Vai trò bất ngờ của Florua trong quá trình xúc tác quang học

Cách đây vài năm, các nhà nghiên cứu đã thông báo rằng việc sử dụng axit flohydric để tổng hợp TiO₂ dạng tinh thể nano sẽ làm tăng mạnh hoạt tính xúc tác của TiO₂, do phương pháp tổng hợp này để lộ ra những bề mặt tinh thể có hoạt tính cao nhất của vật liệu xúc tác. Nhưng một nghiên cứu mới công bố trong Tạp chí ACS Catalysis cho thấy, sự gia tăng hoạt tính này chủ yếu là do tác động của dư lượng HF, còn đặc điểm của bề mặt tinh thể chỉ đóng vai trò thứ cấp.

Các bề mặt của một loại tinh thể có thể trùng hợp về mặt hóa học, nhưng những chênh lệch về cấu trúc và điện tử của chúng có thể dẫn đến các khác biệt trong năng lượng bề mặt và hoạt tính xúc tác. Ví dụ, bề mặt gọi là (001) của TiO₂ đã được biết là có hoạt tính cao hơn hầu hết các bề mặt khác của TiO₂. Vì HF tạo ra tỷ lệ lớn hơn các tinh thể có bề mặt (001) nên các nhà nghiên cứu thường sử dụng HF để tổng hợp TiO₂.

———————–

Khả năng của TiO2 trong việc xúc tác các phản ứng hóa học dưới tác động của ánh sáng đã khiến cho vật liệu này trở thành chất xúc tác quang học nổi tiếng cho nhiều ứng dụng khác nhau, ví dụ khi khử trùng bề mặt thủy tinh hoặc các bề mặt khác và phân hủy nước để sản xuất hydro.Cách đây vài năm, các nhà nghiên cứu đã thông báo rằng việc sử dụng axit flohydric để tổng hợp TiO2 dạng tinh thể nano sẽ làm tăng mạnh hoạt tính xúc tác của TiO2, do phương pháp tổng hợp này để lộ ra những bề mặt tinh thể có hoạt tính cao nhất của vật liệu xúc tác. Nhưng một nghiên cứu mới công bố trong Tạp chí ACS Catalysis cho thấy, sự gia tăng hoạt tính này chủ yếu là do tác động của dư lượng HF, còn đặc điểm của bề mặt tinh thể chỉ đóng vai trò thứ cấp.

Các bề mặt của một loại tinh thể có thể trùng hợp về mặt hóa học, nhưng những chênh lệch về cấu trúc và điện tử của chúng có thể dẫn đến các khác biệt trong năng lượng bề mặt và hoạt tính xúc tác. Ví dụ, bề mặt gọi là (001) của TiO2 đã được biết là có hoạt tính cao hơn hầu hết các bề mặt khác của TiO2. Vì HF tạo ra tỷ lệ lớn hơn các tinh thể có bề mặt (001) nên các nhà nghiên cứu thường sử dụng HF để tổng hợp TiO2.

Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, các nhà khoa học tại Đại học Tổng hợp Hắc Long Giang, Trung Quốc, đã xác nhận việc tăng hàm lượng HF trong quá trình tổng hợp sẽ làm tăng tỷ lệ các tinh thể có bề mặt (001) lộ ra ngoài. Trong các thử nghiệm phân hủy, trong đó họ sử dụng các chất gây ô nhiễm là axetaldehyt và phenol, nhóm nghiên cứu đã xác nhận rằng, quả thực những xúc tác TiO2 có hoạt tính cao nhất là những xúc tác có nhiều bề mặt (001) lộ ra ngoài. Tuy nhiên, khi họ loại bỏ dư lượng florua ra khỏi bề mặt – được xác nhận bằng các phân tích bề mặt – hoạt tính xúc tác của TiO2 đã giảm mạnh, mặc dù tỷ lệ bề mặt (001) vẫn cao. Nhóm nghiên cứu giả thiết rằng HF liên kết trên bề mặt đã ảnh hưởng nhiều đến khả năng hấp phụ của các phân tử O2 – những phân tử này thu giữ điện tử được giải phóng dưới tác động của ánh sáng, do đó kích thích phản ứng hóa học.

Một số chuyên gia trong lĩnh vực xúc tác đánh giá rằng, phát hiện mới nói trên có thể được áp dụng cho các xúc tác quang học bán dẫn dạng oxit khác với những bề mặt năng lượng cao .