Tự làm sạch kiểu quang xúc tác

Nhưng có cách tạo ra bề mặt tự làm sạch triệt để hơn: làm cho bề mặt thường xuyên phân hủy chất bẩn, chất độc hại, đồng thời làm cho bề mặt bị nước hoàn toàn làm ướt, để lâu lâu dội nước vào, chất bẩn đã bị phân hủy theo nước trôi đi hết. Đó là dùng TiO ₂quang xúc tác. Chất xúc tác là chất tham gia làm thay đổi tốc độ của phản ứng hóa học nhưng cuối cùng thì chất đó không bị thay đổi, không bị tiêu hao, không có ở thành phần sản phẩm của phản ứng. Chất quang xúc tác là chất phải có thêm tác dụng của ánh sáng nữa mới làm được nhiệm vụ xúc tác. Chất diệp lục ở lá cây là một chất quang xúc tác điển hình.

Khi có ánh sáng Mặt trời chiếu đến thì chất diệp lục làm cho nước và CO ₂chuyển thành oxy và glucose tương đối nhanh chóng. Còn TiO ₂phải ở trong một số điều kiện đặt biệt mới làm được nhiệm vụ xúc tác. Trước hết TiO ₂có hai dạng khác nhau về cấu trúc tinh thể là anataz và ruti. Chỉ có TiO­ ₂ở dạng anataz kích thước hạt nhỏ cỡ nanomet mới là chất quang xúc tác có hiệu quả. Cơ chế quang xúc tác như sau: ánh sáng tử ngoại chiếu vào hạt tinh thể TiO ₂làm cho điện tử ở dải hóa trị nhảy lên dải dẫn vậy là ở dải hóa trị nguyên tử thiếu điện tử trở thành lỗ trống mang điện dương còn ở dải dẫn có thêm điện tử để lưu động mang điện âm. Sở dĩ phải tia tử ngoại chiếu vào mới tạo được cặp điện tử vã lỗ trống là vì bề rộng vùng cấm của TiO ₂là 3,2 eV; năng lượng photon hv = hc/ l phải bằng hoặc lớn hơn 3,2 eV mới đưa được điện tử nhảy mức, tính ra bước sóng phải bằng hoặc nhỏ hơn 388 nanomet tức là thuộc phạm vi tử ngoại. (Gần đây người ta có cách pha thêm vào TiO ₂một số chất để trở thành quang xúc tác với ánh sáng thường).

Lỗ trống vì mang điện dương nên có thể bẻ gãy phân tử H 2O gần đấy tạo ra hyđrô và gốc OH. Điện tử mang điện âm kết hợp với phân tử oxy tạo thành ion âm O -2. Các sản phẩm sinh ra nói trên thường gọi là chất làm ô xy hóa mạnh, khi tiếp xúc với các chất bẩn hữu cơ có mùi và độc hại dễ chuyển chúng thành CO 2và H 2O không mùi, vô hại. Các hiệu ứng nói trên chỉ xảy ra trên bề mặt của TiO 2, nơi photon tử ngoại đến được. Vì vậy hạt TĩO 2phải thật nhỏ thì diện tích bề mặt ngoài tổng cộng của các hạt mới lớn, tốt nhất kích thước cỡ 20 nanomet. Do đó thường gọi là chất quang điện hóa nanô TiO 2(photocatalyst Nano TiO 2­). TiO 2­thông thường có dạng bột màu trắng có trong sơn trắng, thuốc đánh răng… loại mịn kích thước hạt tinh thể nhỏ nhất cũng vào cỡ hàng chục micromet. Để làm ra chất tự làm sạch, việc thứ nhất là cần phải xử lý chọn lọc để chế tạo ra bột TiO 2chỉ ở dạng anataz (không có rutil), kích thước nhỏ đến cỡ nanomet. Chú ý rằng khi kích thước hạt nhỏ đến nanomet, hạt không còn máu trắng nữa mà gần như là trong suốt. Việc thứ hai là tìm được dung môi kết dính làm sao cho hạt nanô TiO 2phân tán đều trong đó, không vón cục lại, khi quét hoặc phun lên bề mặt vật rắn thì dung môi bay hơi khô đi và các hạt TiO 2kết dính chặt trên bề mặt. Cơ chế quang xúc tác ở TiO2 Hai việc này thuộc về bí quyết của công nghệ làm sản phẩm đưa ra thị trường. Việc phun phủ quang xúc tác nanô TiO 2lên bề mặt, có rất nhiều tác dụng phục vụ khoa học, đời sống nên đã phát triển mạnh ở nhiều nước ở châu Âu, ở Mỹ, ở Hàn Quốc và đặc biệt là ở Nhật. Ở các nước đó việc phun phủ quang xúc tác nanô TiO 2được thực hiện theo hình thức dịch vụ hoặc gia đình, cá nhân mua các loại bình xịt nanô TiO 2để tự phun lên những bề mặt cần thiết. Có thể kể một vài lĩnh vực đã có ứng dụng thực sự như sau: - Phun phủ lên kính ở nhà cao tầng, ở xe ô tô… lợi dụng tính bị ướt làm nước hoàn toàn và tính tự làm sạch, khi mưa bề mặt kính không bị các giọt nước đọng làm mờ, trái lại rửa sạch. - Phun phủ lên kính soi mặt ở buồng tắm, ở tường, gạch sứ ở nhà vệ sinh, gương soi không bị mờ lúc tắm nước nóng, buồng tắm, nhà vệ sinh không có mùi hôi. Tổng vệ sinh rất đơn giản bằng cách dùng vòi phun nước, không cần chất tẩy rửa. - Phun phủ lên tường, bàn mổ, băng ca… ở bệnh viện vì ở đấy hay có các chất như máu, mủ, các chất bẩn… bám vào. Chỉ cần định kỳ chiếu tia tử ngoại là nano TiO 2khử mùi hôi, diệt khuẩn, phân hủy chất hữu cơ và chỉ cần tổng vệ sinh bằng cách phun rửa bằng nước. - Những nơi thông thoáng, có nhiều khói xe khói tàu kể cả khói thuốc lá như ở các đường hầm, nhà ga… người ta cũng phun nano TiO 2để tránh bớt ô nhiễm, dễ tổng vệ sinh. Quang xúc tác nano TiO 2được dùng rất rộng rãi và được xem như một điển hình của việc ứng dụng công nghệ nano cải thiện môi trường. Nửa gương ở phòng tắm có phủ quang xúc tác TiO2, không bị mờ.