I. Giới thiệu về Luận Văn Thạc Sĩ
Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc chế tạo vật liệu TiO2-CdS-CuInS2 với ứng dụng trong quang điện hóa tách nước. Mục tiêu chính là phát triển một vật liệu có khả năng tách nước hiệu quả, từ đó góp phần vào việc sản xuất hydro sạch. Hydro được coi là một nguồn năng lượng tiềm năng, không gây ô nhiễm và có thể sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau. Việc sử dụng vật liệu quang điện như TiO2, CdS và CuInS2 là rất quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất tách nước. Luận văn này không chỉ cung cấp cái nhìn tổng quan về các vật liệu này mà còn phân tích các phương pháp chế tạo và khảo sát tính chất quang điện hóa của chúng.
1.1. Lý do chọn đề tài
Vấn đề môi trường và năng lượng đang trở thành mối quan tâm lớn trên toàn cầu. Các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường. Hydro, với khả năng không gây ô nhiễm và có thể sản xuất từ nước, trở thành một giải pháp tiềm năng. Quang điện hóa là phương pháp chuyển hóa ánh sáng mặt trời thành hydro thông qua các phản ứng quang điện hóa. TiO2, với tính chất xúc tác quang mạnh mẽ, là một trong những vật liệu được nghiên cứu nhiều nhất trong lĩnh vực này. Tuy nhiên, hiệu suất của TiO2 trong việc tách nước còn thấp, do đó việc kết hợp với các chất bán dẫn khác như CdS và CuInS2 là cần thiết để cải thiện khả năng này.
II. Tổng quan lý thuyết về vật liệu
Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về các loại vật liệu được sử dụng trong nghiên cứu, bao gồm TiO2, CdS, và CuInS2. TiO2 có ba dạng thù hình chính: anatase, rutile và brookite, mỗi dạng có những đặc tính riêng biệt. Trong đó, anatase được coi là có hoạt tính quang hóa mạnh nhất. CdS và CuInS2 là các chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm thấp, giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến. Việc kết hợp TiO2 với CdS và CuInS2 không chỉ cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng mà còn tăng cường hiệu suất tách nước. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc pha tạp các chất này có thể làm giảm độ rộng vùng cấm và tăng cường hoạt tính xúc tác quang.
2.1. Tính chất quang điện hóa của TiO2
TiO2 có khả năng hấp thụ photon và tạo ra cặp electron-lỗ trống, từ đó tham gia vào các phản ứng tách nước. Tuy nhiên, hiệu suất tách nước của TiO2 còn thấp do sự tái hợp của các cặp electron-lỗ trống. Để cải thiện điều này, nhiều phương pháp đã được đề xuất, bao gồm việc pha tạp các ion kim loại hoặc phi kim vào TiO2. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp TiO2 với CdS và CuInS2 có thể làm tăng cường khả năng quang điện hóa, từ đó nâng cao hiệu suất tách nước.
III. Phương pháp thực nghiệm
Phương pháp thực nghiệm trong nghiên cứu này bao gồm việc chế tạo vật liệu TiO2 dạng sợi bằng phương pháp electrospinning, sau đó lắng đọng CdS và CuInS2 lên bề mặt TiO2. Các phương pháp khảo sát như XRD, SEM và UV-Vis được sử dụng để phân tích cấu trúc và tính chất của vật liệu. Hệ đo điện hóa ba điện cực cũng được áp dụng để khảo sát thuộc tính quang điện hóa của vật liệu chế tạo. Việc sử dụng các phương pháp này giúp đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.
3.1. Chế tạo mẫu
Mẫu vật liệu được chế tạo thông qua quy trình electrospinning, cho phép tạo ra các sợi nano TiO2 với diện tích bề mặt lớn. Sau đó, CdS và CuInS2 được lắng đọng lên bề mặt TiO2 bằng các phương pháp hóa ướt và thủy nhiệt. Các mẫu vật liệu này sẽ được khảo sát để đánh giá tính chất quang điện hóa, từ đó xác định hiệu suất tách nước của chúng. Quy trình chế tạo và khảo sát này không chỉ giúp tối ưu hóa vật liệu mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực quang điện hóa.
IV. Kết quả và thảo luận
Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp TiO2 với CdS và CuInS2 đã cải thiện đáng kể hiệu suất tách nước. Các mẫu vật liệu chế tạo được đã thể hiện tính chất quang điện hóa tốt, với khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến. Phân tích XRD và SEM cho thấy cấu trúc tinh thể và hình thái bề mặt của vật liệu đều đạt yêu cầu. Thảo luận về cơ chế hình thành và khả năng quang điện hóa của vật liệu cũng được thực hiện, chỉ ra rằng sự kết hợp này không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn đảm bảo độ bền của vật liệu trong quá trình sử dụng.
4.1. Kết quả phổ XRD
Phân tích phổ XRD cho thấy các mẫu vật liệu chế tạo có cấu trúc tinh thể rõ ràng, với các đỉnh đặc trưng của TiO2, CdS và CuInS2. Điều này chứng tỏ rằng các vật liệu đã được lắng đọng thành công và giữ được tính chất quang điện hóa. Kết quả này khẳng định rằng việc kết hợp các chất bán dẫn này có thể tạo ra một vật liệu quang điện hóa hiệu quả cho ứng dụng tách nước.
