Nghiên cứu chế tạo nano TiO2 và ứng dụng màng phủ trên gốm sứ - Nguyễn Thị Hồng Phượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thị Hồng Phượng NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO NANO TiO2 VÀ ỨNG DỤNG TẠO MÀNG PHỦ TRÊN VẬT LIỆU GỐM SỨ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC Hà Nội - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thị Hồng Phượng NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO NANO TiO2 VÀ ỨNG DỤNG TẠO MÀNG PHỦ TRÊN VẬT LIỆU GỐM SỨ Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số: 62520301 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PHÙNG LAN HƯƠNG Hà Nội - 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thị Hồng Phượng NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO NANO TiO2 VÀ ỨNG DỤNG TẠO MÀNG PHỦ TRÊN VẬT LIỆU GỐM SỨ DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Hà Nội - 2014 Lời cảm ơn Đầu tiên, tôi chân thành cảm ơn Bộ Giáo dục và Đào tạo, trường Đại học Bách khoa Hà Nội và viện Kỹ thuật Hóa học đã tạo điều kiện cho tôi được học tập và làm nghiên cứu sinh, đã quan tâm động viên tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ lời cám ơn chân thành và sự kính trọng đối với TS. Nguyễn Văn Xá và TS.

Phùng Lan Hương, các thầy cô đã nhận tôi là nghiên cứu sinh và hướng dẫn trong suốt quá trình tôi thực hiện bản luận án này. Các thầy cô đã tận tình chỉ bảo cả về lĩnh vực khoa học cũng như trong cuộc sống. Tôi đã học được rất nhiều từ những điều chỉ dẫn, những buổi thảo luận chuyên môn và phong cách khoa học trong công việc của các thầy cô. Tôi cảm phục những hiểu biết sâu sắc về chuyên môn, những khả năng cũng như sự tận tình của các thầy cô.

Tôi cũng rất biết ơn sự kiên trì của các thầy cô đã đọc cẩn thận và góp ý kiến cho bản thảo của luận án. Những kiến thức mà tôi nhận được từ các thầy cô không chỉ là bản luận án mà trên hết là cách nhìn nhận, đánh giá cũng như phương thức giải quyết vấn đề một cách toàn diện trong khoa học và sự trải nghiệm của cuộc sống. Tôi luôn kính trọng và biết ơn các thầy cô. Tôi xin trân trọng cám ơn GS.

TS Phạm Văn Thiêm, GS. TS Nguyễn Hữu Tùng, GS. TSKH Nguyễn Bin, PGS. Trần Trung Kiên, TS.

Nguyễn Quang Bắc, Bộ môn Quá trình - Thiết bị, Bộ môn Hóa vô cơ - đại cương và các đồng nghiệp, đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện các thực nghiệm của luận án, đồng thời có những đóng góp gợi mở quý báu trong quá trình tôi hoàn thiện luận án. Cuối cùng, tôi muốn giành lời cảm ơn cho những người thân yêu nhất của tôi. Bản luận án này là món quà quý giá tôi xin được tặng cho cha mẹ và gia đình thân yêu của tôi. Hà Nội, tháng 3 năm 2014 Tác giả luận án Nguyễn Thị Hồng Phượng LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của TS.

Nguyễn Văn Xá và TS. Phùng Lan Hương. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳ một công trình nào. Tác giả luận án Nguyễn Thị Hồng Phượng MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 Vật liệu TiO2 và ứng dụng .1 Tóm tắt lịch sử phát triển của TiO2 .2 Cấu trúc của vật liệu TiO2 .3 Cơ chế của phản ứng quang xúc tác với TiO2 kích thước nano mét .4 Vật liệu nano TiO2 .1 Hiện tượng thấm ướt.2 Hiện tượng siêu thấm ướt của TiO2 .3 Cơ chế siêu thấm ướt của màng TiO2 ở dạng anatase .2 Ứng dụng của TiO2 .1 Ứng dụng của TiO2 trên thế giới.2 Ứng dụng của TiO2 tại Việt Nam .3 Ứng dụng của màng nano TiO2 .3 Các phương pháp chế tạo vật liệu quang xúc tác TiO2 .1 Phương pháp sol-gel .1 Quá trình sol-gel .2 Nghiên cứu chế tạo nano TiO2 bằng phương pháp sol-gel.2 Phương pháp micell thuận và micelle đảo [Hóa học nano] .4 Phương pháp thủy nhiệt.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .1 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị sử dụng .2 Dụng cụ thí nghiệm.3 Thiết bị phục vụ chế tạo và nghiên cứu .2 Phương pháp nghiên cứu chế tạo vật liệu nano TiO2 từ TTIP .1 Phương pháp nghiên cứu chế tạo sol nano TiO2 theo phương pháp sol-gel .3 Phương pháp nghiên cứu chế tạo màng nano TiO2 để thực hiện quy hoạch thực nghiệm. Phương pháp nghiên cứu chế tạo màng nano TiO2 .1 Phương pháp chế tạo sol TiO2 -P25 từ P25 (Degussa) .2 Phương pháp chế tạo màng nano TiO2.4 Phương pháp thực nghiệm đánh giá hiệu suất diệt khuẩn và nấm .5 Quy hoạch thực nghiệm .2 Xác định cấu trúc của hệ .3 Xác định hàm toán mô tả hệ .4 Xác định các tham số của mô hình thống kê .5 Cơ sở chọn tâm thí nghiệm .6 Kiểm tra tính có nghĩa của hệ số hồi quy .7 Kiểm tra tính tương hợp của mô hình thống kê .6 Phương pháp quy hoạch hóa bậc 1 và bậc 2 [15,16] .1 Quy hoạch tuyến tính bậc 1 .2 Quy hoạch thực nghiệm bậc 2 .3 Xác định các giá trị tối ưu của hàm mục tiêu .7 Các phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu .1 Phương pháp nhiễu xạ Rơn-ghen (XRD) .2 Phương pháp quét hiển vi điện tử (SEM) .3 Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua (TEM) .4 Phương pháp đường hấp phụ và khử hấp phụ ( BET)[14, 58] .5 Phương pháp đo phổ hấp thụ UV-Vis.6 Phương pháp AFM [130] .7 Phương pháp phổ tán xạ micro-Raman .8 Kết luận chương 2. QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM VÀ TỐI ƯU HÓA CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÀNG NANO TiO2 TRÊN CERAMIC.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ đến cấu trúc, kích thước tinh thể nano TiO2 và hiệu suất diệt khuẩn và diệt nấm của màng nano TiO2 trên ceramic .1 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ TTIP ban đầu đến cấu trúc, kích thước tinh thể nano TiO2 và hiệu suất diệt khuẩn, nấm của màng nano TiO2 trên ceramic .2 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến cấu trúc, kích thước tinh thể nano TiO2 và hiệu suất diệt khuẩn, nấm của màng nano TiO2 trên ceramic .3 Khảo sát ảnh hưởng của thể tích axit HNO3 đến cấu trúc, kích thước tinh thể nano TiO2 và hiệu suất diệt khuẩn, nấm của màng nano TiO2 trên ceramic .4 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung đến cấu trúc, kích thước tinh thể nano TiO2 và hiệu suất diệt khuẩn, nấm của màng nano TiO2 trên ceramic .2 Tối ưu hóa công nghệ chế tạo tạo màng nano TiO2 .1 Chọn các yếu tố ảnh hưởng.2 Thực hiện quy hoạch thực nghiệm bậc một hai mức tối ưu .1 Xây dựng mô tả thống kê công nghệ chế tạo màng nano TiO2 để thu được hiệu suất diệt khuẩn lớn nhất theo quy hoạch thực nghiệm bậc một .2 Xây dựng mô tả thống kê công nghệ chế tạo màng nano TiO2 để thu được hiệu suất diệt nấm lớn nhất theo quy hoạch thực nghiệm bậc 1.3 Thực hiện quy hoạch thực nghiệm bậc hai trực giao .1 Xây dựng mô tả thống kê công nghệ chế tạo màng nano TiO2 để thu được hiệu suất diệt khuẩn lớn nhất theo quy hoạch thực nghiệm bậc hai .2 Xây dựng mô tả thống kê công nghệ chế tạo màng nano TiO2 để thu được hiệu suất diệt nấm lớn nhất theo quy hoạch thực nghiệm bậc hai .4 Tối ưu hóa công nghệ tạo màng trên ceramic .3 Cơ chế diệt khuẩn và diệt nấm của màng nano TiO2 .4 Kết luận chương 3. NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CƠ LÝ HÓA VÀ KHẢ NĂNG DIỆT KHUẨN, DIỆT NẤM CỦA MÀNG NANO TiO2 .1 Nghiên cứu chế tạo sol nano TiO2 từ TTIP theo phương pháp sol-gel .2 Đặc trưng vật liệu TiO2 tối ưu tổng hợp bằng phương pháp sol-gel.1 Kết quả phân tích bằng phương pháp nhiễu xạ tia X .2 Kiểm tra phân tích mẫu qua hiển vi điện tử quét (SEM) .3 Kết quả phân tích bằng phổ tán xạ Raman .4 Kết quả phổ hấp thụ UV-Vis .6 Kết quả phân tích ảnh hiển vi điện tử (TEM) .3 Đặc trưng màng nano TiO2 trên ceramic chế tạo bằng phương pháp phun phủ .2 Ảnh hiển vi lực nguyên tử AFM .4 Khảo sát một số tính chất hóa lý của màng nano TiO2 .4 Xác định độ cứng theo thang Mohs .5 Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của màng nano TiO2 trong Phòng thí nghiệm .1 Chuẩn bị mẫu ceramic phủ sol nano TiO2 .2 Nghiên cứu khả năng diệt khuẩn của vật liệu đã chế tạo.3 Đánh giá khả năng diệt nấm của vật liệu đã chế tạo .6 Đánh giá khả năng diệt khuẩn, diệt nấm của vật liệu đã chế tạo tại điều kiện thực tế .1 Đánh giá khả năng diệt khuẩn trong điều kiện thực tế .2 Đánh giá khả năng diệt nấm trong điều kiện thực tế .7 Kết luận chương 4.

126 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ. 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên tiếng Việt Tên tiếng Anh AFM Hiển vi lực nguyên tử Atomic force microscopy BA Thạch máu Blood Agar BET Brunauer-Emmett-Teller DC Thạch Desoxycholate Desoxycholate Citrate Agar NA Thạch dinh dưỡng Nutrition Agar PCO Quang xúc tác oxi hóa Photo Catalytic Oxidation PEG Polyetylen glycol PTN Phòng thí nghiệm Laboratory TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam Vietnam Standards SA Thạch Saburaud Saburaud agar SEM Hiển vi điện tử quét Scanning electron microscopy TTCP Tiêu chuẩn cho phép Allowed standards TEM Hiển vi điện tử truyền qua Transmission electron microscopy TTIP Tetraisopropylorthotatinat UVA Bức xạ UV phần bước sóng Ultraviolet radiation of dài relatively long wavelengths UV-Vis Phổ ánh sáng tử ngoại – khả Ultraviolet – Visible Spetrum kiến XRD Nhiễu xạ tia X X-ray diffraction DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Thông số vật lý của atanase và rutile .1 Ma trận thực nhiệm quy hoạch bậc 2 .1 Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ TTIP ban đầu đến cấu trúc, kích thước tinh thể nano TiO2 và hiệu suất diệt khuẩn, nấm của màng nano TiO2 trên ceramic 64 Bảng 3.2 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến cấu trúc, kích thước tinh thể nano TiO2 và hiệu suất diệt khuẩn, nấm của màng nano TiO2 trên ceramic .3 Khảo sát ảnh hưởng của thể tích axit HNO3 đến cấu trúc, kích thước tinh thể nano TiO2 và hiệu suất diệt khuẩn, nấm của màng nano TiO2 trên ceramic .4 Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung đến cấu trúc, kích thước tinh thể nano TiO2 và hiệu suất diệt khuẩn, nấm của màng nano TiO2 trên ceramic .5 Ma trận thực nghiệm kế hoạch toàn phần hai mức tối ưu (k=3) và kết quả. Kết quả thí nghiệm khi thực hiện ở tâm kế hoạch .7 Ma trận thực nghiệm kế hoạch bậc hai với k=3 .