Chế Tạo Và Khảo Sát Tính Chất Quang Của Vật Liệu Phát Quang TiO2 Pha Tạp Đất Hiếm

Chuyên khảo phân tích Chế tạo và khảo sát tính chất quang của vật liệu phát quang tio2 pha tạp đất hiếm, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Phạm Quốc Trung
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thụy Thanh Giang
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Vật Liệu
• Đề tài: Chế Tạo Và Khảo Sát Tính Chất Quang Của Vật Liệu Phát Quang TiO2 Pha Tạp Đất Hiếm
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KIẾN THỨC VỀ VẬT LIỆU PHÁT QUANG TIO2 PHA TẠP ĐẤT HIẾM
• 1.1. VẬT LIỆU TIO2
• 1.1.1. Cấu trúc vật liệu TiO2
• 1.1.2. Cấu trúc vùng năng lượng của TiO2
• 1.1.3. Một số ứng dụng của vật liệu TiO2 nano
• 1.2. LÝ THUYẾT VỀ NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM
• 1.2.1. Tổng quan về các nguyên tố đất hiếm
• 1.2.2. Sự chuyển dịch mức năng lượng của ion đất hiếm
• 1.2.3. Đặc trưng quang phổ của các nguyên tố đất hiếm
• 1.3. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU TIO2 NANO
• 1.3.1. Phương pháp Sol-gel
• 1.3.2. Phương pháp thủy nhiệt
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
• 2.1. HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ
• 2.1.1. Hóa chất sử dụng
• 2.1.2. Thiết bị sử dụng
• 2.2. QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM
• 2.3. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
• 2.3.1. Nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.3.2. Phương pháp phổ hấp thụ khả kiến (UV-vis)
• 2.3.3. Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại FT – IR
• 2.3.4. Phương pháp phổ tán xạ Raman
• 2.3.5. Phương pháp phổ phát quang
• 2.3.6. Kính hiển vi điện tử quét SEM
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. KHẢO SÁT CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU TIO2 PHA TẠP ĐẤT HIẾM
• 3.1.1. Ảnh SEM bề mặt của vật liệu TiO2 pha tạp Er
• 3.1.2. Phổ tán xạ Raman của vật liệu TiO2 thuần và TiO2 pha tạp Er
• 3.1.3. Phổ hồng ngoại (FT-IR) của vật liệu TiO2 pha tạp Er
• 3.1.4. Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu TiO2 thuần và TiO2 pha tạp Er
• 3.1.5. Phổ EDX của vật liệu TiO2 pha tạp Er
• 3.1.6. Phổ huỳnh quang của vật liệu TiO2 pha tạp Er
• 3.2. KHẢO SÁT ỨNG DỤNG QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU NANO TIO2 VÀ VẬT LIỆU NANO TIO2 PHA TẠP RE
• 3.2.1. Kích thích bằng tia UV
• 3.2.2. Kích thích bằng bước sóng λ = 980 nm
• KẾT LUẬN CHUNG
• KIẾN NGHỊ VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Khóa Luận Nghiên Cứu Vật Liệu Phát Quang TiO2 55

Vài năm gần đây, công nghệ vật liệu nano phát triển mạnh mẽ. Vật liệu kích thước nano được chế tạo để đáp ứng nhu cầu đời sống. Khi kích thước giảm xuống nano, vật liệu có tính chất vật lý, hóa học đặc biệt, thu hút sự quan tâm của giới khoa học. Vật liệu nano TiO2 là một lựa chọn mới lạ nhờ tính chất đặc biệt và khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực quan trọng như: vật liệu tự làm sạch, tế bào năng lượng mặt trời, điều trị và ngăn ngừa ung thư, sản xuất hydro, công nghệ chiếu sáng và thiết bị quang. Vật liệu nano TiO2 có nhiều dạng thù hình đặc biệt như: hình cầu, hình ống, hình thanh, hình dây, hình tấm và hình sợi, phù hợp với nhiều ứng dụng đặc biệt trong việc chế tạo cảm biến khí. Với ưu điểm như ổn định ở nhiệt độ cao, bền với các tác nhân môi trường, không độc hại với người sử dụng cùng với tính chất quang đặc biệt, TiO2 được sử dụng như một chất nền hiệu quả suất cao trong việc pha tạp các ion nguyên tố đất hiếm để nâng cao hiệu suất phát quang.

1.1. Giới thiệu chung về vật liệu TiO2 và ứng dụng 45

TiO2 (Titanium dioxide) là một bán dẫn điển hình, hình thành ở nhiệt độ cao khi Ti tác dụng với O, có công thức hóa học TiO2. Trạng thái oxi hóa đặc trưng và bền nhất của nguyên tố Ti là +4 (TiO2) do các Ti4+ có cấu hình bền của khí hiếm (18 điện tử). TiO2 kích thước micro rất bền về mặt hóa học, trong khi TiO2 kích thước nano có thể tham gia phản ứng với các axit mạnh. Các dạng oxit, hydroxit và các hợp chất của Ti (IV) đều có tính chất lưỡng tính. TiO2 có một số tính chất ưu việt thích hợp để dùng làm chất quang xúc tác.

1.2. Vai trò của việc pha tạp đất hiếm vào TiO2 48

Vật liệu TiO2 nano có độ rộng vùng cấm khoảng 3,0 ~ 3,2 eV, có năng lượng photon thấp, do vậy, xác suất chuyển dời phát xạ cao. Vì vậy, vật liệu phát quang của ion RE trên nền TiO2 cấu trúc nano với độ chói và hiệu suất phát quang cao, phát bức xạ trong vùng ánh sáng nhìn thấy đang được quan tâm và nghiên cứu. Các ion đất hiếm sở hữu các tính chất nổi bật như: cường độ lớn, tuổi thọ dài, bước sóng phát xạ rộng từ vùng khả kiến đến vùng hồng ngoại. Ví dụ như ion Eu, sẽ phát ra bức xạ nằm trong vùng khả kiến tại 580, 593, 613, 653 và 702 nm.

II. Phân Tích Cấu Trúc và Tính Chất Quang của TiO2 58

TiO2 tồn tại ở ba dạng đa hình riêng biệt: brookite, rutile và anatase. Trong tự nhiên, pha brookite rất phong phú nhưng không ổn định và dễ bị chuyển đổi thành những pha khác, pha anatase và rutile là phổ biến và được nghiên cứu nhiều nhất. Pha rutile ổn định nhất và được hình thành trong nhiệt độ tương đối cao còn pha anatase thì được hình thành ở nhiệt độ thấp hơn (khoảng 450°C). Giai đoạn anatase biến đổi không thể đảo ngược thành pha rutile ở nhiệt độ cao, liên quan đến sự vỡ và hình thành các liên kết mới. Tuy nhiên, giai đoạn chuyển đổi này anatase – rutile, không diễn ra tại nhiệt độ nhất định mà còn phụ thuộc vào quá trình tổng hợp của nó và các đặc điểm khác như hình dạng và kích thước hạt.

2.1. Cấu trúc tinh thể của TiO2 Anatase Rutile Brookite 52

Đơn vị cấu trúc cơ bản trong ba tinh thể TiO2 này tạo thành từ các đơn vị bát diện TiO6 và có các chế độ sắp xếp khác nhau. Ở dạng rutil, bát diện TiO6 liên kết bằng cách chia sẻ một cạnh dọc theo trục c để tạo ra các chuỗi. Các chuỗi này sau đó được liên kết với nhau bằng cách chia sẻ các nguyên tử oxy ở góc để tạo thành một khung ba chiều. Ngược lại, trong anatase, khung ba chiều được tạo ra bởi liên kết chia sẻ cạnh giữa các bát diện TiO6. Trong brookite, các khối bát diện có chung cả cạnh và góc tạo thành cấu trúc hình thoi.

2.2. Vùng năng lượng và tính chất quang của TiO2 49

TiO2 là một bán dẫn có độ rộng vùng cấm tương đối lớn, vùng hóa trị được lấp đầy electron, vùng dẫn hoàn toàn trống. TiO2 ở pha anatase có độ rộng vùng cấm khoảng 3,2 eV, tương ứng với năng lượng của một lượng tử ánh sáng với bước sóng khoảng 388 nm, còn TiO2 pha rutile có độ rộng vùng cấm khoảng 3,0 eV tương ứng với năng lượng của một lượng tử ánh sáng với bước sóng khoảng 413 nm.

III. Phương Pháp Sol Gel Chế Tạo Vật Liệu TiO2 Pha Tạp 59

Có rất nhiều phương pháp tiếp cận vật liệu nano TiO2 như: phương pháp lắng đọng hơi hóa học, phương pháp sol – gel, phương pháp phún xạ, phương pháp thủy nhiệt. Với các ưu điểm như phương pháp chế tạo đơn giản, sử dụng các trang thiết bị có sẵn, hóa chất dễ tìm ít độc hại, thời gian thực hiện nhanh, phương pháp sol-gel được lựa chọn để thực hiện đề tài “Chế tạo và khảo sát tính chất quang của vật liệu phát quang TiO2 pha tạp đất hiếm”.

3.1. Ưu điểm của phương pháp Sol Gel trong tổng hợp TiO2 54

Phương pháp sol-gel được ưa chuộng vì tính đơn giản, dễ kiểm soát thành phần và kích thước hạt, chi phí thấp. Quá trình sol-gel bắt đầu bằng việc tạo sol (dung dịch keo) từ các tiền chất kim loại, sau đó chuyển thành gel (mạng lưới rắn) thông qua quá trình thủy phân và ngưng tụ. Gel sau đó được sấy khô và nung để tạo thành vật liệu TiO2 mong muốn.

3.2. Quy trình thực nghiệm chế tạo TiO2 pha tạp đất hiếm 57

Quy trình thực nghiệm bao gồm các bước: chuẩn bị dung dịch tiền chất, thêm nguyên tố đất hiếm vào dung dịch, khuấy trộn để tạo sol, để yên để tạo gel, sấy khô gel, và cuối cùng là nung gel ở nhiệt độ cao để tạo thành vật liệu TiO2 pha tạp đất hiếm. Nhiệt độ nung và thời gian nung ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể và tính chất quang của vật liệu.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Tính Chất Quang của TiO2 RE 53

Nghiên cứu tập trung vào khảo sát cấu trúc tinh thể và tính chất của vật liệu TiO2 pha tạp đất hiếm. Các phương pháp phân tích như nhiễu xạ tia X (XRD), phổ Raman, phổ hồng ngoại (FT-IR), kính hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ huỳnh quang (PL) được sử dụng để đánh giá vật liệu. Kết quả cho thấy sự thay đổi cấu trúc và tính chất quang của TiO2 khi pha tạp các nguyên tố đất hiếm khác nhau.

4.1. Ảnh hưởng của nguyên tố đất hiếm đến cấu trúc TiO2 55

Việc pha tạp đất hiếm vào TiO2 có thể làm thay đổi kích thước hạt, cấu trúc tinh thể và độ kết tinh của vật liệu. Phân tích XRD cho thấy sự xuất hiện của các pha mới hoặc sự thay đổi vị trí và cường độ của các đỉnh nhiễu xạ, cho thấy sự tích hợp của nguyên tố đất hiếm vào mạng lưới tinh thể TiO2.

4.2. Phổ phát xạ huỳnh quang của TiO2 pha tạp đất hiếm 58

Phổ huỳnh quang (PL) cho thấy các đỉnh phát xạ đặc trưng của các ion đất hiếm trong vùng khả kiến và hồng ngoại. Cường độ và vị trí của các đỉnh phát xạ phụ thuộc vào loại nguyên tố đất hiếm, nồng độ pha tạp và điều kiện nung. Điều này cho thấy khả năng điều chỉnh tính chất quang của TiO2 thông qua việc pha tạp đất hiếm.

4.3. Ứng dụng quang xúc tác của vật liệu TiO2 RE 50

Hiệu ứng quang xúc tác của vật liệu TiO2 thuần và TiO2:RE được khảo sát dưới ánh sáng tử ngoại thông qua sự mất màu của dung dịch MB. Kết quả cho thấy TiO2 pha tạp đất hiếm có khả năng quang xúc tác cao hơn so với TiO2 thuần, do sự tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm sự tái hợp electron-lỗ trống.

V. Ứng Dụng Tiềm Năng của Vật Liệu Phát Quang TiO2 59

Vật liệu phát quang TiO2 pha tạp đất hiếm có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như: tế bào năng lượng mặt trời, đèn LED, cảm biến, và y sinh học. Khả năng phát xạ ánh sáng trong vùng khả kiến và hồng ngoại, cùng với tính chất quang xúc tác, làm cho vật liệu này trở thành một ứng cử viên sáng giá cho các ứng dụng công nghệ cao.

5.1. Ứng dụng trong tế bào năng lượng mặt trời 45

TiO2 pha tạp đất hiếm có thể được sử dụng trong tế bào năng lượng mặt trời để tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Các ion đất hiếm có thể hấp thụ ánh sáng và chuyển năng lượng cho TiO2, giúp tăng cường khả năng tạo ra electron và lỗ trống.

5.2. Ứng dụng trong đèn LED và thiết bị chiếu sáng 52

Vật liệu phát quang TiO2 pha tạp đất hiếm có thể được sử dụng trong đèn LED để tạo ra ánh sáng có màu sắc và cường độ mong muốn. Các ion đất hiếm phát ra ánh sáng ở các bước sóng khác nhau, cho phép điều chỉnh màu sắc của ánh sáng phát ra.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu TiO2 RE 57

Khóa luận đã trình bày quá trình chế tạo và khảo sát tính chất quang của vật liệu phát quang TiO2 pha tạp đất hiếm bằng phương pháp sol-gel. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc pha tạp đất hiếm có ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc và tính chất quang của TiO2, mở ra nhiều hướng nghiên cứu và ứng dụng tiềm năng trong tương lai.

6.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu chính 38

Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo vật liệu TiO2 pha tạp đất hiếm bằng phương pháp sol-gel, khảo sát cấu trúc và tính chất quang của vật liệu, và đánh giá hiệu ứng quang xúc tác của vật liệu. Kết quả cho thấy TiO2 pha tạp đất hiếm có nhiều ưu điểm so với TiO2 thuần.

6.2. Hướng phát triển và nghiên cứu tiếp theo 48

Hướng phát triển tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo, nghiên cứu ảnh hưởng của các nguyên tố đất hiếm khác nhau, và phát triển các ứng dụng cụ thể của vật liệu phát quang TiO2 pha tạp đất hiếm trong các lĩnh vực khác nhau.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP 1*¬1+&Ð1*1*+ӊ9Ұ7/,ӊ8 CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU PHÁT QUANG TIO2 PHA TẠP ĐẤT HIẾM GVHD: TS. LÊ THỤY THANH GIANG PGS. TRẦN THỊ THANH VÂN SVTH: PHẠM QUỐC TRUNG MSSV: 16130078 SKL 0 0 7 8 6 4 7S+ӗ&Kt0LQKWKiQJ 03/2021 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU PHÁT QUANG TIO2 PHA TẠP ĐẤT HIẾM GVHD: TS. LÊ THỤY THANH GIANG PGS. TRẦN THỊ THANH VÂN SVTH: PHẠM QUỐC TRUNG MSSV: 16130078 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2021 KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG CỘNG HÒA XÃ HỘI VIỆTNAM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ******* NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: Phạm Quốc Trung MSSV: 16130078 Ngành: Công Nghệ Vật liệu Tên đề tài: Chế tạo và khảo sát tính chất quang của vật liệu phát quang TiO2 pha tạp đất hiếm Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: TS. Lê Thụy Thanh Giang PGS. Trần Thị Thanh Vân Cơ quan công tác của GV hướng dẫn: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG Thành phố Hồ Chí Minh. Địa chỉ: 227 Nguyễn Văn Cừ, phường 4, quận 5, Thành phố Hồ Chí Minh. Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiện: . Tinh thần học tập, nghiên cứu của sinh viên: . Đề nghị cho bảo vệ hay không? . Hồ Chí Minh, ngày . tháng 03 năm 2021 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG CỘNG HÒA XÃ HỘI VIỆTNAM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ******* NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên:…………………………………. Họ và tên Giáo viên phản biện:……………………………………………………. Cơ quan công tác của GV phản biện:………………………………………………. Địa chỉ:……………………………………………………………………………… NHẬN XÉT 1.Về nội dung đề tài và khối lượng thực hiện: . Kiến nghị và câu hỏi: . Đề nghị cho bảo vệ hay không? . Hồ Chí Minh, ngày . tháng 03 năm 2021 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA TP. HCM VIỆT NAM KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG Độc lập - Tự do – Hạnh phúc BM CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU Tp. Hồ Chí Minh, ngày 05 tháng 06 năm 2020 NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Giảng viên hướng dẫn: TS. LÊ THỤY THANH GIANG PGS. TRẦN THỊ THANH VÂN Cơ quan công tác của giảng viên hướng dẫn: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG, Thành phố Hồ Chí Minh. Sinh viên thực hiện: PHẠM QUỐC TRUNG MSSV: 16130078 1. Tên đề tài: - Chế tạo và khảo sát tính chất quang của vật liệu phát quang TiO2 pha tạp đất hiếm 2. Nội dung chính của khóa luận: - Chế tạo vật liệu TiO2 và vật liệu TiO2 pha tạp đất hiếm bằng phương pháp sol – gel. - Khảo sát cấu trúc của vật liệu TiO2 với sự thay đổi nhiệt độ nung. - Khảo sát tính chất quang, hình dạng và kích thước hạt của vật liệu TiO2 pha tạp đất hiếm với từng nguyên tố đất hiếm khác nhau. Các sản phẩm dự kiến: - Vật liệu phát quang TiO2 pha tạp Eu3+, Er3+, Tm3+ và đồng pha tạp - Kết quả phân tích cấu trúc và tính chất của vật liệu TiO2 pha tạp và đồng pha tạp nguyên tố đất hiếm 4. Ngôn ngữ trình bày Bản báo cáo: Tiếng Anh  Tiếng Việt  Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh  Tiếng Việt  TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ((Ký & ghi rõ họ tên) (Ký & ghi rõ họ tên LỜI CẢM ƠN Đề tài: “Chế tạo và khảo sát tính chất quang của vật liệu phát quang TiO2 pha tạp đất hiếm” là đề tài em chọn làm luận văn tốt nghiệp của mình. Đầu tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Trần Thị Thanh Vân và TS.Lê Thụy Thanh Giang – người cô đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Em xin cảm ơn thầy Trần Quang Trung đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất và trang thiết bị sử dụng cho luận văn này. Em cũng xin cảm ơn các thầy, cô Khoa Khoa học ứng dụng đã dìu dắt em trong những ngày đầu trong thời sinh viên, các kiến thức và kinh nghiệm các thầy cô truyền đạt đã giúp đỡ em rất nhiều trong việc hoàn thành khóa luận. Lời cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã luôn quan tâm, động viên và là chỗ dựa vững chắc trong suốt cuộc đời này. Hồ Chí Minh, ngày 1 tháng 3 năm 2021. Phạm Quốc Trung i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những kết quả đạt được trong luận văn này là nghiên cứu của chính chúng tôi. Các số liệu kết quả phân tích thực nghiệm đều là trung thực, chưa từng công bố trong bất kì công trình nghiên cứu nào. Mọi tham khảo, trích dẫn đều có ghi rõ nguồn trong phần danh mục tài liệu tham khảo. Hồ Chí Minh, ngày 1 tháng 3 năm 2021 Tác giả Phạm Quốc Trung ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN . i LỜI CAM ĐOAN . ii MỤC LỤC . iii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT .v DANH MỤC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ . vi DANH MỤC HÌNH ẢNH . vii LỜI MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KIẾN THỨC VỀ VẬT LIỆU PHÁT QUANG TIO2 PHA TẠP ĐẤT HIẾM. VẬT LIỆU TIO2 . Cấu trúc vật liệu TiO2 . Cấu trúc vùng năng lượng của TiO2 . Một số ứng dụng của vật liệu TiO2 nano . LÝ THUYẾT VỀ NGUYÊN TỐ ĐẤT HIẾM. Tổng quan về các nguyên tố đất hiếm . Sự chuyển dịch mức năng lượng của ion đất hiếm . Đặc trưng quang phổ của các nguyên tố đất hiếm . MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU TIO2 NANO . Phương pháp Sol-gel. Phương pháp thủy nhiệt .18 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH . HÓA CHẤT VÀ THIẾT BỊ . Hóa chất sử dụng . Thiết bị sử dụng . QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM . MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH . Nhiễu xạ tia X (XRD) . Phương pháp phổ hấp thụ khả kiến (UV-vis) . Phương pháp phổ hấp thụ hồng ngoại FT – IR . Phương pháp phổ tán xạ Raman . Phương pháp phổ phát quang . Kính hiển vi điện tử quét SEM .26 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN . KHẢO SÁT CẤU TRÚC TINH THỂ VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU TIO2 PHA TẠP ĐẤT HIẾM . Ảnh SEM bề mặt của vật liệu TiO2 pha tạp Er . Phổ tán xạ Raman của vật liệu TiO2 thuần và TiO2 pha tạp Er .3 Phổ hồng ngoại (FT-IR) của vật liệu TiO2 pha tạp Er . Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu TiO2 thuần và TiO2 pha tạp Er . Phổ EDX của vật liệu TiO2 pha tạp Er . Phổ huỳnh quang của vật liệu TiO2 pha tạp Er . KHẢO SÁT ỨNG DỤNG QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU NANO TIO2 VÀ VẬT LIỆU NANO TIO2 PHA TẠP RE. Kích thích bằng tia UV. Kích thích bằng bước sóng λ = 980 nm .39 KẾT LUẬN CHUNG .42 KIẾN NGHỊ VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN .43 TÀI LIỆU THAM KHẢO.44 iv DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên Tiếng Anh Tên Tiếng Việt RE Rare Earth Đất hiếm XRD X – ray Diffaction Kỹ thuật nhiễu xạ tia X DSSC Dye Sensitized Solar Cells VB Valence Band Vùng hóa trị CB Conduction Band Vùng dẫn UV Ultra Violet Tia cực tím DNA Deoxyribonucleic axit FT-IR Fourier-transform infrared Phổ hấp thụ hồng ngoại spectroscopy PL Photo luminescent Phổ huỳnh quang SEM Scaning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét TEM Transmission Electron Microscope Kính hiển vi điện tử truyền qua EDX Energy-dispersive X-ray Phổ tán sắc năng lượng tia X spectroscopy v DANH MỤC BẢNG VÀ SƠ ĐỒ Bảng Tên bảng Trang 1.1 Tính chất tinh thể học của rutile, anatase và brookite 4 1.2 Các thông số đặc trưng của TiO2 anatase và rutile 5 1.3 Các ứng dụng phổ biến của TiO2 cấu trúc nano 6 1.4 Cấu trúc điện tử và trạng thái cơ bản của các ion RE3+ 12 1.5 Tổng hợp điều kiện thực nghiệm và tính chất hình thái của 18 nano TiO2 sản xuất bằng phương pháp sol – gel 1.6 Tổng hợp điều kiện thí nghiệm và tính chất hình thái của nano 19 TiO2 sản xuất bằng phương pháp thủy nhiệt 2.1 Danh sách hóa chất được sử dụng 20 2.2 Danh sách thiết bị được sử dụng 20, 21 3.1 Vị trí đỉnh đặc trưng của mẫu TiO2:0,2Er thay đổi theo nhiệt 31 độ nung 3.2 Kích thước hạt nano TiO2 thuần được tính dựa theo giãn đồ 33 XRD 3.3 Phần trăm theo khối lượng và nguyên tử của vật liệu TiO2 34 pha tạp Er 3.4 So sánh hiệu suất phân tủy MB của TiO2 thuầnvà TiO2 pha 38 tạp với kích thích tia UV 3.5 So sánh hiệu suất phân tủy MB của TiO2 thuần và TiO2 pha 40 tạp dưới kích thích λ = 980 nm Sơ Tên sơ đồ Trang đồ 2.1 Quy trình chế tạo hạt nano 22 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình Tên Trang 1.1 Tế bào đơn vị của rutile, anatase và brookte (từ trái sang 3 phải) 1.2 Sự sắp xếp chuỗi bát diện Ti-6O2- trong cấu trúc rutile và 4 anatase 1.3 Giãn đồ vùng năng lượng của TiO2 6 1.4 Cấu trúc của DSSC 7 1.5 Nguyên lý hoạt động của DSSC 8 1.6 Cơ chế tách nước để sản xuất hydro trên bề mặt của các hạt 9 nano TiO2 1.7 Sự phá vỡ cấu trúc DNA của tia cực tím 10 1.8 Cấu trúc của nguyên tử ion Re3+ (trái) và kim loại chuyển 13 tiếp (phải) 1.9 Giãn đồ cấu trúc mức năng lượng Dieke 13 1.10 Phổ phát xạ của ion Eu3+ 16 1.11 Phổ phát xạ của ion Er3+ 16 1.12 Phổ phát xạ của ion Tm3+ 17 2.1 Máy nhiễu xạ tia X 23 2.2 Thiết bị đo phổ Uv-vis 24 2.3 Thiết bị đo phổ FT – IR 24 2.4 Cấu tạo hệ đo phổ quang phát quang 25 2.5 Các bộ phận của thiết bị SEM 26 2.6 Thiết bị đo SEM 27 3.1 a) Ảnh SEM bề mặt và b) giản đồ phân bố kích thước hạt của 28 vật liệu TiO2 pha tạp Er 3.2 Phổ tán xạ Raman của hạt nano TiO2 sau khi nung tại: 600C, 29 700C, 800C, 900C 3.3 Phổ tán xạ Raman của vật liệu TiO2 pha tạp Er sau khi nung 30 tại 600C, 700C, 800C 3.4 Phổ FT – IR của vật liệu TiO2 pha tạp Er sau khi được xử lý 32 ở 600C và 800C 3.5 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu TiO2 và TiO2:Er 32 3.6 Phổ EDX của vật liệu TiO2 pha tạp Er 33 3.