Luận văn thạc sĩ chế tạo vật liệu tio2 au cds ứng dụng trong quang điện hóa tách nước

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo vật liệu TiO2-Au-CdS ứng dụng trong quang điện hóa tách nước, hướng đến phát triển năng lượng sạch hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Xuân Đại
• Người hướng dẫn: TS. Đoàn Minh Thủy
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Chế tạo vật liệu TiO2/Au/CdS ứng dụng trong quang điện hóa tách nước
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Quy Nhơn

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• MỞ ĐẦU
• 0.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
• 0.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 0.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 0.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO TiO2
• 1.1. Các dạng cấu trúc của TiO2 nano
• 1.2. Một số ứng dụng của vật liệu TiO2
• 1.3. TỔNG QUAN VỀ Au, CdS
• 1.3.1. Cấu trúc và đặc tính của
• 1.3.2. Plasmon bề mặt và hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt
• 1.3.3. Vật liệu CdS
• 1.3.4. Ứng dụng và một số phương pháp chế tạo của vật liệu nano CdS
• 1.4. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU
• 2.1. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU
• 2.1.1. Phương pháp hóa ướt
• 2.1.2. Phương pháp quay điện
• 2.2. THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU
• 2.2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị
• 2.2.2. Chế tạo mẫu
• 2.3. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU
• 2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.3.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.3.3. Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – nhìn thấy (UV-Vis-DRS)
• 2.3.4. Phương pháp quét thế tuyến tính (Linear sweep voltammetry)
• 2.3.5. Đo thuộc tính quang điện hóa tách nước
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. KẾT QUẢ NHIỄU XẠ TIA X
• 3.2. KẾT QUẢ ẢNH SEM
• 3.2.1. Kết quả ảnh SEM của vật liệu sợi TiO2
• 3.2.2. Kết quả ảnh SEM của vật liệu sợi Au/TiO2
• 3.2.3. Kết quả ảnh SEM của vật liệu sợi CdS/Au/TiO2
• 3.3. PHỔ HẤP THỤ TỬ NGOẠI KHẢ KIẾN
• 3.4. KẾT QUẢ ĐO DIỆN HÓA
• 3.4.1. Tính chất quang điện hóa của điện cực TiO2 và Au/TiO2
• 3.4.2. Tính chất quang điện hóa của điện cực CdS/Au/TiO2
• 3.4.3. Cơ chế truyền điện tích trong cấu trúc CdS/Au/TiO2
• KẾT LUẬN CHUNG
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Luận văn thạc sĩ 'Chế Tạo Vật Liệu TiO2-Au-CDs Ứng Dụng Trong Quang Điện Hóa Tách Nước' tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển vật liệu nano TiO2 kết hợp với Au và CdS nhằm ứng dụng trong lĩnh vực quang điện hóa tách nước. Vật liệu này hứa hẹn mang lại hiệu suất cao trong việc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro, một nguồn năng lượng sạch và bền vững. Luận văn được thực hiện bởi Nguyễn Xuân Đại dưới sự hướng dẫn của TS. Đoàn Minh Thủy tại Trường Đại học Quy Nhơn.

1.1. Lý do chọn đề tài

Nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và gây ra nhiều vấn đề môi trường như hiệu ứng nhà kính và ô nhiễm không khí. Hydro được xem là giải pháp thay thế tiềm năng do tính sạch và khả năng tái tạo. Quang điện hóa tách nước là phương pháp hiệu quả để sản xuất hydro từ nước và năng lượng mặt trời. TiO2 là vật liệu bán dẫn được quan tâm do tính ổn định và khả năng xúc tác quang, tuy nhiên, vùng cấm rộng của TiO2 hạn chế hiệu suất trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Việc kết hợp TiO2 với Au và CdS nhằm mở rộng phổ hấp thụ và tăng hiệu suất quang điện hóa.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là chế tạo vật liệu nano TiO2 bằng phương pháp electrospinning, biến tính bề mặt với Au và CdS, và khảo sát các tính chất quang điện hóa của vật liệu. Nghiên cứu nhằm tối ưu hóa hiệu suất tách nước của điện cực chế tạo được, góp phần phát triển công nghệ sản xuất hydro sạch.

II. Tổng quan về vật liệu

Luận văn cung cấp cái nhìn tổng quan về các vật liệu chính được sử dụng trong nghiên cứu, bao gồm TiO2, Au, và CdS. Các tính chất vật lý, hóa học, và ứng dụng của từng vật liệu được phân tích chi tiết, đặc biệt là khả năng tương tác quang điện hóa và hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt của Au.

2.1. Vật liệu TiO2

TiO2 là chất bán dẫn có cấu trúc tinh thể anatase, rutile, và brookite. Với vùng cấm rộng (3.2 eV), TiO2 chỉ hấp thụ ánh sáng UV, chiếm một phần nhỏ trong phổ mặt trời. Các phương pháp biến tính như kết hợp với chất bán dẫn vùng cấm hẹp (CdS) hoặc kim loại quý (Au) được đề xuất để mở rộng phổ hấp thụ và tăng hiệu suất quang điện hóa.

2.2. Vật liệu Au và CdS

Au có hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt, giúp tăng cường hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến. CdS có vùng cấm hẹp (2.42 eV), phù hợp để kích thích bằng ánh sáng nhìn thấy. Sự kết hợp TiO2-Au-CdS tạo ra cấu trúc có khả năng hấp thụ ánh sáng rộng và hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao.

III. Phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng phương pháp thực nghiệm để chế tạo và khảo sát vật liệu. Các phương pháp chính bao gồm electrospinning để tạo sợi nano TiO2, phương pháp hóa ướt để lắng đọng Au và CdS, và các kỹ thuật phân tích như XRD, SEM, và UV-Vis để đánh giá cấu trúc và tính chất quang điện hóa của vật liệu.

3.1. Chế tạo vật liệu

Vật liệu TiO2 được chế tạo bằng phương pháp electrospinning, tạo ra các sợi nano có kích thước đồng đều. Au và CdS được lắng đọng trên bề mặt TiO2 bằng phương pháp hóa ướt, đảm bảo sự phân bố đồng đều và liên kết chặt chẽ giữa các thành phần.

3.2. Khảo sát tính chất

Các phương pháp phân tích như XRD được sử dụng để xác định cấu trúc tinh thể, SEM để quan sát hình thái bề mặt, và UV-Vis để đo phổ hấp thụ ánh sáng. Hệ đo điện hóa được sử dụng để đánh giá hiệu suất quang điện hóa tách nước của vật liệu.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu TiO2-Au-CdS có cấu trúc nano đồng đều, khả năng hấp thụ ánh sáng rộng, và hiệu suất quang điện hóa cao. Các kết quả phân tích XRD và SEM xác nhận sự hình thành cấu trúc mong muốn, trong khi phổ UV-Vis cho thấy sự mở rộng phổ hấp thụ sang vùng ánh sáng nhìn thấy.

4.1. Kết quả XRD và SEM

Phân tích XRD xác nhận sự hiện diện của các pha TiO2, Au, và CdS trong vật liệu. Ảnh SEM cho thấy các sợi nano TiO2 có kích thước đồng đều, với Au và CdS phân bố đều trên bề mặt.

4.2. Hiệu suất quang điện hóa

Kết quả đo điện hóa cho thấy vật liệu TiO2-Au-CdS có mật độ dòng quang cao hơn so với TiO2 nguyên chất, chứng tỏ hiệu quả của việc biến tính bề mặt. Cơ chế truyền điện tích trong cấu trúc CdS-Au-TiO2 được đề xuất để giải thích hiệu suất tăng cường.

V. Kết luận và ứng dụng

Luận văn kết luận rằng vật liệu TiO2-Au-CdS có tiềm năng lớn trong ứng dụng quang điện hóa tách nước. Việc kết hợp Au và CdS giúp mở rộng phổ hấp thụ và tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành hydro. Nghiên cứu này góp phần phát triển công nghệ sản xuất hydro sạch và bền vững, giải quyết các vấn đề năng lượng và môi trường hiện nay.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng toàn cầu hiện nay phụ thuộc chủ yếu vào nguồn năng lượng hóa thạch, chiếm hơn 85% tổng tiêu thụ. Tuy nhiên, nguồn tài nguyên này đang dần cạn kiệt và gây ra các vấn đề môi trường nghiêm trọng như phát thải khí CO2 và ô nhiễm không khí. Trong bối cảnh đó, hydro được xem là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm và có thể sản xuất từ nhiều nguồn tái tạo khác nhau. Phương pháp quang điện hóa tách nước, đặc biệt là sử dụng vật liệu bán dẫn nano, được đánh giá là giải pháp tiềm năng để sản xuất hydro sạch và bền vững.

Titanium Dioxide (TiO2) là vật liệu bán dẫn được quan tâm rộng rãi nhờ tính chất quang xúc tác mạnh, bền vững và không độc hại. Tuy nhiên, TiO2 có vùng cấm rộng (Eg ≈ 3,2 eV) chỉ hấp thụ ánh sáng tử ngoại, chiếm khoảng 4% năng lượng mặt trời, dẫn đến hiệu suất thấp trong ứng dụng quang điện hóa. Để khắc phục hạn chế này, việc biến tính TiO2 bằng cách kết hợp với các vật liệu có vùng cấm hẹp hơn như Cadmium Sulfide (CdS, Eg ≈ 2,42 eV) và các hạt nano vàng (Au) nhằm tận dụng hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) đã được nghiên cứu nhằm mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng và nâng cao hiệu suất tách nước.

Luận văn tập trung vào việc chế tạo vật liệu TiO2/Au/CdS dạng nano sợi bằng phương pháp electrospinning kết hợp với lắng đọng hóa học, khảo sát cấu trúc, hình thái bề mặt và đặc tính quang điện hóa nhằm tối ưu hóa hiệu suất tách nước. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Quy Nhơn, với mục tiêu ứng dụng trong công nghệ sản xuất hydro sạch từ năng lượng mặt trời.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết quang điện hóa và hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR). Lý thuyết quang điện hóa mô tả quá trình kích thích electron từ vùng hóa trị lên vùng dẫn của vật liệu bán dẫn khi hấp thụ photon, tạo ra cặp electron-lỗ trống tham gia phản ứng tách nước. Hiệu ứng SPR của các hạt nano kim loại quý như vàng giúp tăng cường hấp thụ ánh sáng khả kiến nhờ dao động tập thể của electron tự do trên bề mặt hạt, từ đó tăng mật độ dòng quang điện.

Mô hình nghiên cứu tập trung vào cấu trúc nano sợi TiO2 được biến tính bề mặt bằng lắng đọng các hạt nano Au và CdS. Các khái niệm chính bao gồm: vùng cấm năng lượng (Eg), hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt, quang điện hóa tách nước, và phương pháp electrospinning để chế tạo vật liệu nano sợi.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm chế tạo và khảo sát vật liệu tại phòng thí nghiệm. Cỡ mẫu gồm các điện cực TiO2, Au/TiO2 và CdS/Au/TiO2 được chế tạo trên đế dẫn trong suốt ITO với diện tích 2 cm². Phương pháp chọn mẫu là phương pháp thực nghiệm có kiểm soát, sử dụng electrospinning để tạo sợi nano TiO2, sau đó lắng đọng Au và CdS bằng phương pháp hóa ướt và thủy nhiệt.

Phân tích cấu trúc và hình thái bề mặt bằng nhiễu xạ tia X (XRD) và kính hiển vi điện tử quét (SEM). Phổ hấp thụ được đo bằng phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – nhìn thấy (UV-Vis-DRS). Thuộc tính quang điện hóa tách nước được khảo sát bằng phương pháp quét thế tuyến tính (Linear Sweep Voltammetry) trong hệ điện hóa ba điện cực với dung dịch điện phân Na2S/Na2SO3, sử dụng đèn Xenon công suất 100 mW/cm² làm nguồn sáng mô phỏng ánh sáng mặt trời.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong khoảng thời gian thực hiện luận văn thạc sĩ, bao gồm các bước chuẩn bị hóa chất, chế tạo mẫu, khảo sát đặc tính và phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Cấu trúc tinh thể và pha vật liệu: Phổ XRD cho thấy các mẫu TiO2 đều có pha anatase đặc trưng với các đỉnh tại 2θ = 25,36° và 37,78°. Mẫu Au/TiO2 xuất hiện thêm các đỉnh của vàng kim loại tại 38,1° và 44,4°, trong khi mẫu CdS/Au/TiO2 có thêm các đỉnh đặc trưng của CdS pha lục giác tại 24,9°, 26,3° và 28,2°. Kích thước hạt nano ước tính theo công thức Debye-Scherrer nằm trong khoảng nanomet, phù hợp với cấu trúc nano sợi.

2. Hình thái bề mặt: Ảnh SEM cho thấy sợi TiO2 có đường kính trung bình khoảng vài trăm nanomet, bề mặt sợi nhẵn và liên kết chặt chẽ. Sau khi lắng đọng Au và CdS, bề mặt sợi trở nên gồ ghề hơn với các hạt nano phân bố đều, kích thước hạt Au khoảng 10-20 nm. Sự phân bố đồng đều của các hạt nano giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc và cải thiện hiệu quả quang điện.

3. Phổ hấp thụ ánh sáng: Mẫu TiO2 hấp thụ chủ yếu ở vùng tử ngoại với bức xạ cắt khoảng 388 nm. Sau khi biến tính với Au và CdS, phổ hấp thụ mở rộng sang vùng ánh sáng khả kiến (400-700 nm), nhờ hiệu ứng SPR của Au và vùng cấm hẹp của CdS. Mẫu CdS/Au/TiO2 có phổ hấp thụ rộng nhất, tăng cường hấp thụ ánh sáng mặt trời.

4. Hiệu suất quang điện hóa tách nước: Mật độ dòng quang của điện cực TiO2 chỉ đạt khoảng 0,13 mA/cm² dưới ánh sáng mô phỏng. Khi kết hợp với CdS, mật độ dòng tăng lên 5,8 mA/cm², cao gấp khoảng 45 lần. Mẫu CdS/Au/TiO2 đạt mật độ dòng quang cao hơn, khoảng 7,5 mA/cm², cho thấy sự cải thiện đáng kể nhờ hiệu ứng cộng hưởng plasmon và truyền điện tích hiệu quả giữa các lớp vật liệu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất là do sự kết hợp hiệu quả giữa TiO2, Au và CdS tạo ra cấu trúc nano đa lớp với khả năng hấp thụ ánh sáng rộng hơn và giảm thiểu tái tổ hợp electron-lỗ trống. Hiệu ứng SPR của hạt nano vàng giúp tăng cường cường độ điện trường tại bề mặt, kích thích electron nóng chuyển sang TiO2, từ đó tăng mật độ dòng quang.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả mật độ dòng quang của mẫu CdS/Au/TiO2 trong nghiên cứu này tương đương hoặc vượt trội hơn, minh chứng cho hiệu quả của phương pháp chế tạo electrospinning kết hợp lắng đọng hóa học. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ hấp thụ UV-Vis và đồ thị dòng điện quang theo điện thế (I-V) để minh họa sự khác biệt giữa các mẫu.

Ý nghĩa của kết quả là mở ra hướng phát triển vật liệu quang điện hóa hiệu suất cao, thân thiện môi trường, góp phần thúc đẩy công nghệ sản xuất hydro sạch từ năng lượng mặt trời.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình chế tạo: Điều chỉnh tỷ lệ PVP/Ti trong dung dịch electrospinning và thời gian lắng đọng Au, CdS để kiểm soát kích thước hạt nano và độ phủ bề mặt, nhằm nâng cao hiệu suất quang điện. Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể: nhóm nghiên cứu vật liệu nano.

2. Nâng cao độ bền của điện cực: Áp dụng các lớp phủ bảo vệ chống ăn mòn quang học cho lớp CdS nhằm kéo dài tuổi thọ điện cực trong môi trường điện phân. Thời gian thực hiện: 4 tháng. Chủ thể: phòng thí nghiệm vật liệu và hóa học.

3. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng: Thử nghiệm tích hợp vật liệu TiO2/Au/CdS vào các thiết bị quang điện hóa quy mô nhỏ để đánh giá hiệu suất thực tế và khả năng thương mại hóa. Thời gian thực hiện: 1 năm. Chủ thể: nhóm phát triển công nghệ và doanh nghiệp.

4. Phát triển hệ thống thu nhận khí hydro hiệu quả: Thiết kế và tối ưu hệ thống thu khí hydro từ quá trình tách nước nhằm tăng hiệu suất thu hồi và giảm thất thoát. Thời gian thực hiện: 8 tháng. Chủ thể: nhóm kỹ thuật và công nghệ môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu nano và quang điện hóa: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về phương pháp chế tạo và đặc tính vật liệu TiO2/Au/CdS, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu tiếp theo về vật liệu quang xúc tác.

2. Kỹ sư phát triển công nghệ năng lượng tái tạo: Thông tin về hiệu suất và cơ chế hoạt động của vật liệu giúp thiết kế các thiết bị quang điện hóa tách nước hiệu quả hơn.

3. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành Vật lý chất rắn, Hóa học vật liệu: Tài liệu tham khảo thực nghiệm và lý thuyết về vật liệu bán dẫn nano, phương pháp electrospinning và kỹ thuật phân tích vật liệu.

4. Doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực năng lượng sạch: Cơ sở khoa học và công nghệ để đánh giá tiềm năng ứng dụng và phát triển sản phẩm hydro sạch từ năng lượng mặt trời.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao chọn TiO2 làm vật liệu nền trong nghiên cứu?
   TiO2 có tính quang xúc tác mạnh, bền vững, không độc hại và chi phí thấp. Mặc dù vùng cấm rộng, nhưng khi biến tính với CdS và Au, khả năng hấp thụ ánh sáng được mở rộng, phù hợp cho ứng dụng quang điện hóa tách nước.

2. Phương pháp electrospinning có ưu điểm gì?
   Electrospinning cho phép tạo sợi nano với kích thước đồng đều, chiều dài lớn, dễ điều chỉnh và có độ lặp lại cao, giúp tăng diện tích bề mặt và cải thiện hiệu suất quang điện.

3. Hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) của Au ảnh hưởng thế nào đến hiệu suất?
   SPR làm tăng cường hấp thụ ánh sáng khả kiến và tạo ra electron nóng, giúp tăng mật độ dòng quang và giảm tái tổ hợp electron-lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất tách nước.

4. Tại sao sử dụng dung dịch Na2S/Na2SO3 trong điện phân?
   Na2S cung cấp ion S²⁻ giúp bảo vệ lớp CdS khỏi ăn mòn quang học, trong khi Na2SO3 duy trì nồng độ ion S²⁻ ổn định trong quá trình chiếu sáng, đảm bảo hiệu suất ổn định.

5. Hiệu suất quang điện hóa của mẫu CdS/Au/TiO2 so với TiO2 đơn thuần như thế nào?
   Mẫu CdS/Au/TiO2 có mật độ dòng quang cao hơn gấp khoảng 50 lần so với TiO2 đơn thuần, nhờ sự kết hợp hiệu quả giữa các vật liệu và hiệu ứng SPR của Au.

Kết luận

• Đã thành công trong việc chế tạo vật liệu nano TiO2/Au/CdS dạng sợi trên đế ITO bằng phương pháp electrospinning kết hợp lắng đọng hóa học.
• Vật liệu biến tính mở rộng phổ hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến, tăng cường hiệu suất quang điện hóa tách nước.
• Mẫu CdS/Au/TiO2 đạt mật độ dòng quang cao nhất, cải thiện đáng kể so với TiO2 đơn thuần và Au/TiO2.
• Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu quang điện hóa hiệu suất cao, thân thiện môi trường cho sản xuất hydro sạch.
• Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm tối ưu hóa quy trình chế tạo, nâng cao độ bền và ứng dụng thực tế trong công nghệ năng lượng tái tạo.

Tiếp theo, nhóm nghiên cứu sẽ tập trung vào tối ưu hóa điều kiện chế tạo và thử nghiệm thiết bị quang điện hóa quy mô lớn. Để cập nhật thêm thông tin và hợp tác nghiên cứu, quý độc giả và các nhà khoa học vui lòng liên hệ trực tiếp với tác giả hoặc phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Quy Nhơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU.

PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO TiO2. Các dạng cấu trúc của TiO2 nano. Một số ứng dụng của vật liệu TiO2.

TỔNG QUAN VỀ Au, CdS. Cấu trúc và đặc tính của. Plasmon bề mặt và hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt. Vật liệu CdS.

Ứng dụng và một số phƣơng pháp chế tạo của vật liệu nano CdS. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU.

Phƣơng pháp hóa ƣớt. Phƣơng pháp quay điện. THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị.

Chế tạo mẫu. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM).

Phƣơng pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – nhìn thấy (UV- Vis-DRS). Phƣơng pháp quét thế tuyến tính (Linear sweep voltammetry). Đo thuộc tính quang điện hóa tách nƣớc. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.

KẾT QUẢ NHIỄU XẠ TIA X. KẾT QUẢ ẢNH SEM. Kết quả ảnh SEM của vật liệu sợi TiO2. Kết quả ảnh SEM của vật liệu sợi Au/TiO2.

Kết quả ảnh SEM của vật liệu sợi CdS/Au/TiO2. PHỔ HẤP THỤ TỬ NGOẠI KHẢ KIẾN .3 KẾT QUẢ ĐO DIỆN HÓA. Tính chất quang điện hóa của điện cực TiO2 và Au/TiO2. Tính chất quang điện hóa của điện cực CdS/Au/TiO2.

Cơ chế truyền điện tích trong cấu trúc CdS/Au/TiO2. 47 KẾT LUẬN CHUNG. 50 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. 51 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) e DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU 1.

Danh mục các từ viết tắt Từ viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt AM 1,5 Cƣờng độ sáng tại mặt đất khi mặt trời chiếu một góc 48,2o so với phƣơng thẳng đứng. CB Condutance Band Vùng dẫn EDX Energy-Dispersive X- Phổ tán xạ năng lƣợng rayspectroscopy tia X FET Transistor hiệu ứng trƣờng Field-effect transistors Kính phủ lớp dẫn điện FTO Fluorinated Tin Oxide trong suốt FTO IR Infrared rays Phổ hồng ngoại Kính phủ lớp dẫn điện ITO Indium Tin Oxide trong suốt ITO Photoelectrochemical Quang điện hóa PEC PQĐH Poly (vinylancohol) Pin quang điện hóa PVA Poly (vinylpyrrolidone) PVP Scanning Electron Photoelectrochemical Hiển vi điện tử quét SEM Microscopy UV-Vis Ultraviolet – Visible Tử ngoại và khả kiến VB Valance Band Vùng hóa trị XRD X-Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X solar-to-hydrogen Hiệu suất chuyển đổi ánh sáng STH sang hidro e 2. Danh mục các ký hiệu Eg Năng lƣợng vùng cấm (eV) T Nhiệt độ nóng chảy (℃) nc Η Hiệu suất (%) λ Bƣớc sóng (Å) e DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Các đặc tính cấu trúc của các dạng thù hình của TiO2.

Một số tính chất vật lý của TiO2 dạng anatase và rutile. Các thông số vật lý đặc trƣng của vật liệu CdS dạng khối. Hiệu suất của CdS/TiO2/ITO ứng với các độ dày khác nhau. 26 e DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.

Các dạng thù hình khác nhau của TiO2: (A) rutile, (B) anatase, (C) brookite. Khối bát diện của TiO2. Cấu trúc tinh thể của TiO2. Mô hình cấu trúc nguyên tử vàng.

Cấu trúc lập phƣơng tâm mặt tinh thể Au. Sự phụ thuộc của điện trở suất vào nhiệt độ của vàng kim loại. Hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt. Cấu trúc của CdS: (a) lập phƣơng giả kẽm (zinc blende) và (b) lục giác (wurtzite).

Ảnh hƣởng tỷ lệ PVP/Ti lên hình thái của vật liệu theo Caratão. Đặc trƣng J-V của mẫu TiO2 và các mẫu TiO2/CdS dƣới điều kiện bóng tối và chiếu sáng bằng ánh sáng mặt trời mô phỏng. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của thiết bị phun tĩnh điện. Điện cực TiO2/ITO thời gian phun 20 phút, nung ở 500 ℃, giữ trong 3 giờ, thời gian gia nhiệt 5 ℃/1 phút.

Hình ảnh dung dịch vàng trƣớc và sau khi chiếu UV. Sự phản xạ tia X trên bề mặt tinh thể. Nguyên lý cấu tạo máy đo SEM. Cấu tạo của hệ đo điện hóa ba điện cực.

Phổ XRD của các mẫu M. Ảnh SEM mặt của mẫu TiO2 phun điện 20 phút, ủ nhiệt 500 ℃. Ảnh SEM mặt của mẫu Au/TiO2 phun điện 20 phút, ủ nhiệt 500℃. Ảnh SEM mặt của mẫu CdS/Au/TiO2.

Phổ hấp thụ của các mẫu TiO2, CdS/TiO2 và CdS/Au/ TiO2. Sự phụ thuộc của mật độ dòng quang của mẫu M.1 (b) vào điện thế ngoài. Sự phụ thuộc của mật độ dòng quang của mẫu Au/CdS/TiO2; M.4 vào điện thế ngoài. Cơ chế truyền điện tích trong cấu trúc CdS/Au/TiO2 theo Song.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Nguồn tài nguyên năng lƣợng hóa thạch (than, dầu mỏ, khí thiên nhiên) là nguồn tài nguyên năng lƣợng không thể tái tạo (non-renewable energy) và là nguồn tài nguyên thiên nhiên quan trọng nhất, cung cấp hơn 85% nhu cầu năng lƣợng cho mọi hoạt động của xã hội loài ngƣời cho đến ngày nay. Tuy nhiên, trữ lƣợng các nguồn năng lƣợng hóa thạch là có hạn và sự cạn kiệt của chúng đã đƣợc báo trƣớc. Bên cạnh đó, tài nguyên năng lƣợng hóa thạch là nguồn nhiên liệu chứa carbon, khi cháy nhiên liệu hóa thạch sẽ tạo ra lƣợng khí thải carbon dioxit (CO2) rất đáng kể, nguyên nhân chính làm trái đất nóng dần lên do hiệu ứng nhà kính. Bên cạnh đó, còn có nhiều những chất độc hại có nguồn gốc từ các tạp chất chứa trong nhiên liệu hóa thạch thải gây ô nhiễm môi trƣờng, biến đổi khí hậu, dịch bệnh bởi các tác nhân sơ cấp (oxit của lƣu huỳnh, nitơ, carbon) hay tác nhân thứ cấp (bụi…), do hoạt động khai thác và sử dụng tài nguyên năng lƣợng của con ngƣời.

Trong các nguồn năng lƣợng sạch, Hydro là một giải pháp đầy tiềm năng bởi vì các lý do sau: - Một là, không gây ô nhiễm: Khi Hydro đƣợc sử dụng trong pin nhiên liệu, nó là một công nghệ hoàn toàn sạch. Sản phẩm phụ duy nhất sinh ra là nƣớc, do đó sẽ không làm nảy sinh những vấn đề đáng lo ngại nhƣ tràn dầu. - Hai là không thải ra khí gây hiệu ứng nhà kính: Quá trình điện phân nƣớc tạo hydro không hề tạo nên khí nhà kính nào. Đó là một quá trình lý tƣởng và hoàn hảo – điện phân Hydro từ nƣớc, Hydro lại tái kết hợp với Oxy để tạo ra nƣớc và cung cấp điện năng trong pin nhiên liệu.

- Ba là Hydro có thể đƣợc sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau: Nhất là từ các nguồn năng lƣợng tái sinh. e 2 Có ba phƣơng pháp cơ bản tạo ra hydro: Phƣơng pháp chuyển hóa hydrocarbon (nhiên liệu hóa thạch, sinh khối) bằng nhiệt (Reforming); Phƣơng pháp điện phân nƣớc (Electrolysis); Phƣơng pháp sinh học (Biological method). Phƣơng pháp điện phân dùng dòng điện để tách nƣớc thành khí Hydro và Oxy. Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực.

Hydro sinh ra ở điện cực âm và Oxy ở điện cực dƣơng. Có nhiều phƣơng pháp điện phân nhƣ: Điện phân thông thƣờng, điện phân nƣớc áp suất cao, điện phân nƣớc ở nhiệt độ cao, quang điện phân. Quang điện phân là phƣơng pháp chuyển hóa trực tiếp ánh sáng mặt trời thành hydro thông qua các phản ứng quang điện hóa của điện cực làm từ các chất bán dẫn. Khí hydro đƣợc sinh ra khi dòng quang điện này chạy qua thiết bị điện phân đặt trong nƣớc.

Nhƣ thế việc sản xuất hydro sẽ là một quá trình sạch (không khí thải), tái sinh và bền vững. Trong số các vật liệu nano bán dẫn ứng dụng trong lĩnh vực quang điện phân, Titanium Dioxide (TiO2) kích thƣớc nano là một trong những vật liệu đƣợc quan tâm nhiều. Bởi vì, Nó còn là một chất xúc tác tuyệt vời với những tính chất ƣu việt nhƣ xúc tác quang, siêu thấm ƣớt đồng thời rất bền, không độc, trữ lƣợng cao. đang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi nhất.

Tuy nhiên, các ứng dụng của TiO2 bị hạn chế do nó có vùng cấm rộng (Eg = 3,25 eV đối với pha antanase và Eg = 3,05 eV đối với pha rutile). Vì vậy, đặc tính quang hóa của TiO2 chỉ thể hiện khi đƣợc kích thích bởi ánh sáng tử ngoại (bƣớc sóng là 388 nm). Trong khi đó, năng lƣợng bức xạ mặt trời chiếu đến Trái Đất chỉ có một phần nhỏ khoảng 4 % là bức xạ UV nên những ứng dụng sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời đạt hiệu suất rất thấp. Để mở rộng phổ phản ứng của TiO2 đến vùng ánh sáng nhìn thấy, các phƣơng pháp biến tính bề mặt hoặc biến tính cấu trúc TiO2 đã đƣợc áp dụng.

Một trong số đó là sự kết hợp TiO2 với các chất bán dẫn vùng cấm hẹp, chẳng hạn nhƣ CdS, CdSe, e 3 ZnFe2O4 và CuInS…. Trong đó, CdS có năng lƣợng vùng cấm Eg = 2,42 eV và hệ số hấp thụ tƣơng đối cao trong vùng nhìn thấy, đã làm cho nó trở nên rất cần thiết cho nhiều ứng dụng quang điện và quang điện tử so với các chất bán dẫn khác. Đây cũng là cách thức nhằm giảm độ rộng vùng cấm của TiO2 và làm cho bƣớc sóng kích thích dịch chuyển sang vùng bƣớc sóng dài. Trong những năm gần đây, hiệu ứng cộng hƣởng plasmon bề mặt (SCR) của các kim loại quý nhƣ Au, Pt, … cấu trúc nano thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nƣớc.

Khi tần số của sóng ánh sáng tới gần bằng với tần số dao động của các điện tử dẫn trên bề mặt kim loại, các điện tử đƣợc kích thích đồng thời dẫn tới một dao động tập thể hiện tƣợng này gọi là hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt. Hiệu ứng cộng hƣởng plasmon bề mặt làm cho tính chất quang của các cấu trúc nano kim loại phụ thuộc mạnh vào hình dạng, kích thƣớc và môi trƣờng bao quanh chúng. Các hạt nano vàng dạng cầu với đỉnh cộng hƣởng 2 plasmon nằm trong vùng ánh sáng khả kiến có thể đƣợc khai thác trong nhiều ứng dụng tùy thuộc vào kích thƣớc của chúng. Các hạt có kích thƣớc càng lớn thì vị trí đỉnh cộng hƣởng càng dịch chuyển về phía bƣớc sóng dài.

Khi thay đổi kích thƣớc hạt, vị trí đỉnh cộng hƣởng có thể dịch chuyển đến vài chục nanomet. Cấu trúc CdS-Au-TiO2 nano đóng vai trò photoanode trong một tế bào quang điện hóa (PEC) đang đƣợc quan tâm nghiên cứu. Các hạt nano vàng kẹp giữa TiO2 nano CdS và chấm lƣợng tử lớp đóng một vai trò kép trong việc nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng mặt trời thành năng lƣợng hóa học.