Quang xúc tác là gì?
Một chất thúc đẩy phản ứng hóa học diễn ra mạnh mẽ hơn được khi tiếp xúc với ánh sáng và có đặc tính không biến đổi sau phản ứng được gọi là “chất xúc tác quang”.
Xung quanh ta có rất nhiều ví dụ về chất xúc tác quang, điển hình nhất đó là: Quang hợp của thực vật cũng là một trong những phản ứng quang xúc tác.
Lớp phủ quang xúc tác ANSHIN-KUKAN sử dụng “Oxit titan”, được biết đến nhiều là một chất gây ra phản ứng quang xúc tác.
Lịch sử của chất Xúc tác quang
| Phát hiện ra nguyên lý của chất Xúc tác quang 1967 | Phát hiện tại Đại học Tokyo. Kết quả của Honda-Fujishima Các nhà khoa học Nhật Bản đã chỉ ra rằng bằng cách sử dụng Oxit titan cho một trong các điện cực theo nguyên tắc tương tự như quá trình điện phân dung dịch nước, nước bị phân hủy chỉ bằng cách cho nó tiếp xúc với ánh sáng mà không cho dòng điện đi qua (oxit titan có hiệu ứng quang xúc tác). Giáo sư, Đại học Tokyo). |
| Áp dụng nguyên lý quang xúc tác cho ngoài trờ 1972 | Tính siêu ưa nước Thông qua nghiên cứu cùng với TOTO, chúng tôi đã phát hiện ra đặc tính siêu ưu nước. Khi Titan oxit tiếp xúc với ánh sáng, bề mặt của nó được bao phủ bởi các nhóm OH và chuyển sang trạng thái háo nước, vì vậy các giọt nước trở thành một bức màn. Nói cách khác, họ phát hiện ra rằng nó có tác dụng chống sương mù và chống loang màu. |
| ↓ | Nghiên cứu và phát triển khả năng Quang xúc tác |
| Khám phá ra công nghệ mới 2010 | Hoàn thiện chất xúc tác quang thế hệ mới Chất xúc tác quang tiếp tục được nghiên cứu, phát triển . Tuy nhiên, hiệu quả đôi khi không như mong đợi, niềm tin nhiều lần bị lung lay. Nhưng, nó vẫn tiếp tục được nghiên cứu, và cuối cùng chất xúc tác quang thế hệ mới, Xúc tác quang phản ứng với ánh sáng nhìn thấy sử dụng ion sắt đã được hoàn thiện. Nó có hiệu quả lâu dài chỉ với một lượng ánh sáng nhỏ trong nhà. |
| Phát triểm công nghệ mới 2011 | Hoàn thiện chất xúc tác quang hoạt tính Phát triển phương pháp xử lý ô nhiễm đất, nước hay những chất liệu khó phun phủ. Ngoài ra, chúng tôi đã thành công trong việc phát triển một chất xúc tác quang hoạt tính, có thể được sử dụng bằng cách hòa tan vào nước để xử lý nước tại nhà. Thương mại hóa 2 loại Xúc tác quang, một loại là dung dịch lỏng chuyên phun phủ và một loại là nguyên liệu tạo ra những vật liệu kháng khuẩn( Sơn, khẩu trang, vải…) |
Nội dung chi tiết của công nghệ quang xúc tác.
Từ năm 1972, khi Fujishima và Honda phát hiện ra khả năng phân tách nước bằng quang xúc tác của TiO2, vật liệu này đã được rất nhiều tác giả nghiên cứu. Khả năng quang xúc tác kỷ lục của TiO2 cùng các tính chất quí báu khác 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, …
Quang xúc tác (Photocatalyst) là 1 nhánh trong ngành vật lý – hóa học có liên quan với các hiệu ứng hóa học của ánh sáng. Nói chung, thuật ngữ này được sử dụng để mô tả phản ứng hóa học do hấp thụ tia cực tím (có bước sóng từ 100 đến 400 nm), hấp thụ ánh sáng khả kiến (400 – 750 nm) hoặc bức xạ hồng ngoại (750 – 2500 nm). Chất xúc tác (ở đây là TiO2) không tự thay đổi hoặc mất đi trong phản ứng hóa học, nó chỉ đóng vai trò là xúc tác. Mô hình quang xúc tác thể hiện ở hình dưới đây:
Quang xúc tác làm gia tăng tốc tốc độ của quá trình oxy hóa và phân hủy các chất hữu cơ độc hại để tạo thành CO2, nước và các chất vô hại khác.
Có nhiều loại vật liệu khác nhau cho thấy khả năng quang xúc tác khác nhau, trong đó nano titanium dioxide (TiO2) được cho là hiệu quả nhất. Titanium dioxide có tính năng quang xúc tác rất mạnh, nó oxy hóa và phân hủy mạnh các chất bẩn trên bề mặt và trong không khí.
Khi bề mặt vật dụng được phủ lớp nano TiO2, bề mặt này gặp ánh sáng (có bước sóng dưới 400nm) sẽ xảy ra hiện tượng quang xúc tác. Cụ thể, bề mặt tiết xúc với hơi nước, nó sẽ làm hơi nước tách ra thành 2 thành phần: các gốc hydroxyl [OH] và anion superoxit [O2-1]. Và 2 gốc tự do này, nó cho phép quá trình oxy hóa các hợp chất bay hơi (VOC) trong không khí và các chất hữu cơ độc hại (virus, mầm bệnh, nấm mốc) thành carbon dioxide và nước.
Và điều rất đặc biệt nữa là nano TiO2 không bị mất đi khi thực hiện “nhiệm vụ”, nó là một chất tạo điều kiện cho phản ứng hóa học xảy ra. Cụ thể:
Chất xúc tác quang nano TiO2 có những ưu điểm sau so với bất kỳ công nghệ lọc không khí / nước hiện tại:
- Thực sự phá hủy chất gây ô nhiễm hơn là một sự chuyển đổi đơn giản trên nền chất cũ, tức là sản phẩm cuối cùng là nước, CO2, và các chất bền vô hại khác).
- Tiêu hủy chất ô nhiễm ở nhiệt độ và áp suất môi trường tự nhiên.
- Không tiêu hao chất xúc tác.
- Sử dụng chất xúc tác quang ít để khử được lượng lớn chất ô nhiễm (VOCs, vi khuẩn, nấm mốc, khí NOx) với điều kiện phải tạo điều kiện cho các chất đo tiếp xúc vào bề mặt phủ nano TiO2 ở điều kiện ánh sáng.
Kể từ năm 1972, tính năng quang xúc tác của nano TiO2 được phát hiện thì lĩnh vực công nghệ này đã đi sâu vào phục vụ đời sống của nhiều nước trên thế giới, đặc biệt là Nhật, Mỹ, Đức, Hàn Quốc, Trung Quốc, Malaysia, Việt Nam và nhiều nước khác nữa.
Titanium dioxide (TiO2) là gì?
Titanium dioxide là oxit titan tự nhiên, công thức hóa học là TiO2. Titanium Dioxide được coi là một chất an toàn và vô hại đối với con người và được chấp thuận bởi phòng thí nghiệm kiểm nghiệm thực phẩm của Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA Hoa Kỳ) sử dụng trong ngành thực phẩm, dược phẩm.
TiO2 là vật liệu trơ, thường được sử dụng dưới dạng bột màu trắng, không hòa tan trong nước (nó phân tán được trong nước nhưng với kỹ thuật đặc biệt) và thường được sử dụng trong một loạt các sản phẩm công nghiệp và tiêu dùng, bao gồm sơn, chất phủ, chất kết dính, giấy, nhựa và cao su, mực in, vải tráng và vải dệt, cũng như gốm sứ, trải sàn, vật liệu lợp, mỹ phẩm, kem đánh răng, xà phòng, chất xử lý nước, dược phẩm, chất màu thực phẩm, sản phẩm ngành ô tô, kem chống nắng và chất xúc tác quang học. Nhiều nghiên cứu đã được công bố về việc sử dụng titanium dioxide như một chất xúc tác quang học cho việc phân hủy các hợp chất hữu cơ.
Titanium dioxide được sản xuất theo hai dạng chính. Dạng chính, bao gồm hơn 98% tổng sản lượng, là titanium dioxide cấp sắc tố. Dạng sắc tố này sử dụng các đặc tính tán xạ ánh sáng tuyệt vời của titanium dioxide trong các ứng dụng đòi hỏi độ mờ và độ sáng màu trắng. Dạng khác trong đó titanium dioxide được sản xuất như một sản phẩm siêu mịn (vật liệu nano).
Titanium Dioxide dạng bột trắng, kích thước hạt cỡ micromet
Titanium dioxide cấp độ màu được sử dụng trong một loạt các ứng dụng đòi hỏi độ mờ và độ sáng cao. Trên thực tế, hầu hết các bề mặt và vật phẩm có màu trắng và màu phấn, và thậm chí là các màu tối, chứa titanium dioxide. TiO2 dạng này không có rõ ràng đặc tính quang xúc tác để diệt khuẩn, khử mùi. Sắc tố titanium dioxide được sử dụng trong một loạt các ứng dụng, bao gồm:
– Sơn và chất phủ: Titanium dioxide cung cấp độ mờ đục và độ bền, đồng thời giúp đảm bảo tuổi thọ của sơn và bảo vệ bề mặt sơn.
- Nhựa, chất kết dính và cao su: Titanium dioxide có thể giúp giảm thiểu độ giòn, phai màu và nứt có thể xảy ra do tiếp xúc với ánh sáng. Điều này có thể nâng cao tuổi thọ hữu ích của nhiều thành phần nhựa và cao su được sử dụng trong xe cộ, vật liệu xây dựng và các ứng dụng ngoại thất khác.
- Mỹ phẩm: Titanium dioxide cấp Pigment được sử dụng trong một số mỹ phẩm để giúp che giấu nhược điểm và làm sáng da. Titanium dioxide cho phép sử dụng lớp phủ mỏng hơn của vật liệu trang điểm cho cùng một hiệu ứng mong muốn.
- Giấy: Titanium dioxide được sử dụng để bọc giấy, làm cho nó trắng hơn, sáng hơn và mờ hơn.
- Nguyên liệu và thành phần tiếp xúc với thực phẩm: Độ mờ đục đối với ánh sáng nhìn thấy và tia cực tím được cung cấp bởi titanium dioxide bảo vệ thực phẩm, đồ uống, thực phẩm bổ sung và dược phẩm từ quá trình thoái hóa sớm, tăng cường tuổi thọ của sản phẩm. Các lớp cụ thể của titanium dioxide cấp độ tinh khiết cao cấp cũng được sử dụng trong thuốc viên, lớp phủ nang và như là một trợ giúp trang trí trong một số loại thực phẩm.
Nano Titanium Dioxide
Nano titanium dioxide được sử dụng phổ biến nhất trong các ứng dụng đặc biệt sau:
Kem chống nắng: Nano TiO2 trở nên trong suốt với ánh sáng khả kiến và như một chất hấp thụ ánh sáng tia cực tím hiệu quả. Do kích thước hạt rất nhỏ, nên nano TiO2 không phản xạ ánh sáng khả kiến, nhưng hấp thụ ánh sáng tia cực tím, tạo ra một hàng rào trong suốt bảo vệ da khỏi các tia có hại của mặt trời. Theo Quỹ Ung thư da, sử dụng kem chống nắng có chứa TiO2 có thể giúp ngăn ngừa sự xuất hiện của ung thư da.
Chất quang xúc tác: nano TiO2 được sử dụng làm chất hỗ trợ cho các ứng dụng chất xúc tác. Các ứng dụng chủ yếu bao gồm trong ngành công nghiệp ô tô để loại bỏ khí thải độc hại và trong các nhà máy điện để loại bỏ các oxit nitơ, ngành xử lý môi trường, ngành khử trùng bệnh viện, .v.v.
Theo các nhà nghiên cứu về xúc tác quang, oxit titan dưới 5 nm có xu hướng kém hiệu quả hơn khi phản ứng với ánh sáng nhìn thấy (nó phản ứng với tia UV) vì nó quá nhỏ. Vì vậy, nếu nó quá nhỏ đối với một chất xúc tác quang dùng trong nhà, nó có thể không hiệu quả.
光触媒研究者によると、5nm以下の酸化チタンは小さすぎるため、可視光線に対する反応効率が弱くなる傾向があります（紫外線には反応）。そのため、室内で使用する光触媒としては小さすぎると効果を発揮しない場合があります。
Ứng dụng của nano TiO2
Nano TiO2 có rất nhiều ứng dụng khác nhau trong đời sống. Tuy nhiên, bài viết này chỉ nếu ra các ứng dụng quang xúc tác của nó đối với việc bảo vệ môi trường sống xung quanh chúng ta. Và với lợi ích này không có một loại hóa chất nào có thể so sánh với nó về tính năng cũng như sự an toàn.
TiO2 là một vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng, trong suốt, chiết suất cao, từ lâu đã được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như: Sơn, nhựa, giấy, mỹ phẩm, dược phẩm… Tuy nhiên, những ứng dụng quan trọng nhất của TiO2 ở kích thước nano là khả năng làm sạch môi trường thông qua phản ứng quang xúc tác và khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng ở quy mô dân dụng. Trong lĩnh vực công nghệ nano, thật khó tìm thấy một loại vật liệu nào lại có nhiều ứng dụng quý giá, thậm chí không thể thay thế như vật liệu nano TiO2.
Để diệt khuẩn, khử mùi và tự làm sạch, TiO2 kích thước nano được phủ trực tiếp lên bề mặt các vật dụng bằng một thiết bị chuyên dụng. Các ứng dụng của nano TiO2 như sau:
1. Khử trùng, diệt virus, diệt vi khuẩn và chống mốc.
Khả năng oxy hóa của TiO2 kích thước nano khi có chiếu xạ UV mạnh hơn nhiều so với các chất oxy hóa thường dùng để xử lý nước trước đây như clo, hiđro peoxit hay ozon. Ngoài việc sản sinh ra các tác nhân oxy hóa mạnh, tại các điểm “vi mô” trên bề mặt còn có một lượng nhiệt chuyển đổi lớn, lượng nhiệt đó có thể đốt cháy hoàn toàn hầu hết các hợp chất hữu cơ, vi khuẩn, nấm khi tiếp xúc. Quá trình quang xúc tác này có thể áp dụng để tinh chế nước sinh hoạt, xử lý nước thải, các chất hữu cơ độc hại và các chất màu, kể cả dầu thô cũng được phân hủy theo cách chiếu xạ trên. Để xử lý khí thải độc hại của các động cơ và khói của các lò cao, hạt TiO2 kích thước nano được trộn với một số chất có khả năng hấp phụ khí mạnh như than hoạt tính. Khi bị giữ lại trên bề mặt của chất quang xúc tác và khi chiếu bằng ánh sáng UV nó sẽ bị phân hủy hoàn toàn hoặc chuyển thành các chất vô hại khác.
Hiện nay, một số phòng vô trùng ở các bệnh viện trên thế giới có pha một lượng nhỏ TiO2 kích thước nano vào sơn hoặc phủ lên gạch, ngói để diệt khuẩn và chống bụi, bẩn bám vào, hạn chế việc lây nhiễm bệnh tật đồng thời giảm đáng kể lượng thuốc sát trùng và những chất tẩy rửa độc hại. Những kết quả trên đã khẳng định rằng lớp phủ TiO2 cấu trúc nano có tính chất chống khuẩn dưới điều kiện ánh sáng thường. Người ta xem đây như là một cuộc cách mạng trong công nghệ làm sạch .
Bảng so sánh khả năng oxy hóa của quang xúc tác nano TiO2 (sản sinh ra gốc Hydroxyl – OH) so với các chất oxy hóa khác.
2. Khả năng khử mùi tạo ra bởi nấm mốc và các hợp chất bay hơi VOCs
Các hợp chất bay hơi (VOCs) như formaldehyde, phenol, toluen, gas, xăng-dầu, … là các chất độc hại thường dùng làm dung môi hòa tan ứng dụng trong các sản phẩm sơn tường, sơn nội thất, sơn xe, chai xịt ruồi muỗi, nước hoa, dung dịch tẩy rửa, thuốc khử trùng, khói thuốc lá, .v.v. Những chất này gây ra kích ứng đường hô hấp, dị ứng, tích tụ trong cơ thể gây tổn thương gan, thận, hệ thần kinh trung ương và gây ung thư.
Các VOC này sẽ dễ dàng bị phân hủy bởi nano TiO2 khi chúng tiếp xúc với nano TiO2 và tạo thành nước, CO2, và các chất vô hại khác. Nếu bề mặt sơn tường, bền mặt nội thất (đã sơn PU) gây ra các mùi khó chịu và độc hại thì khi phủ lớp nano TiO2 lên bề mặt đó, các VOC sẽ bị phân hủy ngay tại bề mặt mà không thoát ra được không khí để con người hít thở vào. Tương tự, bề mặt tường, nội thất lâu ngày ẩm mốc sẽ phát mùi mốc khó chịu và độc hại, nếu có lớp phủ thì bề mặt đó không thể sản sinh mốc gây mùi và làm xấu bề mặt.
Hiện nay, có một số người sử dụng cách thức “khử” mùi sơn tường nhà mới (dùng nến, dùng nước hoa xịt phòng, dùng, quả thơm, …), thực chất đó là lấy mùi này lấn át mùi kia và biện pháp này thật sự không an toàn vì bản chất các chất VOC vẫn tồn tại trong không khí ở ồng độ cao nhưng do các mùi kia đã lấn át nên mũi chúng ta không phát hiện được.
3. Tự làm sạch và chống mờ hơi nước
Nano TiO2 có tính siêu ưa nước nên chúng được ứng dụng để tự làm sạch bề mặt vật liệu. Ta biết rằng trong môi trường bình thường, bề mặt mọi vật liệu đều kỵ nước với mức độ khác nhau. Sự ưa nước hay kỵ nước của bề mặt vật liệu được đánh giá bằng góc tiếp xúc của nước với bề mặt. Tùy từng loại vật liệu mà góc tiếp xúc sẽ khác nhau. Trong đó, màng quang xúc tác TiO2 có tính chất đặc biệt thú vị là góc tiếp xúc của chúng giảm đến gần 0 khi chiếu ánh sáng bằng UV, khi đó bề mặt đó trở nên siêu ưa nước. Nói cách khác bề mặt không còn kỵ nước, hay nước không thể tạo thành giọt tên bề mặt mà nó bị lan rộng thành màng nước mỏng. Tính chất siêu ưa nước quang xúc tác là một công nghệ quan trọng, vì nó có các ứng dụng rộng rãi, như chống mờ hơi nước, tự làm sạch, diệt khuẩn, khử mùi và loại bỏ các chất ô nhiễm.
Do vậy, phủ 1 lớp nano TiO2 lên các bề mặt như kính ngoài trời, bề mặt tấm pin năng lượng mặt trời, khi có mưa, lớp nano TiO2 sẽ thực hiện phản ứng quang xúc tác và dưới tác động của nước mưa sẽ cuốn sạch bụi bẩn bám dính trên bề mặt kính hoặc tấm panel pin mặt trời. Điều nằy sẽ làm tăng tính thẩm mỹ của kính tòa nhà hoặc làm tăng hiệu quả sử dụng pin năng lượng mặt trời.
4. Thanh lọc không khí:
Khí thải gây ô nhiễm rất lớn tại các đô thị, chủ yếu là các hợp chất khí NOx, khí CO, Formaldehyde, benzen. Con người nếu tiếp xúc chúng ở nồng độ thích hợp, chúng sẽ gây kích ứng mắt, mũi và cổ họng, gây đau đầu, chóng mặt, buồn nôn. Nó cũng có thể gây suy giảm chức năng phổi và tăng nhiễm trùng đường hô hấp ở trẻ nhỏ. Những nhà nghiên cứu ở Hồng Kông và Nhật Bản đang thí nghiệm trộn nano TiO2 trong bê tông như là cách để chống lại sự ô nhiễm môi trường. Trong thử nghiệm, vật liệu này đã loại bỏ được 90% NOx, một chất gây ô nhiễm thoát ra từ những xe tải chạy điezen và những xe hơi đời cũ.
Lớp phủ nano TiO2 trên bề mặt vật liệu sẽ phản ứng với các khí thải ô nhiễm này tạo thành CO2, nước và các chất vô hại khác.
5. Nơi áp dụng:
Bất cứ các vật dụng trong nhà, đồ chơi cho trẻ hay các bề mặt khác trong nhà ở, văn phòng làm việc, xe cộ, các nhà máy thực phẩm, các nhà hàng – quán ăn và khách sạn .v.v. đều cần bảo vệ bề mặt tránh lây nhiễm chéo vi sinh và mầm bệnh để bảo vệ sức khỏe con người và tránh gây ngộ độc thực phẩm.
Một ngôi nhà mới xây, mùi sơn tường, mùi nội thất gây nguy hại đến sức khỏe, mùi này cần được khử một cách nhanh chóng nhất. Và đối với các đồ vật, tường cũ cần phủ lớp nano TiO2 để ngăn ngừa nấm mốc làm hư hại và xấu bề mặt.
Bề mặt kính ở các ngôi nhà, các tòa nhà, các tấm pin mặt trời nếu bụi bám sẽ rất xấu thậm chí ảnh hưởng đến tính năng của chúng, do vậy cần phủ lớp TiO2 để các bề mặt đó tự làm sạch một cách dễ dàng nhất.