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

Vật liệu có cấu trúc nano nói chung và nano TiO2 nói riêng ngày càng có ứng dụng

nhiều và quan trọng trong khoa học kĩ thuật và đời sống hàng ngày. Ứng dụng đặc biệt

quan trọng của nano TiO2 là trong lĩnh vực quang xúc tác làm sạch và khử độc môi

trường, trong lĩnh vực năng lượng sử dụng để chế tạo pin nhiên liệu và pin mặt trời

quang điện hoá, giải quyết vấn đề an ninh năng lượng cho loài người trong tương lai

gần, trong lĩnh vực linh kiện điện tử để lưu trữ và truyền dẫn thông tin với dung lượng

lớn và thể tích nhỏ. Nguyên lí hoạt động và những ứng dụng cơ bản của vật liệu nano

TiO2 sẽ được đề cập trong bài báo này.

 

pdf 12 trang yennguyen 3240
Bạn đang xem tài liệu "Nguyên lí hoạt động và một số ứng dụng quan trọng của vật liệu nano TiO2", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

Tóm tắt nội dung tài liệu: Nguyên lí hoạt động và một số ứng dụng quan trọng của vật liệu nano TiO2

Nguyên lí hoạt động và một số ứng dụng quan trọng của vật liệu nano TiO2
Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012 
 8 
NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG 
QUAN TRỌNG CỦA VẬT LIỆU NANO TiO2 
Trần Kim Cương 
Trường Đại học Thủ Dầu Một 
TÓM TẮT 
Vật liệu có cấu trúc nano nói chung và nano TiO2 nói riêng ngày càng có ứng dụng 
nhiều và quan trọng trong khoa học kĩ thuật và đời sống hàng ngày. Ứng dụng đặc biệt 
quan trọng của nano TiO2 là trong lĩnh vực quang xúc tác làm sạch và khử độc môi 
trường, trong lĩnh vực năng lượng sử dụng để chế tạo pin nhiên liệu và pin mặt trời 
quang điện hoá, giải quyết vấn đề an ninh năng lượng cho loài người trong tương lai 
gần, trong lĩnh vực linh kiện điện tử để lưu trữ và truyền dẫn thông tin với dung lượng 
lớn và thể tích nhỏ. Nguyên lí hoạt động và những ứng dụng cơ bản của vật liệu nano 
TiO2 sẽ được đề cập trong bài báo này. 
Từ khoá: nano TiO2, quang xúc tác TiO2, ứng dụng TiO2, pin mặt trời TiO2 
* 
1. Mở đầu 
Công nghệ vật liệu nano đã và đang 
mở ra một triển vọng ứng dụng lớn lao 
trong cuộc sống của toàn nhân loại. Các 
nghiên cứu về vật liệu nano trong hơn 
một thập kỉ qua đã tạo ra những đột phá 
quan trọng trong khoa học và công nghệ. 
Nano TiO2 là một trong số những vật liệu 
nano tiêu biểu đã được nghiên cứu và đã 
đạt được những thành tựu đáng kể. Các 
nước trên thế giới hàng năm đã đầu tư 
hàng chục tỉ USD vào nghiên cứu công 
nghệ chế tạo, ứng dụng và sản xuất vật 
liệu nano TiO2; đã phát triển rất nhiều 
phương pháp chế tạo nano TiO2 từ nhiều 
vật liệu ban đầu khác nhau. Khả năng 
ứng dụng của vật liệu này cũng rất phong 
phú và đa dạng, ngoài những ứng dụng 
kinh điển như làm chất màu trắng trong 
sơn, chất dẻo và giấy, làm chất độn chức 
năng, ắc quy titan và hóa chất Những 
ứng dụng mới của vật liệu TiO2 kích 
thước nano là hoạt động quang hóa trên 
bề mặt tự làm sạch, nhất là vật liệu xây 
dựng, dùng làm lớp phủ cho kính tự sạch, 
các ứng dụng điện tử và phân hủy xúc tác 
quang hóa, bảo vệ đối với bức xạ tử ngoại 
của mặt trời, làm sạch không khí, phân 
hủy dư lượng thuốc trừ sâu, làm sạch 
nước thải, bảo vệ môi trường, dùng làm 
xúc tác trong các nhà máy phát điện lạnh 
và trong ôtô có thể phân hủy tối đa các 
nitơ oxit phát ra từ quá trình cháy nhiên 
liệu, vật liệu chống nóng, sử dụng trong 
lĩnh vực năng lượng như pin nhiên liệu và 
pin mặt trời quang điện hoá Trong bài 
Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012 
 9 
báo này, chúng tôi đề cập đến nguyên lí 
hoạt động trong những ứng dụng quan 
trọng nhất của nano TiO2 là quang xúc 
tác, linh kiện điện tử và pin mặt trời. 
2. Quang xúc tác TiO2 
Chất xúc tác là chất có tác dụng làm 
giảm năng lượng hoạt hoá của phản ứng 
hoá học và không bị mất đi sau phản 
ứng. Nếu quá trình xúc tác được kích hoạt 
bằng ánh sáng thì được gọi là sự quang 
xúc tác. Chất có tính năng kích hoạt các 
phản ứng hóa học khi được chiếu sáng gọi 
là chất quang xúc tác. Nhiều hợp chất 
bán dẫn oxit vùng cấm rộng như TiO2, 
ZnO, In2O3... đều có tính năng quang xúc 
tác, nhưng nano TiO2 là một vật liệu 
quang xúc tác điển hình. 
Hình 1: Cơ chế phản ứng trên bề mặt 
quang xúc tác TiO2 [19] 
Khi hấp thụ ánh sáng tử ngoại có 
bước sóng ≥ 3,2 eV thì điện tử ở vùng hoá 
trị chuyển lên vùng dẫn và TiO2 trở 
thành ở trạng thái kích thích (hình 1). 
Với năng lượng vùng cấm 3,2 eV hạt nano 
TiO2 ở trạng thái kích thích là một môi 
trường ôxi hoá khử mạnh nhất trong các 
môi trường đã biết (bảng 1). 
Bảng 1: Thế ôxi hóa của một số chất 
thông dụng [19] 
Chất ơxi hĩa Thế ơxi hĩa (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 
Từ bảng 1 ta thấy nano TiO2 có khả 
năng ôxi hoá mạnh gấp gần 1,5 lần so 
với ozon, gấp 2,3 lần so với clo, gấp 2,6 so 
với oxi. Với thế ôxi hoá 3,2 V dưới tác 
động của ánh sáng tử ngoại nano TiO2 có 
khả năng phân huỷ rất mạnh các chất 
độc hại trong môi trường. H2O hấp thụ 
trên bề mặt của TiO2 bị các lỗ trống ôxi 
hoá sau đó tạo ra gốc hydroxyl ôxi hoá 
(OH)*. Tiếp theo, gốc hydroxyl này phản 
ứng với các chất hữu cơ. Nếu O2 tồn tại 
trong quá trình phản ứng, thì các gốc 
(sản phẩm trung gian của các hợp chất 
hữu cơ) và các phân tử ôxi bắt đầu phản 
ứng. Sản phẩm cuối cùng của sự phân huỷ 
các chất hữu cơ là CO2 và nước. Mặt 
khác, điện tử (e
-
) khử ôxi và tạo ra ion 
siêu oxide O. Ion siêu ôxi này tạo ra 
peroxide, trở thành sản phẩm trung gian 
của phản ứng ôxi hoá, hoặc tạo ra nước 
thông qua hydrogen peroxide. 
Các phản ứng của quá trình quang 
xúc tác xảy ra trên bề mặt TiO2 có thể 
được mô tả bằng những phản ứng sau: 
Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012 
 10 
 (2.1) 
 (2.2) 
 (2.3) 
 (2.4) 
 (2.5) 
 (2.6) 
Trên cơ sở phản ứng quang xúc tác, 
TiO2 có thể được sử dụng để làm pin 
nhiên liệu và làm chất xúc tác cho các 
quá trình làm sạch môi trường. 
3. Một số ứng dụng tiêu biểu của 
quang xúc tác TiO2 
TiO2 là vật liệu không có độc tính. Vì 
vậy, đặc tính quang xúc tác của nó có thể 
được sử dụng trong nhiều mục đích khác 
nhau. 
Các gốc hóa học hoạt động và các điện 
tích sinh ra khi nano TiO2 được kích hoạt 
có khả năng phá hủy các chất độc hữu cơ, 
nấm mốc [20,24]. Một số kết quả đã đạt 
được của việc sử dụng vật liệu này trong 
lĩnh vực làm sạch được liệt kê dưới đây: 
 TiO2 có khả năng làm sạch môi 
trường không khí thông qua việc phân 
huỷ các hợp chất hữu cơ độc hại như 
NOx , SOx, CO, NH3 [2,13,29,36] có trong 
môi trường không khí thành những chất 
đơn giản không độc hại. Nó được sử 
dụng trong các thiết bị lọc không khí và 
khử mùi trong bệnh viện, văn phòng, 
nhà ở... 
 TiO2 có khả năng phân huỷ các hợp 
chất gây ô nhiễm trong môi trường nước 
như muối clorua hữu cơ [5], dioxin [5,31], 
tetrachlorethylene, trihalomethane và 
những chất có hại khác [37]. Việc làm 
sạch nước dựa trên hiệu ứng quang xúc 
tác có khả năng loại bỏ ion kim loại nặng 
trong nước, khắc phục được những nhược 
điểm của các phương pháp làm sạch 
truyền thống. Nó được ứng dụng trong các 
bộ lọc nước sinh hoạt và làm sạch nước 
trong chu trình nuôi trồng thuỷ sản khép 
kín. 
„TiO2 kháng khuẩn bằng cơ chế 
phân huỷ nên có thể sử dụng để diệt vi 
khuẩn, virut, nấm mốc... [35,40,45]. 
„Dưới tác dụng của bức xạ tử ngoại 
(UV), TiO2 trở thành một môi trường kị 
nước hay ái nước tùy thuộc vào bản chất 
vật liệu. Khả năng này được ứng dụng để 
tạo ra các bề mặt tự tẩy rửa hoặc các 
thiết bị làm lạnh thông qua việc tạo điều 
kiện cho nước bay hơi. 
Khả năng quang xúc tác của nano 
TiO2 đang được nghiên cứu trong công 
nghệ chế tạo pin nhiên liệu: 
Pin nhiên liệu sản sinh ra năng lượng 
dựa trên phản ứng tách nước. Màng TiO2 
đóng vai trò là điện cực quang của loại 
pin này [14]. Hình 2 mô tả cấu trúc của 
pin nhiên liệu. 
Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012 
 11 
Hình 2: Cấu trúc của pin nhiên liệu (1) 
điện cực TiO2; (2) điện cực đối Pt; (3) lớp 
ngăn cản sự dẫn ion; (4) ống lấy khí; (5) 
điện trở tải; (6) đồng hồ đo điện áp [23] 
Khi bề mặt điện cực TiO2 được chiếu 
sáng bởi ánh sáng có bước sóng thích hợp 
(λ ≤ 415 nm) trên bề mặt các điện cực 
xảy ra các phản ứng 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) 
Phản ứng tổng hợp cho cả quá trình: 
2H2O + 4h O2 + 2H2 (3.4) 
Dòng quang điện sinh ra sẽ đi từ điện 
cực đối plantin, qua mạch ngoài rồi đến 
điện cực TiO2. Hướng đi này cho thấy 
phản ứng ôxi hóa (sinh ra ôxi) diễn ra 
trên bề mặt điện cực TiO2 và phản ứng 
khử (sinh ra hydro) diễn ra tại điện cực 
platin. Người ta đã chế tạo pin nhiên liệu 
với điện cực sử dụng ống nano TiO2 để 
tăng hiệu suất của phản ứng tách nước. 
Hiệu suất lượng tử tại bước sóng 337nm 
đã lớn hơn 90% và tốc độ thu được lượng 
khí hydro là 24 ml/Wh. Hiệu suất tổng thể 
đạt 6,8%. Cho đến năm 2005, đây là hiệu 
suất cao nhất thu được đối với pin quang 
điện hóa sử dụng nano oxit titan [14]. 
4. Pin mặt trời 
Hiệu ứng quang điện hoá: Khi có sự 
tiếp xúc giữa điện cực với dung dịch chất 
điện li thì ở bề mặt tiếp xúc giữa chúng 
xuất hiện một thế điện cực (hình 3). Khi 
điện cực được chiếu sáng, xuất hiện các 
cặp điện tử lỗ trống không cân bằng. 
Nếu dung dịch điện li là một chất ôxi hoá 
khử thì trong mạch sẽ xuất hiện một suất 
quang điện động điện có giá trị phụ thuộc 
vào bản chất của vật liệu làm điện cực và 
dung dịch điện li. Từ phép đo giá trị của 
suất quang điện động, có thể biết được 
trong vật liệu bán dẫn làm điện cực 
quang có chứa tạp chất hay không. 
Hình 3: Nguyên lí pin mặt trời quang 
điện hóa 
Pin mặt trời quang điện hoá làm 
nhạy quang bằng chất màu (DSSC): 
Cấu trúc xốp và thời gian sống của 
hạt tải cao tạo ra một ưu điểm nổi bật 
của nano TiO2 trong việc chế tạo pin 
DSSC (photoelectrochemical dye sensiti-
zed solar cell). Màng mỏng TiO2 nano xốp 
có bề mặt hấp thụ tăng lên hàng nghìn 
Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012 
 12 
lần làm tăng hiệu suất quang điện của 
DSSC. Cấu tạo DSSC đơn giản, dễ chế 
tạo, giá thành thấp, dễ phổ cập rộng rãi. 
DSSC là một trong các giải pháp đang 
được nghiên cứu mạnh mẽ để cải thiện 
hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời 
thành năng lượng điện [22]. Trong cấu 
tạo của DSSC, các hạt nano tinh thể TiO2 
được sử dụng để chế tạo màng điện cực 
quang [33,43,44]. 
Để tăng hiệu suất của pin mặt trời 
quang điện hoá (PEC), vật liệu nano TiO2 
trên điện cực quang được phủ một lớp đơn 
phân tử chất màu (thường là hợp chất 
chứa ruthenium) có thể được kích hoạt bởi 
ánh sáng vùng khả kiến để tạo ra nguồn 
điện tử. Khi đó PEC được gọi là DSSC. 
Đồng thời, điện cực nano TiO2 được chế 
tạo với cấu trúc xốp để tăng cường diện 
tích bề mặt hấp thụ ánh sáng. 
Khi hoạt động, ánh sáng kích thích 
chất màu S
o
 trên bề mặt TiO2 tạo ra cặp 
điện tử lỗ trống: 
S
o
 + hγ = S
* 
/S
+
 + e (4.1) 
Điện tử được “tiêm” vào vùng dẫn của 
TiO2, chuyển động đến lớp SnO2:F, qua 
mạch ngoài để đến điện cực thu. Lỗ trống 
bị khử bởi ion I
-
 theo phản ứng: 
2S
+
 + 3I
-
= I
-
3 + 2S
o
 (4.2) 
Chất màu sau khi bị bị khử trở lại 
trạng thái bình thường (S
o
), sẵn sàng cho 
một chu trình tiếp theo. 
Tại điện cực đối, ion I
-
3 nhận điện tử để 
trở lại trạng thái ban đầu theo phản ứng: 
I
-
3 + 2e = 3I
-
 (4.3) 
và như vậy chu trình hoạt động được 
khép kín. 
Hình 4: Nguyên lí hoạt động của pin 
DSSC 
Hình 4 mô tả nguyên lí cấu tạo và 
hoạt động của DSSC. Điều khác biệt ở 
đây là sự tách điện tích trong các DSSC 
dựa trên quá trình chuyển electron từ 
phân tử chất màu tới TiO2 và lỗ trống từ 
chất màu tới chất điện phân. Kích thước 
các hạt riêng biệt ở điện cực cấu trúc 
nano là quá nhỏ để hình thành lớp điện 
tích không gian bên trong các hạt [16]. 
Chất điện phân bao quanh các hạt kích 
thước nano chắn mọi điện trường tồn tại 
[32]. Nhưng có sự tồn tại của điện trường 
ở mặt phân cách chất điện phân ‟ bán 
dẫn giúp việc tách các điện tích và làm 
giảm tái hợp. 
Mạng hạt nano bán dẫn không chỉ 
cho diện tích bề mặt lớn cho các phân tử 
chất màu hút bám, nó còn là môi trường 
chuyển đối với các điện tử tiêm từ các 
phân tử chất màu. Kích thước nhỏ của các 
hạt nano ngăn cản sự hình thành lớp 
điện tích không gian và điện trường nội 
bên trong các hạt và vì vậy sự chuyển các 
điện tử không thể là cuốn trong điện 
trường. Các quá trình tái hợp chỉ ở mặt 
phân cách chất điện li ‟ bán dẫn [17]. 
Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012 
 13 
Trong các pin mặt trời Si, sự tái hợp 
của các hạt tải điện ở các trạng thái bẫy 
ở các bề mặt, các biên hạt và trong khối 
dễ dàng làm suy giảm hiệu suất pin. Vì 
vậy đòi hỏi vật liệu bán dẫn phải có độ 
tinh khiết tinh thể cao. Ngược lại, trong 
điện cực nano TiO2 làm nhạy bằng chất 
màu, có một diện tích bề mặt khổng lồ. 
Tuy nhiên, trong DSSC sự mất mát vì tái 
hợp là nhỏ do các điện tử được chuyển qua 
các hạt bán dẫn, trong khi các lỗ trống lại 
được trung hoà bởi chất điện phân. Nói 
khác, DSSC làm việc như dụng cụ hạt tải 
chủ yếu, tương tự chuyển tiếp bán dẫn ‟ 
kim loại hay đi-ôt Shottky [15]. 
Hiệu suất của pin mặt trời được xác 
định bằng biểu thức: 
OC SCm
C C
FF.V .IP
η
E.A E.A
(4.4) 
với Pm là điểm công suất ra cực đại của 
pin, E là công suất ánh sáng chiếu vào 
pin và Ac là diện tích của pin, Isc là dòng 
ngắn mạch, Voc là thế hở mạch của pin. 
Hệ số lấp đầy FF biểu thị tính chất 
tổng thể của pin là tỉ số: 
Cm
OC SC OC SC
η.A .EP
FF
V .I V .I
(4.5) 
Điện áp cực đại gây ra bởi pin là sự 
khác nhau giữa mức Fermi của TiO2 và 
thế ôxi hóa ‟ khử (redox) của chất điện 
phân, khoảng 0,7 V (Voc). Điện áp của các 
DSSC cho giá trị Voc cao hơn so với Si 
(0,6 V). 
Chất màu có hiệu quả cao để chuyển 
năng lượng của các photon thành năng 
lượng của các electron, nhưng chỉ các 
photon có đủ năng lượng để chuyển 
electron của phân tử chất màu lên trạng 
thái kích thích mới dẫn đến việc tạo ra 
dòng điện. Năng lượng này đối với các 
chất màu đã được nghiên cứu thường lớn 
hơn độ rộng vùng cấm của Si có nghĩa là 
có ít hơn photon trong á ... t bằng cách tăng Voc và Isc và sau 
đó là tăng FF. Những đại lượng này phụ 
thuộc vào phẩm chất và cấu trúc điện cực, 
mà trước hết phụ thuộc vào phẩm chất và 
tính chất của màng nano TiO2. Điều này 
có được bằng nghiên cứu cải tiến công 
nghệ chế tạo vật liệu. 
5. Linh kiện điện tử 
TiO2 được sử dụng như một cổng cách 
điện trong transistor trường (FET) [28], 
hoặc để làm detector đo bức xạ hạt nhân 
[4]. Khi pha tạp thêm các tạp chất thích 
hợp sẽ tạo nên các mức năng lượng tạp 
chất Ea nằm ở vùng cấm, nếu các điện tử 
Journal of Thu Dau Mot university, No2(4) – 2012 
 14 
đồng loạt chuyển từ mức kích thích về các 
mức năng lượng cơ bản thì vật liệu sẽ 
phát ra các bức xạ mong muốn. Cửa sổ 
đổi màu hoạt động dựa trên nguyên lí 
này. Mức năng lượng tạp chất chuyển dời 
có thể điều khiển nhờ điện trường, do vậy 
tuỳ theo sự điều khiển của điện trường 
mà có được màu sắc thay đổi tức thời 
[18,34]. TiO2 cũng được sử dụng làm các 
lớp chống phản xạ giúp tăng cường hiệu 
suất của khuếch đại quang bán dẫn 
(laser) GaInAs/AlGaInAs [25]. Do TiO2 có 
hệ số chiết suất rất lớn, sợi cáp quang 
hoặc các cửa sổ quang học phủ vật liệu 
này hoạt động theo nguyên lí phản xạ 
liên tiếp sẽ phản xạ toàn phần, nên sẽ 
làm giảm tối đa sự suy hao ánh sáng (tín 
hiệu). 
Đặc tính xốp của màng TiO2 làm cho 
nó có khả năng hấp thụ chất khí rất tốt. 
Đặc tính này đã được nhiều tác giả 
nghiên cứu để làm sensor khí xác định 
nồng độ hơi rượu, nồng độ các chất khí 
độc có trong môi trường như CO, NO... 
Màng TiO2 với cấu trúc pha rutile rất 
nhạy khí O2 nên nó được sử dụng để xác 
định nồng độ O2 trong các lò luyện kim 
[9,12,27,30,42]. Màng TiO2 còn được sử 
dụng làm sensor xác định độ ẩm [7]. 
Vật liệu màng mỏng với nền là TiO2 
khi pha thêm các hạt sắt từ được gọi là 
bán dẫn từ loãng, chúng có năng lượng từ 
dị hướng cao và momen từ vuông góc với 
mặt phẳng tinh thể, có khả năng lưu giữ 
thông tin với mật độ rất lớn. Màng mỏng 
từ đa lớp có từ trở khổng lồ được sử dụng 
để đo từ trường rất thấp [3, 10, 21, 38, 
39, 41]. 
Trước những ứng dụng quan trọng, đa 
dạng và phong phú, vật liệu TiO2 đang 
được rất nhiều nhóm tác giả trên thế giới 
nghiên cứu chế tạo. Số lượng các nghiên 
cứu mới không ngừng được gia tăng do 
các ứng dụng công nghệ của vật liệu này 
[6]. Thí dụ, màng TiO2 được sử dụng làm 
lớp chống ăn mòn, xúc tác trong hoá học 
[26], các dụng cụ phát quang (PL) 
(luminescence) [8]... 
6. Kết luận 
Khả năng quang xúc tác kỉ lục của 
TiO2 cùng các tính chất quí báu khác đã 
mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi vật 
liệu này trong nhiều lĩnh vực quan trọng 
như công nghệ môi trường, chuyển đổi 
năng lượng mặt trời, các dụng cụ quang 
tử và quang điện tử 
Hiện tại với sự phát triển mạnh của 
nhiều ngành kinh tế đã tạo ra sự ô nhiễm 
môi trường nghiêm trọng kể cả về mặt 
hoá học lẫn sinh học, nhiều nơi trên thế 
giới đã xuất hiện tình trạng mất cân 
bằng sinh thái. Nano TiO2 với khả năng 
quang xúc tác cao được kì vọng trở thành 
vật liệu đắc lực cho loài người trong việc 
khử độc và làm sạch môi trường. Nhiều 
thiết bị làm sạch môi trường nước và 
không khí đã được chế tạo ở qui mô công 
nghiệp. Nhiều chế phẩm chứa nano TiO2 
có hoạt tính kháng sinh đã được sản xuất 
thành thương phẩm. 
Điều quan trọng khác là vấn đề năng 
lượng. Các dự báo khoa học cho biết, nhu 
cầu năng lượng cần cho loài người sẽ tăng 
gấp đôi trong vòng 50 năm tới và lúc đó 
các nguồn nhiên liệu hoá thạch chủ yếu 
Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, số 2(4) - 2012 
 15 
sẽ cạn kiệt. Trong khi đó, Trái đất luôn 
nhận được nguồn năng lượng hàng năm 
từ Mặt trời khoảng 3.1024 J, nhiều hơn 
khoảng 10.000 nhu cầu năng lượng của 
con người hiện tại. Ước tính chỉ cần sử 
dụng 0,1% diện tích bề mặt Trái đất với 
các pin mặt trời hiệu suất chuyển đổi 
10% đã có thể đáp ứng nhu cầu năng 
lượng hiện tại. Hơn nữa, đây là nguồn 
năng lượng siêu sạch, tại chỗ và vô tận. 
Tuy nhiên, việc khai thác nguồn năng 
lượng này vẫn còn là một thách thức lớn 
đối với khoa học và công nghệ. Những 
phát minh gần đây về DSSC trên cơ sở 
màng điện cực nano TiO2 đã mở ra cơ hội 
cho việc ứng dụng dân dụng. Tuy nhiên, 
việc sản xuất DSSC là bí quyết công nghệ 
riêng của các hãng trên thế giới. Mặt 
khác, vấn đề cải thiện hiệu suất và nâng 
cao độ bền của các DSSC vẫn đang còn là 
những thách thức lớn về khoa học và 
công nghệ. Điều này đối với các nhà khoa 
học vẫn còn là cánh cửa rộng mở đang ở 
phía trước. 
* 
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 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[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., Hernández-Calderón 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., Sánchez 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. 

File đính kèm:

  • pdfnguyen_li_hoat_dong_va_mot_so_ung_dung_quan_trong_cua_vat_li.pdf