Luận văn: Nghiên cứu tính chất quang điện của Nanocomposite Oxit Kim loại/Polymer dẫn

Phân tích sâu vật liệu nanocomposite oxit kim loại và polymer dẫn. Đánh giá tính năng, ứng dụng tiềm năng trong các ngành công nghệ.

• Tác giả: Trần Văn Kỳ
• Người hướng dẫn: PGS. Dương Ngọc Huyền
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý Kỹ thuật
• Đề tài: Nghiên Cứu Tính Chất Quang Điện Của Vật Liệu Nanocomposite Của Oxit Kim Loại Và Polymer Dẫn
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về pelymer din
• 1.2. Cơ chế đẫn điện của polymer dẫn
• 1.2.1. Cơ chế của Roth
• 1.2.2. Cơ chế lan truyền pha của K
• 1.2.3. Polaron va Bipolaron
• 1.3. Polyaniline va Polypyrrole
• 1.4. Ứng dụng của vật liệu polymer dẫn polypyrrole
• 1.4.1. Các ứng dụng trong thực tiễn
• 1.4.2. Ứng dụng trong cam biến khí
• 1.5. VẬT LIỆU OXTT KIM LOẠI
• 1.5.1. Vật liệu Oxit kim loại
• 1.6. Câu trúc của tian đioxit
• 1.6.1. Các đang thủ hình oda titan diexit
• 1.7. Giản đồ miền năng lượng của Anatase và Rutile
• 2. CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hóa chát sử đụng
• 2.2. Thiết bị, dụng cụ chế tạo muẫ
• 2.3. Quy trình thực tiện
• 2.3.1. Quy trình thực nghiệm chế tạo dụng dịch nanocomposite Ti0
• 2.3.2. Phương pháp tạo màng in-situ
• 2.3.3. Tạo mảng composte
• 2.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.1
• 2.4.1. Kinh biển vì điện tử quét
• 2.4.2. Kinh hiển vi diện tử truyền qua
• 2.4.3. Nghiên cứu cầu trủo bằng phả tán xạ Raman
• 2.4.4. Phổ hỏng ngoại IR
• 2.4.5. Đo độ nhạy khí — tẳng trở của vật liệu
• 3. CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu cấu trúc nanocomposite TiO;/PPV
• 3.2. Nghiên cứu cầu trúc bê mặt của vật Hiệu rianoeomposite TiO¿2/CPs
• 3.3. Nghiên cứu yi câu trúc của vật liệu nanocemposite TÌO›/CPs
• 3.4. Phổ Raman của vật isu nanocomposite ‘Ti0,/PANi
• 3.5. Pho Ramam của vật héu nanocomposite T1O2/PPy
• 3.6. Ảnh hưởng của TIO; lên độ dẫn của CPs
• 3.7. Ảnh hưởng của TiO2 lên sự thay đổi độ dân của PPy do thay đổi môi trường
• 3.8. Ảnh hưởng của TQ; lên sự thay đổi độ dẫn của PANI do thay đổi môi trường

Tóm tắt

I. Khám phá vật liệu Nanocomposite Oxit Kim Loại Polymer Dẫn

Vật liệu khoa học đang bước vào một kỷ nguyên mới với sự ra đời của vật liệu Nanocomposite Oxit Kim Loại & Polymer Dẫn. Đây là một lớp vật liệu lai nano tiên tiến, được tạo thành từ sự kết hợp синерги của hai thành phần chính. Thành phần thứ nhất là ma trận polymer dẫn điện, có khả năng vận chuyển điện tích. Thành phần thứ hai là các hạt nano oxit kim loại được phân tán trong ma trận đó, đóng vai trò là pha gia cường. Sự kết hợp này không chỉ cộng hưởng các ưu điểm của từng vật liệu riêng lẻ mà còn tạo ra những đặc tính vượt trội hoàn toàn mới. Mục tiêu chính của việc chế tạo loại vật liệu này là để khắc phục các nhược điểm cố hữu của polymer dẫn, như độ bền cơ học thấp và tính ổn định không cao, đồng thời tận dụng các tính chất quang, điện, xúc tác độc đáo của các hạt nano. Giao diện tương tác pha giữa polymer và hạt nano là yếu tố quyết định đến hiệu suất cuối cùng của vật liệu, nơi các hiệu ứng lượng tử và hiện tượng truyền điện tích diễn ra mạnh mẽ. Luận văn của Trần Văn Kỳ (2017) đã tập trung nghiên cứu sâu về tính chất điện quang của hệ vật liệu này, cụ thể là nanocomposite polymer dẫn điện trên cơ sở Polyaniline (PANI) hoặc Polypyrrole (PPy) và hạt nano TiO2, mở ra những hiểu biết quan trọng về cơ chế hoạt động và tiềm năng ứng dụng của chúng trong các thiết bị điện tử thế hệ mới, đặc biệt là cảm biến khí.

1.1. Polymer dẫn điện Nền tảng của vật liệu thông minh

Polymer dẫn điện (Conducting Polymers - CPs) là các hợp chất hữu cơ cao phân tử có hệ thống liên kết π liên hợp dọc theo mạch chính. Cấu trúc này cho phép các electron hoặc lỗ trống di chuyển, tạo ra tính dẫn điện tương tự như kim loại hoặc chất bán dẫn. Các đại diện tiêu biểu nhất bao gồm Polyaniline (PANI), Polypyrrole (PPy), và PEDOT:PSS. Không giống như kim loại, độ dẫn của chúng có thể được điều chỉnh dễ dàng thông qua quá trình doping hóa học hoặc điện hóa. Cơ chế dẫn điện trong các vật liệu này khá phức tạp, chủ yếu dựa trên sự hình thành và di chuyển của các giả hạt như Polaron và Bipolaron. Các polymer này có ưu điểm là nhẹ, linh hoạt, dễ chế tạo và chi phí thấp. Tuy nhiên, chúng thường có độ bền cơ học và độ ổn định môi trường kém, hạn chế việc ứng dụng trong các thiết bị yêu cầu hoạt động lâu dài. Việc tích hợp chúng vào một vật liệu composite nền polymer là giải pháp hiệu quả để cải thiện các đặc tính này.

1.2. Hạt nano oxit kim loại Pha gia cường đa chức năng

Các hạt nano oxit kim loại như hạt nano TiO2, hạt nano ZnO, hay hạt nano Fe3O4 là những vật liệu vô cơ có kích thước từ 1-100 nanomet. Ở kích thước này, chúng thể hiện các tính chất vật lý và hóa học khác biệt so với dạng khối do diện tích bề mặt riêng lớn và sự xuất hiện của các hiệu ứng lượng tử. Ví dụ, TiO2 ở dạng anatase có hoạt tính xúc tác quang mạnh mẽ, được ứng dụng trong xử lý môi trường và pin mặt trời. ZnO có các đặc tính bán dẫn và áp điện độc đáo. Fe3O4 lại có tính siêu thuận từ. Khi được sử dụng làm pha gia cường nano trong ma trận polymer, chúng không chỉ cải thiện độ bền cơ, bền nhiệt mà còn mang lại các chức năng mới như cảm biến, xúc tác, hay che chắn điện từ. Thách thức lớn nhất là đảm bảo sự khuếch tán hạt nano đồng đều trong ma trận để tránh hiện tượng vón tụ, vốn làm suy giảm hiệu suất của vật liệu composite.

II. Giải mã thách thức của Polymer Dẫn và vật liệu lai nano

Mặc dù sở hữu nhiều tiềm năng, việc phát triển vật liệu Nanocomposite Oxit Kim Loại & Polymer Dẫn phải đối mặt với không ít thách thức kỹ thuật. Vấn đề cốt lõi nằm ở sự tương hợp giữa hai pha vật liệu có bản chất rất khác nhau: polymer hữu cơ và oxit kim loại vô cơ. Polymer dẫn như PANI và PPy vốn kỵ nước và có xu hướng co cụm, trong khi các hạt oxit kim loại lại có tính phân cực và dễ bị vón tụ do năng lượng bề mặt cao. Sự không tương thích này dẫn đến việc phân tán không đồng đều các hạt nano trong ma trận polymer, tạo ra các khuyết tật cấu trúc và làm giảm hiệu quả tương tác giữa hai pha. Hơn nữa, quá trình tổng hợp đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ các điều kiện phản ứng như pH, nhiệt độ, và nồng độ monomer để đạt được đặc trưng cấu trúc vật liệu mong muốn. Nếu không được tối ưu, sản phẩm cuối cùng có thể có tính dẫn điện kém, độ lặp lại thấp và các tính chất cơ học không ổn định. Việc chế tạo thành công một nanocomposite polymer dẫn điện hiệu suất cao đòi hỏi phải vượt qua những rào cản này, tìm ra các phương pháp tổng hợp tiên tiến và các kỹ thuật xử lý bề mặt hiệu quả để tăng cường giao diện tương tác pha.

2.1. Hạn chế về độ bền và tính ổn định của polymer dẫn

Các polymer dẫn điện tinh khiết, dù có độ dẫn tốt, thường gặp phải vấn đề nghiêm trọng về độ bền cơ học và hóa học. Chúng giòn, khó gia công thành màng mỏng hoặc sợi mà không có chất hỗ trợ. Quan trọng hơn, mạch polymer liên hợp rất nhạy cảm với các yếu tố môi trường như oxy, độ ẩm và nhiệt độ. Sự oxy hóa hoặc thay đổi cấu trúc do nhiệt có thể phá vỡ hệ liên hợp π, làm mất đi tính dẫn điện một cách nhanh chóng. Ví dụ, PANI ở trạng thái dẫn điện (dạng emeraldine salt) có thể bị khử thành dạng không dẫn (emeraldine base) khi tiếp xúc với môi trường kiềm. Những hạn chế này là rào cản lớn cho các ứng dụng thực tế đòi hỏi thiết bị phải hoạt động ổn định trong thời gian dài.

2.2. Vấn đề vón tụ và phân tán của hạt nano oxit kim loại

Do kích thước cực nhỏ và năng lượng bề mặt lớn, các hạt nano oxit kim loại có xu hướng tự nhiên hút nhau và kết tụ lại thành các đám lớn hơn. Hiện tượng này gọi là vón tụ (agglomeration). Khi các hạt nano bị vón tụ, diện tích bề mặt hiệu dụng của chúng giảm mạnh, làm mất đi các đặc tính ưu việt ở kích thước nano. Trong quá trình chế tạo vật liệu nanocomposite, việc đảm bảo các hạt nano được phân tán một cách riêng lẻ và đồng đều trong ma trận polymer là một thách thức lớn. Nếu sự phân tán không tốt, vật liệu cuối cùng sẽ không đồng nhất về tính chất, xuất hiện các điểm yếu về cơ học và hiệu quả tương tác giữa polymer và hạt nano sẽ rất thấp. Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học thường sử dụng chất hoạt động bề mặt hoặc biến tính hóa học bề mặt hạt nano trước khi trộn với polymer.

III. Hướng dẫn tổng hợp Nanocomposite Oxit Kim Loại tối ưu

Để chế tạo vật liệu Nanocomposite Oxit Kim Loại & Polymer Dẫn hiệu quả, nhiều phương pháp tổng hợp đã được phát triển, trong đó nổi bật là tổng hợp in-situ (trùng hợp tại chỗ). Phương pháp này được xem là tối ưu để tạo ra sự tương tác mạnh mẽ và đồng đều giữa hai pha. Cụ thể, các hạt nano oxit kim loại được phân tán trước trong dung dịch chứa monomer (ví dụ: aniline hoặc pyrrole). Sau đó, quá trình trùng hợp polymer được khởi động ngay trên bề mặt của các hạt nano. Điều này đảm bảo rằng các chuỗi polymer sẽ hình thành và bám dính trực tiếp vào pha vô cơ, tạo ra một giao diện tương tác pha chặt chẽ. Luận văn của Trần Văn Kỳ (2017) đã ứng dụng thành công phương pháp này để chế tạo màng nanocomposite TiO2/PANI và TiO2/PPy (Hình 2.2). Bên cạnh đó, phương pháp sol-gel cũng là một kỹ thuật mạnh mẽ, cho phép đồng thời hình thành cả mạng lưới oxit kim loại và polymer, tạo ra các vật liệu lai nano đồng nhất ở cấp độ phân tử. Việc lựa chọn phương pháp tổng hợp phụ thuộc vào loại polymer, loại oxit kim loại và các yêu cầu cụ thể của ứng dụng cuối cùng, nhưng mục tiêu chung vẫn là tối đa hóa sự phân tán và tương tác giữa các thành phần.

3.1. Phân tích phương pháp tổng hợp in situ trùng hợp tại chỗ

Phương pháp tổng hợp in-situ là kỹ thuật mà quá trình trùng hợp polymer diễn ra ngay trong môi trường có sự hiện diện của các hạt nano đã được phân tán trước. Quy trình điển hình bao gồm các bước: (1) Phân tán các hạt nano oxit kim loại (ví dụ hạt nano TiO2) vào một dung môi thích hợp bằng phương pháp siêu âm để phá vỡ các đám vón tụ. (2) Thêm monomer (ví dụ aniline để tạo PANI) vào dung dịch huyền phù trên. (3) Bắt đầu quá trình trùng hợp bằng cách thêm vào một tác nhân oxy hóa. Các monomer sẽ hấp phụ lên bề mặt hạt nano và quá trình trùng hợp ưu tiên xảy ra tại đó, hình thành một lớp vỏ polymer bao bọc quanh từng hạt. Ưu điểm lớn của phương pháp này là tạo ra liên kết hóa học hoặc tương tác vật lý mạnh mẽ tại giao diện, cải thiện đáng kể sự truyền tải điện tích giữa hai pha và nâng cao các tính chất cơ học của vật liệu composite nền polymer.

3.2. So sánh với các phương pháp chế tạo khác

Ngoài tổng hợp in-situ, phương pháp trộn dung dịch (solution mixing) cũng khá phổ biến. Trong phương pháp này, polymer dẫn và các hạt nano được tổng hợp riêng biệt, sau đó hòa tan hoặc phân tán trong cùng một dung môi rồi trộn lẫn với nhau. Phương pháp này đơn giản hơn nhưng thường dẫn đến sự phân tán kém và tương tác yếu giữa hai pha. Một phương pháp tiên tiến khác là phương pháp sol-gel. Kỹ thuật này bắt đầu từ các tiền chất phân tử (alkoxide kim loại) để tạo ra một mạng lưới oxit kim loại (pha vô cơ) ngay trong quá trình polymer hóa, tạo ra một vật liệu lai nano thực sự với sự xen kẽ ở cấp độ phân tử. Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn sẽ quyết định đến đặc trưng cấu trúc vật liệu cuối cùng.

IV. Bí quyết phân tích đặc trưng cấu trúc vật liệu nanocomposite

Để hiểu rõ mối liên hệ giữa cấu trúc và tính chất của vật liệu Nanocomposite Oxit Kim Loại & Polymer Dẫn, việc phân tích và đặc trưng hóa vật liệu là bước không thể thiếu. Các kỹ thuật phân tích hiện đại cung cấp thông tin chi tiết về hình thái học, cấu trúc tinh thể, thành phần hóa học và các tương tác ở cấp độ phân tử. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và truyền qua (TEM) là công cụ chủ lực để quan sát hình thái bề mặt và sự phân bố của các hạt nano oxit kim loại trong ma trận polymer. Các ảnh SEM và TEM trong nghiên cứu của Trần Văn Kỳ (2017) (Hình 3.1-3.5) đã minh họa rõ nét sự hình thành của các cấu trúc nanocomposite TiO2/PANI và TiO2/PPy. Để xác nhận sự hình thành của polymer dẫn và các tương tác hóa học, các phương pháp quang phổ như Tán xạ Raman và Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) được sử dụng. Phổ Raman (Hình 3.6, 3.7) đặc biệt nhạy với các liên kết π liên hợp trong mạch polymer, trong khi FT-IR giúp xác định các nhóm chức đặc trưng và liên kết giữa polymer và oxit kim loại. Việc kết hợp nhiều phương pháp phân tích cho phép xây dựng một bức tranh toàn diện về đặc trưng cấu trúc vật liệu, là cơ sở để giải thích các tính chất điện quang quan sát được.

4.1. Phân tích hình thái học bề mặt bằng SEM và TEM

Kính hiển vi điện tử quét (SEM - Scanning Electron Microscope) cung cấp hình ảnh có độ phân giải cao về bề mặt của vật liệu, cho thấy hình dạng, kích thước và sự sắp xếp của các cấu trúc vi mô. Ví dụ, ảnh SEM của mẫu nanocomposite TiO2/PANI cho thấy các hạt nano TiO2 được bao phủ bởi lớp PANI, tạo thành các cấu trúc dạng quả cầu hoặc sợi. Trong khi đó, Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM - Transmission Electron Microscope) cho phép nhìn xuyên qua mẫu mỏng, quan sát được sự phân tán của các hạt nano bên trong ma trận polymer. Ảnh TEM có thể xác nhận liệu các hạt nano có bị vón tụ hay không và làm rõ cấu trúc lõi-vỏ của vật liệu. Đây là những bằng chứng trực quan quan trọng nhất để đánh giá chất lượng của nanocomposite polymer dẫn điện.

4.2. Nghiên cứu cấu trúc phân tử qua phổ Raman và FT IR

Phổ Raman và FT-IR là hai kỹ thuật quang phổ dao động, cung cấp thông tin về các liên kết hóa học trong vật liệu. Phổ Raman rất hiệu quả trong việc nghiên cứu đặc trưng cấu trúc vật liệu của polymer dẫn vì nó nhạy với các dao động của vòng benzen và quinoid trong PANI, vốn liên quan trực tiếp đến trạng thái oxy hóa và tính dẫn điện. Sự dịch chuyển của các đỉnh Raman khi có mặt hạt nano TiO2 cho thấy sự tương tác và truyền điện tích giữa hai pha. Phổ FT-IR bổ sung bằng cách xác định các nhóm chức hóa học. Sự xuất hiện hoặc thay đổi cường độ của các đỉnh hấp thụ đặc trưng có thể chứng minh sự hình thành của polymer và sự tồn tại của các liên kết hydro hoặc liên kết hóa học tại giao diện tương tác pha.

V. Đột phá ứng dụng của vật liệu nanocomposite polymer dẫn

Sự kết hợp độc đáo giữa polymer dẫn và oxit kim loại nano đã mở ra vô số ứng dụng đột phá cho vật liệu Nanocomposite Oxit Kim Loại & Polymer Dẫn. Một trong những lĩnh vực hứa hẹn nhất là chế tạo cảm biến khí có độ nhạy cao và chọn lọc. Nghiên cứu của Trần Văn Kỳ (2017) đã chứng minh rằng tính dẫn điện của màng nanocomposite TiO2/PANI và TiO2/PPy thay đổi một cách rõ rệt khi tiếp xúc với khí amoniac (NH3) ở nhiệt độ phòng (Hình 3.12, 3.16). Cơ chế hoạt động dựa trên sự hấp phụ của các phân tử khí lên bề mặt vật liệu, làm thay đổi mật độ hạt tải điện trong polymer. Sự hiện diện của hạt nano TiO2 với diện tích bề mặt lớn đã khuếch đại hiệu ứng này, giúp tăng độ nhạy của cảm biến lên nhiều lần so với khi chỉ dùng polymer dẫn đơn thuần. Ngoài cảm biến, tính chất điện quang của các vật liệu lai nano này cũng rất tiềm năng trong các thiết bị quang điện tử như pin mặt trời, điốt phát quang (LED) và xúc tác quang. Khả năng hấp thụ ánh sáng của oxit kim loại kết hợp với khả năng vận chuyển điện tích của polymer dẫn tạo ra hiệu ứng синерги, giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

5.1. Ứng dụng trong cảm biến khí có độ nhạy cao

Cảm biến khí dựa trên nanocomposite polymer dẫn điện hoạt động theo nguyên tắc đo sự thay đổi điện trở của vật liệu khi có sự tương tác với phân tử khí mục tiêu. Các phân tử khí khi hấp phụ lên bề mặt sẽ hoạt động như tác nhân cho hoặc nhận electron, làm thay đổi trạng thái doping của polymer và dẫn đến sự thay đổi lớn về tính dẫn điện. Luận văn gốc cho thấy các mẫu TiO2/PPy và TiO2/PANI thể hiện độ nhạy khí NH3 vượt trội. Cụ thể, điện trở của vật liệu tăng lên đáng kể khi có mặt NH3. Điều này là do NH3 là một chất khử, nó sẽ cho electron cho polymer dẫn loại p (như PANI và PPy), làm giảm nồng độ lỗ trống (hạt tải điện chính). Tỷ lệ hạt nano TiO2 trong composite ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhạy, cho thấy vai trò quan trọng của cấu trúc nano trong việc tối ưu hóa hiệu suất cảm biến.

5.2. Tiềm năng trong các thiết bị quang điện và lưu trữ năng lượng

Bên cạnh cảm biến, tính chất điện quang của vật liệu nanocomposite rất phù hợp cho các ứng dụng năng lượng. Trong pin mặt trời, các hạt nano oxit kim loại (như TiO2) có thể hấp thụ photon và tạo ra các cặp electron-lỗ trống, sau đó được ma trận polymer dẫn điện tách ra và vận chuyển đến các điện cực, tạo ra dòng điện. Sự kết hợp này giúp cải thiện hiệu quả thu hoạch ánh sáng và hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Trong các thiết bị lưu trữ năng lượng như siêu tụ điện, cấu trúc xốp của vật liệu composite nền polymer với diện tích bề mặt lớn cho phép lưu trữ nhiều điện tích hơn, dẫn đến mật độ năng lượng và công suất cao hơn. Các vật liệu này cũng được nghiên cứu cho ứng dụng trong xúc tác quang xử lý ô nhiễm và làm lớp phủ chống ăn mòn thông minh.

VI. Tương lai của Nanocomposite Oxit Kim Loại Polymer Dẫn

Lĩnh vực nghiên cứu vật liệu Nanocomposite Oxit Kim Loại & Polymer Dẫn đang phát triển mạnh mẽ và hứa hẹn sẽ tiếp tục mang lại nhiều đột phá trong tương lai. Những thành công bước đầu trong việc cải thiện tính dẫn điện, độ bền và tạo ra các chức năng mới như cảm biến khí đã khẳng định tiềm năng to lớn của loại vật liệu này. Hướng đi trong tương lai sẽ tập trung vào việc thiết kế và kiểm soát cấu trúc vật liệu ở cấp độ nano một cách chính xác hơn. Các nhà khoa học đang tìm cách tạo ra các cấu trúc có trật tự cao, ví dụ như các mảng nano hoặc cấu trúc lõi-vỏ đồng nhất, để tối ưu hóa giao diện tương tác pha và khai thác triệt để các hiệu ứng lượng tử. Một thách thức lớn khác là phát triển các quy trình tổng hợp quy mô lớn, thân thiện với môi trường và có chi phí thấp để có thể đưa các vật liệu lai nano này từ phòng thí nghiệm ra sản xuất công nghiệp. Việc kết hợp với các công nghệ mới như in 3D và trí tuệ nhân tạo (AI) để thiết kế và tối ưu hóa vật liệu cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn, mở đường cho một thế hệ thiết bị điện tử linh hoạt, hiệu suất cao và bền vững.

6.1. Tổng kết những phát hiện chính và ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu về nanocomposite polymer dẫn điện đã chứng minh một cách thuyết phục rằng việc kết hợp polymer dẫn và hạt nano oxit kim loại tạo ra hiệu ứng синерги vượt trội. Các kết quả cho thấy, pha gia cường nano không chỉ cải thiện tính chất cơ học mà còn khuếch đại đáng kể các đáp ứng điện và quang của vật liệu. Cụ thể, việc thêm hạt nano TiO2 vào PANI hoặc PPy đã làm tăng độ nhạy cảm biến khí NH3 lên nhiều lần. Ý nghĩa khoa học của những phát hiện này nằm ở việc làm sáng tỏ cơ chế tương tác tại giao diện hữu cơ-vô cơ và cung cấp một phương pháp hiệu quả để điều chỉnh các tính chất của vật liệu theo yêu cầu ứng dụng. Đây là nền tảng vững chắc cho việc thiết kế các vật liệu thông minh thế hệ mới.

6.2. Các thách thức và định hướng nghiên cứu trong tương lai

Mặc dù có nhiều tiến bộ, một số thách thức vẫn còn tồn tại. Độ ổn định lâu dài của vật liệu trong các điều kiện hoạt động khắc nghiệt vẫn cần được cải thiện. Việc kiểm soát chính xác kích thước, hình dạng và sự phân bố của các hạt nano trong ma trận polymer ở quy mô lớn vẫn là một bài toán khó. Các hướng nghiên cứu trong tương lai sẽ bao gồm: (1) Khám phá các loại hạt nano oxit kim loại mới (hạt nano ZnO, hạt nano Fe3O4) và các loại polymer dẫn khác. (2) Phát triển các kỹ thuật biến tính bề mặt tiên tiến để tăng cường tương tác pha. (3) Nghiên cứu cơ bản sâu hơn về cơ chế truyền tải điện tích và hiệu ứng lượng tử tại giao diện. (4) Chế tạo các thiết bị đa chức năng tích hợp nhiều tính năng trên cùng một loại vật liệu.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại, nhu cầu phát triển các linh kiện quang điện tử và cảm biến khí thông minh thế hệ mới đang gia tăng với tốc độ ước tính hơn 15% mỗi năm trên toàn cầu. Các loại khí độc hại công nghiệp như amoniac (NH3) khi đạt nồng độ từ 25 ppm đã gây ra nhiều rủi ro nghiêm trọng đến sức khỏe con người và an toàn lao động. Vấn đề nghiên cứu then chốt hiện nay là các vật liệu cảm biến oxit kim loại truyền thống như titan đioxit (TiO2) thường đòi hỏi nhiệt độ vận hành rất cao từ 200°C đến 400°C, dẫn đến mức tiêu hao năng lượng lớn và giảm tuổi thọ thiết bị. Ngược lại, các polymer dẫn điện như polyaniline (PANI) và polypyrrole (PPy) có khả năng hoạt động tốt tại nhiệt độ phòng nhưng lại gặp hạn chế về độ bền nhiệt và độ nhạy chọn lọc.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là nghiên cứu tổng hợp và đánh giá có hệ thống tính chất quang điện, vi cấu trúc bề mặt và khả năng cảm biến khí của hệ vật liệu nanocomposite lai hóa giữa oxit kim loại TiO2 với polymer dẫn điện (PANI và PPy). Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán hạ thấp nhiệt độ hoạt động của cảm biến về nhiệt độ phòng (khoảng 25°C), đồng thời tối ưu hóa độ nhạy và thời gian đáp ứng quang điện.

Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm thuộc Viện Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội phối hợp cùng Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương vào năm 2017. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và ứng dụng thực tiễn to lớn: màng vật liệu nanocomposite lai ghép giúp tăng độ đáp ứng khí lên hơn 200% so với màng polymer thuần túy, loại bỏ hoàn toàn cụm cấp nhiệt cồng kềnh, từ đó tiết kiệm đến 80% năng lượng tiêu thụ cho các module cảm biến giám sát môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng trên nền tảng vững chắc của các lý thuyết vật lý chất rắn và hóa học vật liệu tiên tiến:

Thứ nhất, lý thuyết dẫn điện trong polymer liên hợp được phân tích qua mô hình dẫn điện Roth và cơ chế lan truyền pha của K. Aoki. Trạng thái dẫn điện của polymer được giải thích thông qua sự hình thành các hạt tải điện tích giả hạt như polaron và bipolaron. Quá trình đô-banh hóa học (doping) hoặc đề đô-banh (dedoping) tạo ra các mức năng lượng mới nằm trong vùng cấm, cho phép điện tử dịch chuyển linh hoạt dọc theo chuỗi mạch liên hợp pi.

Thứ hai, lý thuyết vùng năng lượng và quang xúc tác của oxit kim loại chuyển tiếp TiO2. Tinh thể TiO2 tồn tại ở các dạng thù hình chính gồm Anatase với bề rộng vùng cấm khoảng 3.2 eV và Rutile với bề rộng vùng cấm khoảng 3.0 eV. Dưới tác dụng của bức xạ photon có năng lượng lớn hơn độ rộng vùng cấm, các cặp điện tử - lỗ trống (e- - h+) được giải phóng, kích hoạt các phản ứng oxy hóa khử tạo ra các gốc tự do hoạt tính cao như OH* và O2-.

Thứ ba, mô hình chuyển tiếp dị thể p-n giữa vô cơ và hữu cơ. Khi kết hợp TiO2 (bán dẫn loại n) với PANI hoặc PPy (bán dẫn loại p), ranh giới tiếp xúc dị thể hình thành vùng suy giảm điện tích và rào thế năng lượng. Hiệu ứng truyền điện tích kim loại - phối tử (MLCT), chuyển dời năng lượng cộng hưởng Forster (FRET) cùng tương thích mức năng lượng giữa orbital phân tử cao nhất có điện tử (HOMO) và orbital phân tử thấp nhất chưa có điện tử (LUMO) quyết định đặc tính quang điện của màng lai.

Các khái niệm then chốt bao gồm: Nanocomposite vô cơ - hữu cơ, Polymer dẫn điện (Conducting Polymers - CPs), Độ nhạy khí (Gas Sensitivity), Đô-banh hóa học, và Trở kháng màng mỏng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quá trình tổng hợp và phân tích 12 hệ mẫu vật liệu với các tỷ lệ thành phần khối lượng khác nhau, bao gồm TiO2 keo chế tạo từ tiền chất TiCl4, các mẫu composite TiO2/PPy với 6 mức tỷ lệ từ 0:1 đến 2:1, và các mẫu composite TiO2/PANI tỷ lệ 1:1 và 2:1, đối chứng trực tiếp với các màng polymer thuần khiết.

Phương pháp chọn mẫu tuân thủ nguyên tắc thực nghiệm phân tầng có kiểm soát, cố định điều kiện môi trường ở nhiệt độ 25°C và độ ẩm tương đối 60% để đảm bảo tính lặp lại và độ tin cậy của các phép đo.

Quy trình phân tích hiện đại được lựa chọn dựa trên các cơ sở kỹ thuật nghiêm ngặt:

• Phương pháp polymer hóa in-situ: Được lựa chọn để tổng hợp trực tiếp polymer trên bề mặt hạt nano TiO2 nhằm đảm bảo sự phân tán đồng đều và tạo liên kết tiếp xúc pha chặt chẽ ở cấp độ phân tử.
• Kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Đánh giá chính xác kích thước hạt nano trong dải 10 nm đến 50 nm và khảo sát độ xốp bề mặt màng.
• Phổ tán xạ Raman và phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Xác định chính xác các liên kết hóa học đặc trưng, cơ chế tương tác giữa oxit và polymer, cùng mức độ oxy hóa của chuỗi polymer dẫn.
• Hệ đo đặc trưng dòng - điện áp (I-V) và mạch đo độ nhạy khí chuyên dụng: Xác định điện trở động và độ đáp ứng khi tiếp xúc với dòng khí NH3 trong dải nồng độ từ 10 ppm đến 100 ppm. Toàn bộ timeline thực nghiệm và phân tích dữ liệu được thực hiện liên tục trong thời gian 12 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, ảnh vi cấu trúc SEM và TEM khẳng định hạt nano TiO2 dạng hình cầu đồng đều với kích thước trung bình khoảng 20 nm đến 30 nm đã được phân tán đồng nhất và bọc kín trong chất nền polymer dẫn PANI và PPy. Diện tích bề mặt tiếp xúc hiệu dụng của màng nanocomposite tăng hơn 45% so với màng polymer nguyên chất, tạo ra nhiều tâm hoạt tính hấp phụ khí.

Thứ hai, kết quả phân tích phổ quang học Raman và FT-IR cho thấy sự tương tác hóa học mạnh mẽ tại bề mặt phân chia pha. Vị trí các đỉnh dao động đặc trưng của liên kết C=N quinoid và C-N benzenoid trên chuỗi polymer bị dịch chuyển từ 8 cm⁻¹ đến 15 cm⁻¹ về phía tần số cao hơn khi tăng hàm lượng TiO2, chứng minh có sự chuyển điện tích trực tiếp giữa các ion Ti⁴⁺ trên bề mặt oxit và chuỗi dẫn polymer.

Thứ ba, đặc tính điện và quang điện của vật liệu biến đổi rõ rệt theo tỷ lệ thành phần. Mẫu nanocomposite TiO2/PPy với tỷ lệ 1:1 thể hiện độ dẫn điện tăng hơn 180% so với màng PPy tinh chất. Đường đặc trưng I-V của các mẫu màng nanocomposite biểu hiện rõ hiệu ứng chỉnh lưu phi tuyến của chuyển tiếp dị thể p-n.

Thứ tư, độ nhạy khí NH3 của hệ màng nanocomposite đạt bước nhảy vọt ở nhiệt độ phòng. Tại nồng độ khí NH3 50 ppm, mẫu TiO2/PANI tỷ lệ 2:1 có độ biến thiên điện trở cao gấp 3.2 lần (tương đương mức tăng khoảng 220%) so với mẫu PANI nguyên chất; thời gian hồi phục tín hiệu giảm mạnh từ 180 giây xuống chỉ còn 65 giây.

Thảo luận kết quả

Cơ chế nâng cao độ nhạy khí của nanocomposite bắt nguồn từ sự kết hợp của hiệu ứng chuyển tiếp dị thể p-n và tương tác khử khí. Khi hạt nano TiO2 loại n tiếp xúc với mạng lưới polymer loại p, một lớp suy giảm điện tích được thiết lập tại bề mặt liên pha. Khi khí NH3 (chất cho điện tử) hấp phụ lên màng, phân tử khí tương tác với các vị trí proton hóa trên chuỗi polymer gây ra quá trình dedoping, đồng thời bơm thêm điện tử vào vùng chuyển tiếp, làm gia tăng nhanh chóng điện trở của toàn hệ màng.

So sánh với các nghiên cứu cảm biến TiO2 truyền thống hoạt động ở 300°C, hệ vật liệu TiO2/CPs trong luận văn đã chuyển hóa hoàn toàn cơ chế kích hoạt nhiệt sang cơ chế tiếp xúc điện tích dị thể tại nhiệt độ phòng 25°C, đồng thời khắc phục triệt để hiện tượng suy giảm độ bền điện học thường gặp ở polymer đơn pha.

Dữ liệu thực nghiệm phân bố độ nhạy khí theo tỷ lệ nồng độ được trực quan hóa hiệu quả qua biểu đồ cột so sánh thời gian hồi phục giữa các tỷ lệ thành phần, kết hợp cùng bảng thống kê 6 mức tỷ lệ TiO2/PPy tương ứng với giá trị điện trở ban đầu và biên độ thay đổi dòng điện đo được.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra 4 giải pháp mang tính ứng dụng thực tiễn cao:

1. Chuẩn hóa quy trình tổng hợp in-situ màng nanocomposite ở quy mô tiền công nghiệp: Cần kiểm soát nghiêm ngặt các thông số như tốc độ khuấy trộn, nhiệt độ phản ứng và nồng độ chất hoạt động bề mặt để đảm bảo độ dày màng luôn duy trì ổn định dưới 100 nm và độ đồng đều kích thước hạt đạt sai lệch dưới 5%. Giải pháp do các nhóm nghiên cứu công nghệ vật liệu tại các trường đại học kỹ thuật chủ trì thực hiện trong thời gian 6 tháng.

2. Chế tạo module cảm biến khí NH3 không dây tích hợp công nghệ vi cơ điện tử (MEMS): Thiết kế cảm biến sử dụng màng TiO2/PANI trên đế điện cực vi dải liên ngón mạ vàng nhằm giảm kích thước thiết bị xuống dưới 5 mm và giảm mức tiêu thụ điện năng xuống dưới 10 mW, phục vụ tích hợp vào mạng lưới quan trắc IoT. Chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp công nghệ bán dẫn với lộ trình triển khai 12 tháng.

3. Xây dựng thuật toán xử lý tín hiệu thông minh bù trừ sai số môi trường: Phát triển mạch vi điều khiển tích hợp thuật toán lọc nhiễu nhiệt độ và độ ẩm, giúp giảm sai số đo lường thực địa xuống dưới 3% trong dải độ ẩm từ 40% đến 80% RH. Nhiệm vụ do các kỹ sư hệ thống nhúng và xử lý dữ liệu đảm nhiệm trong vòng 9 tháng.

4. Ứng dụng mở rộng màng nanocomposite trong xử lý quang xúc tác môi trường: Thử nghiệm ứng dụng vật liệu trong hệ thống lọc không khí và xử lý nước thải công nghiệp chứa hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs), hướng tới mục tiêu phân hủy hơn 92% chất ô nhiễm sau 120 phút chiếu xạ ánh sáng khả kiến. Giải pháp do các trung tâm quan trắc môi trường phối hợp cùng doanh nghiệp triển khai thử nghiệm pilot trong 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn mang lại giá trị khoa học và ứng dụng sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Vật lý Kỹ thuật, Khoa học Vật liệu, Hóa lý: Tiếp cận phương pháp tổng hợp vật liệu lai vô cơ - hữu cơ, nắm vững kỹ thuật phân tích vi cấu trúc hiện đại (SEM, TEM, Raman, FT-IR) và cách giải thích hiện tượng tiếp xúc dị thể bán dẫn.

2. Kỹ sư R&D trong lĩnh vực cảm biến và thiết bị quan trắc môi trường: Khai thác quy trình chế tạo màng cảm biến khí hoạt động tại nhiệt độ phòng (25°C), ứng dụng trực tiếp vào phát triển các thiết bị cảnh báo rò rỉ khí độc NH3 trong nhà máy hóa chất và trang trại chăn nuôi.

3. Doanh nghiệp sản xuất linh kiện quang điện tử và pin năng lượng mặt trời: Vận dụng cơ chế truyền điện tích và tách cặp electron - lỗ trống của hệ TiO2/CPs để tối ưu hóa hiệu suất quang điện, nâng cao độ bền của màng mỏng dẫn điện trong các thiết bị quang điện tử thế hệ mới.

4. Giảng viên và cán bộ nghiên cứu tại các viện, trường đại học: Sử dụng toàn bộ cấu trúc và số liệu nghiên cứu của luận văn làm học liệu tham khảo chuyên khảo phục vụ giảng dạy các học phần về vật liệu nano, vật lý bán dẫn và vật liệu polymer tiên tiến.

Câu hỏi thường gặp

Vật liệu nanocomposite TiO2/polymer dẫn có ưu thế gì vượt trội so với màng TiO2 nguyên chất? Hệ vật liệu nanocomposite lai ghép cho phép cảm biến khí vận hành ngay tại nhiệt độ phòng 25°C thay vì phải nung nóng lên mức 200°C đến 400°C như màng TiO2 nguyên chất. Sự kết hợp này giúp tiết kiệm hơn 80% năng lượng hoạt động và kéo dài tuổi thọ của linh kiện cảm biến.

Tại sao vật liệu TiO2/PANI lại có độ nhạy khí NH3 cao hơn hẳn polymer thuần túy? Sự hình thành tiếp xúc dị thể bán dẫn p-n giữa TiO2 loại n và PANI loại p tạo ra một rào thế năng lượng rất nhạy cảm với điện tích. Khi tiếp xúc với khí NH3 nồng độ 50 ppm, quá trình dedoping diễn ra đồng thời với sự thay đổi vùng suy giảm điện tích, làm tăng độ đáp ứng lên gấp 3.2 lần so với PANI đơn lẻ.

Tỷ lệ pha trộn tối ưu giữa oxit kim loại TiO2 và polymer dẫn là bao nhiêu? Theo các kết quả đo lường thực nghiệm, tỷ lệ khối lượng tối ưu cho hệ composite TiO2/PPy là 1:1 nhằm đạt độ dẫn điện cao nhất (tăng 180%), trong khi đối với hệ composite TiO2/PANI, tỷ lệ 2:1 mang lại độ nhạy khí NH3 cao nhất và thời gian hồi phục nhanh nhất chỉ 65 giây.

Phương pháp polymer hóa in-situ đem lại lợi thế kỹ thuật nào trong chế tạo màng? Phương pháp in-situ cho phép chuỗi polymer phát triển trực tiếp xung quanh các hạt nano TiO2 kích thước 20 nm đến 30 nm ngay trong dung dịch, đảm bảo các hạt vô cơ phân tán hoàn hảo không bị vón cục, tạo liên kết hóa học bền chặt và diện tích tiếp xúc pha tăng trên 45%.

Vật liệu nanocomposite này có tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực nào khác? Bên cạnh cảm biến khí, vật liệu có tiềm năng lớn trong chế tạo lớp truyền lỗ trống cho pin mặt trời màng mỏng, màng chống tĩnh điện, siêu tụ điện tích trữ năng lượng và các màng lọc quang xúc tác xử lý ô nhiễm môi trường dưới ánh sáng khả kiến.

Kết luận

• Tổng hợp thành công hệ vật liệu nanocomposite màng mỏng TiO2/PANI và TiO2/PPy bằng phương pháp polymer hóa in-situ với độ đồng đều cao ở cấp độ nano.
• Xác lập đầy đủ cơ chế tương tác dị thể p-n và cấu trúc liên kết hóa học thông qua hệ thống phân tích SEM, TEM, phổ Raman và FT-IR.
• Nâng cao độ dẫn điện của màng composite TiO2/PPy lên hơn 180% so với vật liệu polymer nền tinh khiết.
• Đạt bước tiến đột phá về khả năng cảm biến khí NH3 ở nhiệt độ phòng 25°C với độ nhạy tăng khoảng 220% và thời gian hồi phục rút ngắn xuống 65 giây.
• Khẳng định tính khả thi vượt trội trong việc loại bỏ cụm sấy nhiệt truyền thống, mở đường cho thế hệ cảm biến nano thông minh tiết kiệm năng lượng.

Đóng góp quan trọng nhất của luận văn là làm sáng tỏ bản chất quang điện và truyền dẫn điện tích tại bề mặt phân chia pha vô cơ - hữu cơ, đồng thời cung cấp quy trình công nghệ chế tạo màng composite ổn định cao. Kế hoạch tiếp theo trong 6 đến 12 tháng tới là mở rộng thử nghiệm màng nano trên vi mạch tích hợp và kiểm thử độ bền trong môi trường công nghiệp thực tế. Độc giả và các nhà khoa học quan tâm được khuyến khích liên hệ hợp tác nghiên cứu để thúc đẩy ứng dụng vật liệu nano tiên tiến vào sản xuất công nghiệp tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TONG QUAN. Giới thiệu về pelymer din 1. Cơ chế đẫn điện của polymer dẫn 1. Cơ chế của Roth.

Cơ chế lan truyền pha của K. Polaron va Bipolaron. Polyaniline va Polypyrrole 1. Ứng dụng của vật liệu polymer dẫn polypyrrole 1.

Các ứng dụng trong thực tiễn. Ứng dụng trong cam biến khí 2. VẶT LIỆU OXTT KIM LOẠI. Vật liệu Oxit kim loại 2.

22 ] Câu trúc của tian đioxit,. Các đang thủ hình oda titan diexit we 2. Gidn đỏ miễn năng lượng của Anatase và Rutile. 2 LOI CAM BOAN Tôi xin gam doan những kết quả trong luận văn này là kết quả của tôi, không phải là sao chép của tác giả nào.

Tôi xin chịu trách nhiệm về lài cam đoan của mỉnh. Cơ chế xúc tác quang của TiO; 36 CHƯƠNG TT: TIC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40 1. Hóa chát sử đụng 1. Thiết bị, dụng cụ chế tạo muẫ.

Quy trình thực tiện: 1. Quy trình thực nghiệm chế tạo dụng dịch nanocomposite Ti0. Phương pháp tạo màng in-situ 1. Tạo mảng composte 2.CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CÚU.1 Kinh biển vì điện tử quét Kinh hiển vi diện tử truyền qua.

Nghiên cứu cầu trủo bằng phả tán xạ Raman. Phổ hỏng ngoại IR. Đo độ nhạy khí — tẳng trở của vật liệu CHƯƠNG TH: KÉT QUÁ VẢ THẢO LUẬN. Nghiên cứu cấu trúc nanocomposite TiO;/PPV.

Nghiên cứu cầu trúc bê mặt của vật Hiệu rianoeomposite TìO¿2/CPs. Nghiên cứu yi câu trúc của vật liệu nanocemposite TÌO›/CPs 2. Phổ Raman của vật isu nanocomposite ‘Ti0,/PANi 2. Pho Ramam của vật héu nanocomposite T1O2/PPy.

Ảnh hưởng của TIO; lên độ dẫn của CPs 4. Ảnh hưởng của TiO2 lên sự thay đổi độ dân của PPy do thay đổi môi trường. Ảnh hưởng của TQ; lên sự thay đổi độ dẫn của PANI do thay đổi môi trường. 68 69 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐÔ THỊ Tình 1-1.

So sánh độ dẫn điện cũa polymer dẫn với các loại vật liệu khác Hình 1-2. Một số polymer đân diễn hình,. co ccecceccrtzcrrrrrrerree Hình 1-3. Cơ chế dẫn điện Roth của polyme dẫn.

Cơ chế lan truyền pha cia K Aoki Hình 1-5. Phan ứng tương tác giữa PA và khi l¿. Anion (1;)- gay ra điện tích đương trên. Polaron, bipolaronvà sự hình thành của các dái năng lượng.

Su chuyén động của điện tử và lỗ trồng, Hình 1-9. Cấu tạo hóa lọc của Aniline. Sự chuyển hóa các dạng PANI. ào se cvvec Hình 1-11.

Câu tạo hóa học của pyrrole Hình 1-12. Câu trúc xếp chõi các lớp iơn oxii Tĩình 1-13. Cầu trúc tỉnh thể các dang thu hinh cia TiO, Hình 1-14. Hình khối bát điện của TiO; Hình 1-15.

Giản dỗ năng lượng eda anatase va rutile Tĩnh 1-16. Sự hình thành các gắc OII* và O;' Tình 2-1. Dụng cụ, tiết bị chế tạo ruầu. Sơ dỗ tổng hợp nanocomposite TiO;/PANL.

[ao mang nanocomposite bing phương pháp ln-situ. Sơ đỗ khối kinh hiến vi điều ui quyết Hinh 2-5. Kinh hiển vi diện tử truyền qua tại Viện Vệ sinh lịch tế Trung ương. Kính hiển vị điện tử truyền qua tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương.

Mô hình lân xạ Raman:. May đo phổ Raauxan. So dé da phé Raman. Mạch đo nhạy khí THỉnh 2-11.

Liệ đo đặc trưng I-V và độ nhạy khí. Cơ chế xúc tác quang của TiO; 36 CHƯƠNG TT: TIC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40 1. Hóa chát sử đụng 1. Thiết bị, dụng cụ chế tạo muẫ.

Quy trình thực tiện: 1. Quy trình thực nghiệm chế tạo dụng dịch nanocomposite Ti0. Phương pháp tạo màng in-situ 1. Tạo mảng composte 2.CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CÚU.1 Kinh biển vì điện tử quét Kinh hiển vi diện tử truyền qua.

Nghiên cứu cầu trủo bằng phả tán xạ Raman. Phổ hỏng ngoại IR. Đo độ nhạy khí — tẳng trở của vật liệu CHƯƠNG TH: KÉT QUÁ VẢ THẢO LUẬN. Nghiên cứu cấu trúc nanocomposite TiO;/PPV.

Nghiên cứu cầu trúc bê mặt của vật Hiệu rianoeomposite TìO¿2/CPs. Nghiên cứu yi câu trúc của vật liệu nanocemposite TÌO›/CPs 2. Phổ Raman của vật isu nanocomposite ‘Ti0,/PANi 2. Pho Ramam của vật héu nanocomposite T1O2/PPy.

Ảnh hưởng của TIO; lên độ dẫn của CPs 4. Ảnh hưởng của TiO2 lên sự thay đổi độ dân của PPy do thay đổi môi trường. Ảnh hưởng của TQ; lên sự thay đổi độ dẫn của PANI do thay đổi môi trường. Ảnh SEM TiO; được tạo bởi TÍCH, đạng keo.

Ảnh SEM vật liệu nanocomposite TiO,/PANI 34 Hình 3-3. Ảnh SEM vật liệu nanoeomposite TiOz/PPy. Anh TEM vat liu nanocomposite Ti0,/PANi. Anh TEM val iu nanocomposite Ti0,/PPy 3 Hinh 5-6.

Phổ Raman của PAMi và T1Oy/PANI (với tỷ lệ 1:1 va2:1). Phổ Raman của PPy và TiO¿/PDy với tý lệ (a) O1, (b) 1⁄61, (e) 1⁄21, (8)1:1 - - - 60 Hinh 3-. Phổ FT-IR của PPy/LiO; nanocomposite với tý lệ TiOzPPy lá: a) Œ1, B) 121, e)1,51, đ)21 61 Hình 3-9. Sự thay dỗi điện trở của PPy do thay dỏi môi trưởng,.

Sự thay đổi điện trở của T1O; do thay đổi môi trường,. Sự thay đổi điện trở của các mẫu nanocomposite TiOz/PTy với tỷ lệ nông độ khảe nhau. sec cces feo ese HH HH ng He gen 63 Tĩnh 3-12. Dộ nhạy khí của các mẫu nanocomposite TiOz/PPy với hàm lượng khối lượng TÍO; tăng, Hình 3-13.

Sự thuy đối điện trổ của PANI do thay đổi môi trường 65 Tĩnh 3-14. Sự thay đổi điện trở của các mẫu nanocornposita TiOz/PANi với tỷ lệ nông. Dé nhay khi eda cdc mau nanocomposite TiO,/PANi với hàm lương khối lueng TiO, tang 66 Hình 3-16. Độ nhạy khí NH; của cáo mẫu TÍO2/PANI 67 DANH MỤC CÁC BẰNG Bang 1-1.

Tri s4 bé réng ving cấm của các polymer dẫn tiêu biểu. Các chất dopanL nhân điện tử cha ta anion. Câu trúc tỉnh thể của một số Oxit kìm loại chuyển tiếp - - 31 Bang 1-4, Lính chất bề mặt của một số oxit kim loại chuyển tiếp. Bảng 1-% Một số tính chất vật.

lý của tĩnh thể rulile và araLa: Bảng 2-1. Tilé thanh phan Composite Ti0y/PANi. Phân bộ phố Raman của PAN. Phan bé phé Raman ctia PPy - 60 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT TTO: Tndium-Tim Oxide CPs: Conducting Polymer LEED: The Lowest Unoccupied Molecular Orbital HOMO: The Highest Occupied Molecular Orbital MLCT: Metal-to-Ligand Charge-Transfer LHE: Light-Harvesling Elficiency FRET: Férster-type Resonance Energy Trmsfer SEM: Scamming Electron Microscape XRD: X-ray Dillraction UV-Vis: Ultraviolet-Visible spectroscopy FWHM: Full Width at Half-Maximum.

Tse: Short Circuit Current Voc: Open Circuit Voltage FF: Fill Factor Rew: Shunt Resistance Re: Series Resistance OECD: Organisation for Economic Co-operation and Development DANH MỤC CÁC BẰNG Bang 1-1. Tri s4 bé réng ving cấm của các polymer dẫn tiêu biểu. Các chất dopanL nhân điện tử cha ta anion. Câu trúc tỉnh thể của một số Oxit kìm loại chuyển tiếp - - 31 Bang 1-4, Lính chất bề mặt của một số oxit kim loại chuyển tiếp.

Bảng 1-% Một số tính chất vật. lý của tĩnh thể rulile và araLa: Bảng 2-1. Tilé thanh phan Composite Ti0y/PANi. Phân bộ phố Raman của PAN.

Phan bé phé Raman ctia PPy - 60 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT TTO: Tndium-Tim Oxide CPs: Conducting Polymer LEED: The Lowest Unoccupied Molecular Orbital HOMO: The Highest Occupied Molecular Orbital MLCT: Metal-to-Ligand Charge-Transfer LHE: Light-Harvesling Elficiency FRET: Férster-type Resonance Energy Trmsfer SEM: Scamming Electron Microscape XRD: X-ray Dillraction UV-Vis: Ultraviolet-Visible spectroscopy FWHM: Full Width at Half-Maximum. Tse: Short Circuit Current Voc: Open Circuit Voltage FF: Fill Factor Rew: Shunt Resistance Re: Series Resistance OECD: Organisation for Economic Co-operation and Development DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐÔ THỊ Tình 1-1. So sánh độ dẫn điện cũa polymer dẫn với các loại vật liệu khác Hình 1-2. Một số polymer đân diễn hình,.

co ccecceccrtzcrrrrrrerree Hình 1-3. Cơ chế dẫn điện Roth của polyme dẫn. Cơ chế lan truyền pha cia K Aoki Hình 1-5. Phan ứng tương tác giữa PA và khi l¿.

Anion (1;)- gay ra điện tích đương trên. Polaron, bipolaronvà sự hình thành của các dái năng lượng. Su chuyén động của điện tử và lỗ trồng, Hình 1-9. Cấu tạo hóa lọc của Aniline.

Sự chuyển hóa các dạng PANI. ào se cvvec Hình 1-11. Câu tạo hóa học của pyrrole Hình 1-12. Câu trúc xếp chõi các lớp iơn oxii Tĩình 1-13.

Cầu trúc tỉnh thể các dang thu hinh cia TiO, Hình 1-14. Hình khối bát điện của TiO; Hình 1-15. Giản dỗ năng lượng eda anatase va rutile Tĩnh 1-16. Sự hình thành các gắc OII* và O;' Tình 2-1.

Dụng cụ, tiết bị chế tạo ruầu. Sơ dỗ tổng hợp nanocomposite TiO;/PANL. [ao mang nanocomposite bing phương pháp ln-situ. Sơ đỗ khối kinh hiến vi điều ui quyết Hinh 2-5.

Kinh hiển vi diện tử truyền qua tại Viện Vệ sinh lịch tế Trung ương. Kính hiển vị điện tử truyền qua tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương. Mô hình lân xạ Raman:. May đo phổ Raauxan.

So dé da phé Raman. Mạch đo nhạy khí THỉnh 2-11. Liệ đo đặc trưng I-V và độ nhạy khí. Ảnh SEM TiO; được tạo bởi TÍCH, đạng keo.

Ảnh SEM vật liệu nanocomposite TiO,/PANI 34 Hình 3-3. Ảnh SEM vật liệu nanoeomposite TiOz/PPy. Anh TEM vat liu nanocomposite Ti0,/PANi. Anh TEM val iu nanocomposite Ti0,/PPy 3 Hinh 5-6.

Phổ Raman của PAMi và T1Oy/PANI (với tỷ lệ 1:1 va2:1). Phổ Raman của PPy và TiO¿/PDy với tý lệ (a) O1, (b) 1⁄61, (e) 1⁄21, (8)1:1 - - - 60 Hinh 3-. Phổ FT-IR của PPy/LiO; nanocomposite với tý lệ TiOzPPy lá: a) Œ1, B) 121, e)1,51, đ)21 61 Hình 3-9. Sự thay dỗi điện trở của PPy do thay dỏi môi trưởng,.

Sự thay đổi điện trở của T1O; do thay đổi môi trường,. Sự thay đổi điện trở của các mẫu nanocomposite TiOz/PTy với tỷ lệ nông độ khảe nhau. sec cces feo ese HH HH ng He gen 63 Tĩnh 3-12. Dộ nhạy khí của các mẫu nanocomposite TiOz/PPy với hàm lượng khối lượng TÍO; tăng, Hình 3-13.

Sự thuy đối điện trổ của PANI do thay đổi môi trường 65 Tĩnh 3-14. Sự thay đổi điện trở của các mẫu nanocornposita TiOz/PANi với tỷ lệ nông. Dé nhay khi eda cdc mau nanocomposite TiO,/PANi với hàm lương khối lueng TiO, tang 66 Hình 3-16. Độ nhạy khí NH; của cáo mẫu TÍO2/PANI 67 Tĩnh 3-1.

Ảnh SEM TiO; được tạo bởi TÍCH, đạng keo. Ảnh SEM vật liệu nanocomposite TiO,/PANI 34 Hình 3-3. Ảnh SEM vật liệu nanoeomposite TiOz/PPy. Anh TEM vat liu nanocomposite Ti0,/PANi.

Anh TEM val iu nanocomposite Ti0,/PPy 3 Hinh 5-6. Phổ Raman của PAMi và T1Oy/PANI (với tỷ lệ 1:1 va2:1). Phổ Raman của PPy và TiO¿/PDy với tý lệ (a) O1, (b) 1⁄61, (e) 1⁄21, (8)1:1 - - - 60 Hinh 3-. Phổ FT-IR của PPy/LiO; nanocomposite với tý lệ TiOzPPy lá: a) Œ1, B) 121, e)1,51, đ)21 61 Hình 3-9.

Sự thay dỗi điện trở của PPy do thay dỏi môi trưởng,. Sự thay đổi điện trở của T1O; do thay đổi môi trường,. Sự thay đổi điện trở của các mẫu nanocomposite TiOz/PTy với tỷ lệ nông độ khảe nhau. sec cces feo ese HH HH ng He gen 63 Tĩnh 3-12.

Dộ nhạy khí của các mẫu nanocomposite TiOz/PPy với hàm lượng khối lượng TÍO; tăng, Hình 3-13. Sự thuy đối điện trổ của PANI do thay đổi môi trường 65 Tĩnh 3-14. Sự thay đổi điện trở của các mẫu nanocornposita TiOz/PANi với tỷ lệ nông.