I. Chế tạo điện cực quang
Luận văn tập trung vào chế tạo điện cực quang từ vật liệu G-C3N4/TiO2 với cấu trúc ống nano. Quá trình này bao gồm việc tổng hợp TiO2 bằng phương pháp thủy nhiệt và kết hợp với G-C3N4 để tạo thành vật liệu composit. Điện cực quang được chế tạo nhằm ứng dụng trong lĩnh vực quang điện hóa, đặc biệt là trong việc chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học. Các phương pháp như nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), và phổ UV-Vis được sử dụng để đặc trưng vật liệu.
1.1. Tổng hợp vật liệu TiO2
Vật liệu TiO2 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, tạo ra cấu trúc ống nano với diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp thụ ánh sáng tốt. TiO2 là vật liệu bán dẫn phổ biến trong quang điện hóa do tính chất không độc, chi phí thấp và hiệu suất quang hóa cao. Tuy nhiên, TiO2 chỉ hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng tử ngoại, điều này hạn chế ứng dụng của nó trong điều kiện ánh sáng mặt trời.
1.2. Tổng hợp vật liệu G C3N4
G-C3N4 là một chất bán dẫn polymer hữu cơ có cấu trúc lớp tương tự graphene. Với độ rộng vùng cấm nhỏ hơn (2.7 eV), G-C3N4 có thể hoạt động trong vùng ánh sáng nhìn thấy, giúp tăng hiệu suất hấp thụ ánh sáng mặt trời. Tuy nhiên, G-C3N4 tinh khiết có tốc độ tái tổ hợp electron và lỗ trống cao, làm giảm hiệu suất quang xúc tác.
II. Cấu trúc ống nano
Cấu trúc ống nano của TiO2 được nghiên cứu kỹ lưỡng trong luận văn. Cấu trúc này không chỉ tăng diện tích bề mặt mà còn cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và hiệu suất quang xúc tác. Ống nano TiO2 được chế tạo bằng các phương pháp như thủy nhiệt, điện hóa anốt và kéo sợi điện. Các kết quả từ SEM và TEM cho thấy cấu trúc ống nano đồng đều và ổn định, phù hợp cho các ứng dụng quang điện hóa.
2.1. Phương pháp thủy nhiệt
Phương pháp thủy nhiệt được sử dụng để tổng hợp ống nano TiO2 với kích thước và hình dạng đồng đều. Quá trình này đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ và thời gian phản ứng để đạt được cấu trúc tối ưu. Kết quả từ XRD và SEM cho thấy ống nano TiO2 có cấu trúc tinh thể anatase, phù hợp cho các ứng dụng quang xúc tác.
2.2. Phương pháp điện hóa anốt
Phương pháp điện hóa anốt được áp dụng để tạo ra ống nano TiO2 với độ dày và chiều dài có thể điều chỉnh. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt hơn cấu trúc bề mặt và độ xốp của vật liệu, giúp tăng hiệu suất hấp thụ ánh sáng và phản ứng quang điện hóa.
III. Ứng dụng quang điện hóa
Luận văn đề cập đến các ứng dụng quang điện hóa của vật liệu G-C3N4/TiO2 cấu trúc ống nano. Vật liệu này được sử dụng trong các thiết bị quang điện hóa như pin mặt trời và hệ thống sản xuất hydro từ nước. Quang điện hóa là quá trình chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học, đặc biệt là sản xuất hydro, một nguồn năng lượng sạch và tái tạo.
3.1. Sản xuất hydro
Vật liệu G-C3N4/TiO2 được sử dụng trong quá trình quang điện phân nước để sản xuất hydro. Kết quả thí nghiệm cho thấy hiệu suất chuyển đổi quang của vật liệu này cao hơn so với TiO2 tinh khiết, nhờ vào khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy của G-C3N4 và cấu trúc ống nano của TiO2.
3.2. Xử lý môi trường
Vật liệu G-C3N4/TiO2 cũng được nghiên cứu để ứng dụng trong xử lý môi trường, đặc biệt là phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ dưới ánh sáng mặt trời. Hiệu suất quang xúc tác của vật liệu này được đánh giá cao nhờ vào khả năng hấp thụ ánh sáng rộng và tốc độ phản ứng nhanh.
