Nghiên cứu chế tạo cấu trúc dị thể CdS Fe2O3 nâng cao hiệu suất tách nước quang điện hóa

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

1. MỞ ĐẦU

1.1. Lý do chọn đề tài

1.2. Mục tiêu nghiên cứu

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4. Phương pháp nghiên cứu

1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.6. Cấu trúc luận văn

2. TỔNG QUAN

2.1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO Fe2O3

2.1.1. Cấu trúc tinh thể của Fe2O3

2.1.1.1. Tinh thể pha α-Fe2O3 (hematite)

2.1.1.2. Tinh thể pha γ-Fe2O3 (maghemite)

2.1.1.3. Tinh thể pha ε-Fe2O3

2.1.1.4. Tinh thể pha β-Fe2O3

2.1.2. Một số tính chất của vật liệu Fe2O3

2.1.2.1. Tính chất điện của α-Fe2O3

2.1.2.2. Tính chất từ của α-Fe2O3

2.1.2.3. Tính chất quang của α-Fe2O3

2.1.2.4. Tính chất quang xúc tác

2.1.3. Phương pháp chế tạo vật liệu nano Fe2O3

2.1.3.1. Phương pháp thủy nhiệt

2.1.3.2. Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD: Chemical Vapor Deposition)

2.1.3.3. Phương pháp sol – gel

2.1.4. Ứng dụng của vật liệu nano Fe2O3

2.1.4.1. Ứng dụng làm cảm biến khí

2.1.4.2. Ứng dụng sản xuất nguồn năng lượng sạch hydro

2.1.4.3. Ứng dụng trong xúc tác quang xử lý môi trường

2.1.4.4. Ứng dụng trong y học

2.1.4.5. Các ứng dụng khác của nano Fe2O3

2.2. CÁC CẤU TRÚC DỊ THỂ SỬ DỤNG HIỆN CỰC QUANG

2.2.1. Tiếp xúc bán dẫn – bán dẫn

2.2.2. Tiếp xúc bán dẫn – kim loại

2.2.3. Tiếp xúc đa thành phần giữa nhiều vật liệu

2.3. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ CẤU TRÚC DỊ THỂ TRÊN NỀN Fe2O3 ỨNG DỤNG TRONG PEC

2.4. TỔNG QUAN VỀ QUANG ĐIỆN HÓA TÁCH NƯỚC

2.4.1. Nguyên lý chung của hệ tách nước sử dụng ánh sáng

2.4.2. Nguyên lí của tế bào quang điện hóa

2.4.3. Hiệu suất của hệ tách nước

3. KỸ THUẬT THỰ NGHIỆM

3.1. HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM

3.2. QUY TRÌNH HỆ THỐNG

3.2.1. Chuẩn bị đế FTO

3.2.2. Tổng hợp vật liệu nano Fe2O3

3.2.3. Tổng hợp vật liệu CdS/Fe2O3

3.3. KỸ THUẬT KHẢO SÁT TÍNH CHẤT MẪU

3.3.1. Phương pháp dùng kính hiển vi điện tử quét (SEM)

3.3.2. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis)

3.3.3. Phương pháp phổ Raman

3.3.4. Phương pháp thuộc tính quang điện hóa tách nước (PEC)

4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1. HÌNH THÁI CỦA VẬT LIỆU

4.2. CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU

4.3. TÍNH CHẤT HẤP THỤ QUANG CỦA VẬT LIỆU

4.4. TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU

5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Nghiên cứu và chế tạo cấu trúc dị thể CdS Fe2O3

Nghiên cứu này tập trung vào chế tạo cấu trúc dị thể CdS/Fe2O3 nhằm nâng cao hiệu suất tách nước quang điện hóa. Vật liệu bán dẫn Fe2O3 được chọn do tính chất quang xúc tác và khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy. Tuy nhiên, hiệu suất thấp do hạn chế về độ linh động điện tử và thời gian sống của hạt tải. Cấu trúc dị thể được tạo ra bằng cách kết hợp Fe2O3 với CdS, giúp tăng khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm sự tái hợp điện tử - lỗ trống. Phương pháp thủy nhiệt và kết tụ hóa học được sử dụng để tổng hợp vật liệu.

1.1. Tổng hợp vật liệu Fe2O3

Vật liệu Fe2O3 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt trên đế dẫn điện FTO. Fe2O3 có cấu trúc tinh thể α-Fe2O3 (hematite), với khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy và độ bền hóa học cao. Tuy nhiên, hiệu suất quang điện hóa thấp do hạn chế về độ linh động điện tử và thời gian sống của hạt tải.

1.2. Tổng hợp cấu trúc dị thể CdS Fe2O3

Cấu trúc dị thể CdS/Fe2O3 được tạo ra bằng phương pháp kết tụ hóa học, trong đó CdS được phủ lên bề mặt các thanh nano Fe2O3. Cấu trúc này giúp tăng khả năng hấp thụ ánh sáng và tạo ra điện trường nội tại tại lớp tiếp giáp, giảm sự tái hợp điện tử - lỗ trống.

II. Tính chất và hiệu suất quang điện hóa

Nghiên cứu đánh giá tính chất quang điện hóa của cấu trúc dị thể CdS/Fe2O3 thông qua các phương pháp như SEM, UV-Vis, và phổ Raman. Kết quả cho thấy cấu trúc dị thể có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn so với Fe2O3 đơn thuần. Hiệu suất tách nước quang điện hóa được cải thiện đáng kể nhờ sự tăng cường chia tách hạt tải và giảm sự tái hợp điện tử - lỗ trống.

2.1. Tính chất hấp thụ quang

Phổ hấp thụ UV-Vis cho thấy cấu trúc dị thể CdS/Fe2O3 có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn trong vùng nhìn thấy so với Fe2O3 đơn thuần. Điều này giúp tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng hóa học.

2.2. Hiệu suất quang điện hóa

Kết quả đo hiệu suất quang điện hóa cho thấy cấu trúc dị thể CdS/Fe2O3 có hiệu suất cao hơn đáng kể so với Fe2O3 đơn thuần. Sự cải thiện này là nhờ vào việc tăng cường chia tách hạt tải và giảm sự tái hợp điện tử - lỗ trống tại lớp tiếp giáp.

III. Ứng dụng và ý nghĩa thực tiễn

Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xanh và năng lượng tái tạo. Cấu trúc dị thể CdS/Fe2O3 có tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị tách nước quang điện hóa, giúp sản xuất hydro từ nước bằng năng lượng mặt trời. Đây là một giải pháp bền vững để giải quyết vấn đề khủng hoảng năng lượng và ô nhiễm môi trường.

3.1. Ứng dụng trong sản xuất hydro

Cấu trúc dị thể CdS/Fe2O3 có thể được sử dụng trong các thiết bị tách nước quang điện hóa để sản xuất hydro từ nước. Hydro là nguồn năng lượng sạch và thân thiện với môi trường, có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch trong tương lai.

3.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu này góp phần làm phong phú thêm các phương pháp tổng hợp vật liệu nano và cải thiện hiệu suất quang điện hóa. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong các lĩnh vực như xúc tác quang, cảm biến khí, và y học, mang lại giá trị thực tiễn cao.

Nghiên cứu chế tạo cấu trúc dị thể CdS Fe2O3 nhằm tăng hiệu suất tách nước quang điện hóa