 36 (2), pp. L52 ‟ L54. [26] Linsebigler A.L, Lu G., and Yates J.T. (1995), “Photocatalysis on TiO2 surfaces: Principles, mechanism, and selected results”, Chem. Rev. 95, pp. 735 ‟ 758. [27] Marta Radecka, Katarzyna Zakrzewska, Mieczysław Rekas (1998), “SnO2-TiO2 solid solutions for gas sensors”, Sensors and Actuators B, 47, pp. 194 ‟ 204. [28] Masao Katayama, Shinya Ikesaka and Jun Kuwano, Yuichi Yamamoto, Hideomi Koinuma, Yuji Matsumoto (2006), “Field-effect transistor based on atomically flat rutile TiO2”, Appl. Phys. Lett. 89 (24), pp. 2103-1 ‟ 2103-3 (3 pages). [29] Muhammad Faisal Irfan, Ahsanulhaq Qurashi, and Mir Wakas Alam (2010), “Metal oxide nanostructures and nanocomposites for selective catalytic reduction of Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012 18 NOx: a review”, The Arabian Journal for Science and Engineering 35 (1C), pp. 79 ‟ 92. [30] Nickolay Golego, Studenikin S.A., and Michael Cocivera (2000), “Sensor Photoresponse of Thin-Film Oxides of Zinc and Titanium to Oxygen Gas”, J. Elec.chem. Soc. 147 (4), pp. 1592 ‟ 1594. [31] Nora Savage and Mamadou S. Diallo (2005), “Nanomaterials and water purification: Opportunities and challenges”, Journal of Nanoparticle Research 7, pp. 331‟342. [32] Pichot F., Gregg B.A. (2000), “The Photovoltage-Determining Mechanism in Dye- Sensitized Solar Cells”, J. Phys. Chem. B 104, pp. 6 ‟ 10. [33] Pravin S. Shinde, Pramod S. Patil, Popat N. Bhosale, and Chandrakant H. Bhosalew (2008), “Structural, Optical, and Photoelectrochemical Properties of Sprayed TiO2 Thin Films: Effect of Precursor Concentration”, J. Am. Ceram. Soc. 91 (4), pp. 1266 ‟ 1272. [34] Rachel Cinnsealach, Gerrit Boschloo, Nagaraja Rao S. and Donald Fitzmaurice (1999), “Coloured electrochromic windows based on nanostructured TiO2 films modified by adsorbed redox chromophores”, Solar Energy Materials and Solar Cells 57 (2), pp. 107 ‟ 125. [35] Ruifen Xu, Xiaoling Liu, Peng Zhang, Hao Ma, Gang Liu and Zhengyan Xia, “The photodestruction of virus in Nano-TiO2 suspension”, Journal of Wuhan University of Technology ‟ materials science edition 22 (3), pp. 422-425, (DOI: 10.1007/s11595-006-3422-6). [36] R. Vinu AND Giridhar Madras (2010), “Environmental remediation by Photocatalysis”, Journal of the Indian Institute of Science 90 (2), pp. 189 ‟ 230. [37] Satinder K. Brar, Mausam Verma, R.D. Tyagi, R.Y. Surampalli (2010), “Engineered nanoparticles in wastewater and wastewater sludge – Evidence and impacts”, Waste Management 30, pp. 504‟520. [38] Song Hong-Qiang, Mei Liang-Mo, Zhang Yun-Peng, Yan Shi-Shen, Ma Xiu-Liang, Yong Wang, Ze Zhang, Chen Liang-Yao (2007), “Magneto-optical Kerr rotation in amorphous TiO2/Co magnetic semiconductor thin films”, Physica. B, Condensed matter 388 (1-2), pp. 130 ‟ 133. [39] Tamura Takashi, Nihei Yukari (2002), “Non-magnetic substrate including TiO2 for a magnetic head and magnetic head”, United States Patent 6426848. [40] Tienphongonline 17-10-2011. [41] Torres C.E. Rodríguez, Golmar F., Cabrera A.F., Errico L., Navarro A.M. Mudarra, Rentería M., Saùnchez F.H. and Duhalde S. (2007), “Magnetic and structural study of Cu-doped TiO2 thin films”, Applied Surface Science 254 (1), pp. 365 ‟ 367. Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012 19 [42] Wisitsoraat A. and Tuantranont A., Comini E. and Sberveglieri G., Wlodarski W. (2006), “Gas-Sensing Characterization of TiO2-ZnO Based Thin Film”, IEEE SENSORS 2006, EXCO, Daegu, Korea, pp. 964 ‟ 967. [43] Yacobi B.G. (2004), Semiconductor Materials, Kluwer Academic Publishers, New York, Boston, Dordrecht, London, Moscow. [44] Yanqin Wang, Yanzhong Hao, Humin Cheng, Jiming Ma, Bin Xu, Weihua Li, Shengmin Cai (1999) “The photoelectrochemistry of transition metal-ion-doped TiO2 nanocrystalline electrodes and higher solar cell conversion efficiency based on Zn2+-doped TiO2 electrode”, J. Mater. Sci. 34, pp. 2773 ‟ 2779. [45] Y. W. H. Wong, C. W. M. Yuen, M. Y. S. Leung, S. K. A. Ku, and H. L. I. Lam, “Selected applications of nanotechnology in textiles”, AUTEX Research Journal 6 (1), March 2006 © AUTEX, 8 pages.