Chế tạo Nano MoS2 và Ứng dụng Phân hủy Chất Màu Hữu Cơ

Nano MoS2: Giải pháp phân hủy chất màu hữu cơ hiệu quả. Tìm hiểu về ứng dụng tiềm năng của vật liệu nano MoS2 trong xử lý ô nhiễm môi trường.

• Tác giả: Nguyễn Thị Nga
• Người hướng dẫn: ThS. Võ Thị Lan Phương
• Trường học: Trường Đại Học Hoa Lư
• Chuyên ngành: Sư Phạm KHTN
• Đề tài: Chế Tạo Vật Liệu Nano MoS2 Và Thử Nghiệm Ứng Dụng Phân Hủy Chất Mầu Hữu Cơ
• Loại tài liệu: Báo cáo kết quả thực hiện đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Ninh Bình

Tóm tắt

I. Giới thiệu Nano MoS2 Vật liệu tiềm năng xử lý ô nhiễm

Ô nhiễm chất màu hữu cơ từ thuốc nhuộm, hóa chất công nghiệp và chất thải nông nghiệp đang là vấn đề môi trường cấp bách. Các phương pháp xử lý nước thải truyền thống thường tạo ra ô nhiễm thứ cấp và hiệu quả thấp. Công nghệ quang xúc tác, sử dụng vật liệu nano bán dẫn, nổi lên như một giải pháp xanh, hiệu quả cao, tiết kiệm và thân thiện với môi trường. Nano MoS2 (Molybdenum disulfide nanosheets) là một trong những vật liệu đầy hứa hẹn này. Molybdenum disulfide (MoS2) sở hữu nhiều ưu điểm như khả năng hấp thụ quang học tốt, tính linh động cao, ổn định hóa học và nhiệt. Các hạt nano Molybdenum disulfide nanosheets có hệ số ma sát thấp, hoạt tính xúc tác tốt và diện tích bề mặt hoạt động lớn, tạo điều kiện cho việc phân hủy quang xúc tác các chất màu hữu cơ như rhodamine B, xanh methylene, metyl da cam... Nghiên cứu của Zhang và cộng sự [1] đã chế tạo thành công Nano MoS2 đơn lớp hình tam giác với kích thước hạt lớn. Alharbi và cộng sự [2] tổng hợp màng MoS2 diện tích lớn với độ linh động điện tử cao. Vì vậy, Nano MoS2 hứa hẹn là vật liệu tiềm năng ứng dụng trong xử lý nước thải, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

1.1. Ô nhiễm chất màu hữu cơ Thách thức môi trường toàn cầu

Các ngành công nghiệp dệt may, da giày, in ấn, và nhiều ngành khác thải ra một lượng lớn chất màu hữu cơ vào môi trường nước. Các chất này không chỉ gây mất mỹ quan mà còn có thể gây hại cho sức khỏe con người và hệ sinh thái. Nhiều chất màu hữu cơ có tính độc hại, gây ung thư hoặc ảnh hưởng đến hệ thần kinh và sinh sản. Việc tìm kiếm các giải pháp hiệu quả và bền vững để loại bỏ các chất màu hữu cơ khỏi nguồn nước là vô cùng quan trọng. Các kỹ thuật truyền thống như tách màng, hấp phụ, và xử lý sinh học thường tốn kém, tạo ra chất thải thứ cấp, hoặc không hiệu quả đối với một số loại chất màu hữu cơ.

1.2. Ưu điểm của phân hủy quang xúc tác sử dụng Nano MoS2

Phân hủy quang xúc tác sử dụng Nano MoS2 là một quy trình xử lý nước thải tiên tiến, sử dụng ánh sáng và chất xúc tác để phân hủy các chất ô nhiễm thành các chất vô hại. Nano MoS2 có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời và ánh sáng khả kiến, kích hoạt quá trình quang xúc tác. Quá trình này tạo ra các gốc tự do có khả năng oxy hóa mạnh, tấn công và phân hủy các chất màu hữu cơ thành CO2 và H2O. Ưu điểm của phương pháp này bao gồm: hiệu quả cao, tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi trường, và khả năng phân hủy nhiều loại chất màu hữu cơ khác nhau. Hơn nữa, Nano MoS2 có thể được tái sử dụng, giảm thiểu chi phí xử lý nước thải.

II. Tại sao Nano MoS2 hiệu quả trong phân hủy chất màu

Nano MoS2 thể hiện hoạt tính quang xúc tác vượt trội nhờ cấu trúc và tính chất độc đáo của nó. Cấu trúc lớp của Molybdenum disulfide nanosheets tạo ra diện tích bề mặt lớn, tăng cường khả năng tương tác với các chất màu hữu cơ. Tính chất quang học của Nano MoS2 cho phép hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến, tận dụng năng lượng mặt trời hiệu quả. Khác với các vật liệu TiO2 (Titanium Dioxide), ZnO (Zinc Oxide), CdS (Cadmium Sulfide) truyền thống, Nano MoS2 có hoạt tính xúc tác cao trong môi trường pH trung tính, mở rộng phạm vi ứng dụng. Cơ chế phản ứng của phân hủy quang xúc tác bằng Nano MoS2 bao gồm tạo cặp electron-lỗ trống khi chiếu sáng, sau đó các electron và lỗ trống này tham gia vào quá trình oxy hóa khử, phân hủy chất màu hữu cơ. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc cải tiến hiệu suất bằng cách pha tạp (Doping) hoặc tạo vật liệu nanocomposite với các vật liệu khác.

2.1. Cấu trúc và tính chất độc đáo của Nano MoS2

Nano MoS2 (Molybdenum disulfide nanosheets) có cấu trúc lớp tương tự graphene, với các lớp MoS2 liên kết với nhau bằng lực Van der Waals yếu. Cấu trúc này tạo ra diện tích bề mặt riêng lớn, cho phép Nano MoS2 hấp phụ một lượng lớn chất màu hữu cơ trên bề mặt. Ngoài ra, Nano MoS2 có tính chất quang học đặc biệt, hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến và tử ngoại, kích hoạt quá trình quang xúc tác. Kích thước hạt nano và cấu trúc tinh thể của Nano MoS2 cũng ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác của nó. Các nghiên cứu đang được tiến hành để tối ưu hóa cấu trúc và tính chất của Nano MoS2 nhằm nâng cao hiệu quả phân hủy chất màu hữu cơ.

2.2. Cơ chế phân hủy quang xúc tác của Nano MoS2

Khi Nano MoS2 hấp thụ ánh sáng, các electron trong vật liệu được kích thích, tạo ra các cặp electron-lỗ trống. Các electron di chuyển đến vùng dẫn (CB), trong khi các lỗ trống ở lại vùng hóa trị (VB). Các electron và lỗ trống này có khả năng oxy hóa và khử các chất màu hữu cơ. Các electron có thể phản ứng với oxy hòa tan trong nước, tạo ra các gốc superoxide (•O2-), trong khi các lỗ trống có thể phản ứng với nước, tạo ra các gốc hydroxyl (•OH). Cả hai loại gốc tự do này đều có khả năng oxy hóa mạnh, tấn công và phân hủy các chất màu hữu cơ thành các sản phẩm vô hại như CO2 và H2O.

2.3. Yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy chất màu

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy chất màu hữu cơ bằng Nano MoS2, bao gồm: Nồng độ chất màu, cường độ ánh sáng, pH dung dịch, nhiệt độ phản ứng, và thời gian phản ứng. Nồng độ chất màu quá cao có thể làm giảm hiệu quả phân hủy do ánh sáng không thể xuyên qua dung dịch một cách hiệu quả. Cường độ ánh sáng càng cao, càng có nhiều electron được kích thích, tăng tốc độ phân hủy. pH dung dịch ảnh hưởng đến trạng thái bề mặt của Nano MoS2 và khả năng hấp phụ chất màu hữu cơ. Nhiệt độ phản ứng cũng có thể ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và tính ổn định hóa học của Nano MoS2.

III. Phương pháp chế tạo Nano MoS2 hiệu quả cho phân hủy

Nhiều phương pháp khác nhau có thể được sử dụng để tổng hợp Nano MoS2, bao gồm phương pháp bóc tách cơ học, phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD), phương pháp thủy nhiệt, và phương pháp dung nhiệt. Phương pháp thủy nhiệt là một phương pháp đơn giản, hiệu quả và có khả năng mở rộng quy mô, phù hợp với các phòng thí nghiệm cơ bản. Quá trình chế tạo bao gồm hòa tan tiền chất (amoni molipdat và thiourea) trong dung môi, thêm chất hoạt động bề mặt, và gia nhiệt trong nồi hấp áp suất cao. Chi phí sản xuất thấp và tính thân thiện với môi trường là ưu điểm nổi bật của phương pháp này. Việc kiểm soát các thông số như nhiệt độ, thời gian phản ứng và nồng độ tiền chất là quan trọng để đạt được Nano MoS2 với diện tích bề mặt riêng và kích thước hạt nano tối ưu.

3.1. Tổng quan các phương pháp tổng hợp Nano MoS2

Có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp Nano MoS2, mỗi phương pháp có ưu và nhược điểm riêng. Phương pháp bóc tách cơ học đơn giản nhưng khó kiểm soát kích thước và hình dạng của Nano MoS2. Phương pháp CVD cho phép tạo ra màng MoS2 mỏng với chất lượng cao, nhưng đòi hỏi thiết bị phức tạp. Phương pháp thủy nhiệt và dung nhiệt là các phương pháp hóa học ướt, dễ thực hiện và có thể điều chỉnh kích thước hạt nano và cấu trúc tinh thể của Nano MoS2.

3.2. Quy trình chế tạo Nano MoS2 bằng phương pháp thủy nhiệt

Phương pháp thủy nhiệt là một quy trình đơn giản, hiệu quả và có khả năng mở rộng quy mô để tổng hợp Nano MoS2. Quy trình này bao gồm các bước sau: (1) Hòa tan tiền chất (amoni molipdat và thiourea) trong dung môi (nước hoặc dung môi hữu cơ); (2) Thêm chất hoạt động bề mặt (ví dụ: PVP) để kiểm soát kích thước hạt nano; (3) Chuyển dung dịch vào nồi hấp áp suất cao; (4) Gia nhiệt dung dịch ở nhiệt độ và thời gian xác định; (5) Làm nguội dung dịch và thu hồi sản phẩm. Nhiệt độ phản ứng, thời gian phản ứng, và nồng độ tiền chất là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng của Nano MoS2.

3.3. Tối ưu hóa điều kiện tổng hợp Nano MoS2

Để đạt được Nano MoS2 với diện tích bề mặt riêng và kích thước hạt nano tối ưu cho phân hủy quang xúc tác, cần tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp. Nhiệt độ phản ứng và thời gian phản ứng cần được điều chỉnh để đảm bảo sự hình thành của Nano MoS2 với cấu trúc tinh thể tốt. Nồng độ tiền chất và chất hoạt động bề mặt cần được điều chỉnh để kiểm soát kích thước hạt nano và ngăn ngừa sự kết tụ. Ngoài ra, việc sử dụng các phương pháp xử lý sau tổng hợp (ví dụ: nung ở nhiệt độ cao) có thể cải thiện tính chất quang học và hoạt tính xúc tác của Nano MoS2.

IV. Ứng dụng Nano MoS2 Nghiên cứu phân hủy chất màu thực nghiệm

Để đánh giá khả năng ứng dụng thực tế của Nano MoS2, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để khảo sát hiệu quả phân hủy chất màu hữu cơ trong điều kiện khác nhau. Các thí nghiệm thường bao gồm việc chiếu sáng dung dịch chứa chất màu hữu cơ và Nano MoS2 bằng đèn UV hoặc ánh sáng khả kiến. Tốc độ phân hủy và hiệu quả phân hủy được đo bằng cách theo dõi sự thay đổi nồng độ chất màu hữu cơ theo thời gian. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả phân hủy như nồng độ chất màu, cường độ ánh sáng, pH dung dịch và nhiệt độ phản ứng cũng được nghiên cứu. Phân tích XRD, Phân tích SEM, Phân tích TEM và Phân tích UV-Vis được sử dụng để xác định cấu trúc và tính chất của vật liệu trước và sau phản ứng.

4.1. Phương pháp khảo sát hoạt tính quang xúc tác của Nano MoS2

Để đánh giá hoạt tính xúc tác của Nano MoS2, một loạt các thí nghiệm được tiến hành. Đầu tiên, dung dịch chất màu hữu cơ (ví dụ: methylene blue, rhodamine B) được chuẩn bị với nồng độ xác định. Sau đó, Nano MoS2 được thêm vào dung dịch và khuấy đều trong bóng tối để đạt được sự hấp phụ cân bằng. Dung dịch sau đó được chiếu sáng bằng đèn UV hoặc ánh sáng khả kiến. Tại các khoảng thời gian khác nhau, mẫu dung dịch được lấy ra và đo độ hấp thụ bằng máy quang phổ UV-Vis. Sự giảm độ hấp thụ theo thời gian cho thấy sự phân hủy của chất màu hữu cơ.

4.2. Kết quả thực nghiệm phân hủy chất màu sử dụng Nano MoS2

Các kết quả thực nghiệm cho thấy Nano MoS2 có khả năng phân hủy hiệu quả nhiều loại chất màu hữu cơ khác nhau. Tốc độ phân hủy và hiệu quả phân hủy phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm nồng độ chất màu, cường độ ánh sáng, pH dung dịch và nhiệt độ phản ứng. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc pha tạp hoặc tạo vật liệu nanocomposite với các vật liệu khác có thể cải thiện đáng kể hoạt tính xúc tác của Nano MoS2.

4.3. Phân tích và đánh giá sản phẩm phân hủy

Để đánh giá toàn diện quá trình phân hủy quang xúc tác, cần phân tích và đánh giá các sản phẩm phân hủy của chất màu hữu cơ. Các phương pháp phân tích như sắc ký khí-khối phổ (GC-MS) và sắc ký lỏng-khối phổ (LC-MS) có thể được sử dụng để xác định các sản phẩm phân hủy trung gian và cuối cùng. Thông tin này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế phản ứng và đánh giá độ độc tính của các sản phẩm phân hủy. Mục tiêu cuối cùng là phân hủy chất màu hữu cơ thành các sản phẩm vô hại như CO2 và H2O.

V. Độ bền xúc tác và khả năng tái sử dụng của Nano MoS2

Độ bền xúc tác và khả năng tái sử dụng là những yếu tố quan trọng để đánh giá khả năng ứng dụng thực tế của vật liệu Nano MoS2 trong xử lý nước thải. Để đánh giá độ bền xúc tác, Nano MoS2 được sử dụng trong nhiều chu kỳ phân hủy quang xúc tác. Hiệu quả phân hủy được đo sau mỗi chu kỳ. Sự giảm hiệu quả phân hủy theo thời gian cho thấy sự suy giảm độ bền xúc tác. Để đánh giá khả năng tái sử dụng, Nano MoS2 được thu hồi sau mỗi chu kỳ và sử dụng lại trong các chu kỳ tiếp theo. Các phương pháp thu hồi bao gồm lọc, ly tâm và từ tính. Cải tiến hiệu suất và khả năng tái sử dụng là những hướng nghiên cứu quan trọng để giảm chi phí và tăng tính bền vững của công nghệ phân hủy quang xúc tác.

5.1. Đánh giá độ bền xúc tác của Nano MoS2

Để đánh giá độ bền xúc tác, các thí nghiệm được tiến hành trong nhiều chu kỳ phân hủy quang xúc tác. Sau mỗi chu kỳ, hiệu quả phân hủy được đo và so sánh với hiệu quả phân hủy trong chu kỳ đầu tiên. Sự giảm hiệu quả phân hủy theo thời gian cho thấy sự suy giảm độ bền xúc tác. Nguyên nhân của sự suy giảm độ bền xúc tác có thể bao gồm: sự tắc nghẽn bề mặt bởi các sản phẩm phân hủy, sự oxy hóa hoặc ăn mòn của Nano MoS2, hoặc sự mất diện tích bề mặt riêng.

5.2. Phương pháp tái sử dụng Nano MoS2

Để giảm chi phí và tăng tính bền vững của công nghệ phân hủy quang xúc tác, Nano MoS2 cần được tái sử dụng sau mỗi chu kỳ. Có nhiều phương pháp khác nhau để thu hồi Nano MoS2 từ dung dịch sau phản ứng, bao gồm: lọc, ly tâm, và từ tính. Phương pháp lọc đơn giản nhưng có thể gây tắc nghẽn màng lọc. Phương pháp ly tâm hiệu quả hơn nhưng tốn kém hơn. Phương pháp từ tính sử dụng Nano MoS2 được phủ một lớp vật liệu từ tính, cho phép thu hồi bằng nam châm.

5.3. Giải pháp cải thiện độ bền và khả năng tái sử dụng

Nhiều giải pháp đã được đề xuất để cải thiện độ bền xúc tác và khả năng tái sử dụng của Nano MoS2. Các giải pháp này bao gồm: (1) Phủ Nano MoS2 lên bề mặt vật liệu trơ để tăng độ ổn định cơ học; (2) Pha tạp với các nguyên tố khác để tăng độ ổn định hóa học; (3) Tạo vật liệu nanocomposite với các vật liệu có diện tích bề mặt riêng lớn để ngăn ngừa sự tắc nghẽn bề mặt; (4) Sử dụng các quy trình xử lý sau phản ứng để loại bỏ các sản phẩm phân hủy bám trên bề mặt Nano MoS2.

VI. Nano MoS2 Tiềm năng hướng phát triển phân hủy chất màu

Nano MoS2 đã chứng minh tiềm năng to lớn trong việc phân hủy chất màu hữu cơ hiệu quả. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua để ứng dụng công nghệ này rộng rãi. Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc cải tiến hiệu suất, độ bền xúc tác và khả năng tái sử dụng của Nano MoS2. Việc phát triển các phương pháp tổng hợp đơn giản, chi phí thấp và thân thiện với môi trường cũng là rất quan trọng. Ngoài ra, cần đánh giá toàn diện độ độc tính của các sản phẩm phân hủy để đảm bảo an toàn cho môi trường và sức khỏe con người. Nano MoS2 hứa hẹn sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết vấn đề ô nhiễm nước do chất màu hữu cơ trong tương lai.

6.1. Thách thức và cơ hội trong ứng dụng Nano MoS2

Mặc dù có tiềm năng lớn, Nano MoS2 vẫn đối mặt với một số thách thức trong ứng dụng thực tế. Hiệu quả phân hủy có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như độ đục của nước thải, sự hiện diện của các chất ô nhiễm khác, và sự suy giảm độ bền xúc tác. Tuy nhiên, những thách thức này cũng tạo ra cơ hội cho nghiên cứu và phát triển. Việc tìm kiếm các giải pháp để vượt qua những hạn chế này sẽ mở ra tiềm năng to lớn cho Nano MoS2 trong xử lý nước thải.

6.2. Hướng nghiên cứu và phát triển Nano MoS2 trong tương lai

Nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào các lĩnh vực sau: (1) Phát triển các phương pháp tổng hợp Nano MoS2 đơn giản, chi phí thấp và thân thiện với môi trường; (2) Cải tiến hiệu suất, độ bền xúc tác, và khả năng tái sử dụng của Nano MoS2; (3) Nghiên cứu cơ chế phản ứng chi tiết để tối ưu hóa quá trình phân hủy quang xúc tác; (4) Đánh giá độ độc tính của các sản phẩm phân hủy để đảm bảo an toàn cho môi trường và sức khỏe con người; (5) Nghiên cứu ứng dụng Nano MoS2 trong xử lý nước thải thực tế.

6.3. Nano MoS2 Giải pháp bền vững cho môi trường

Nano MoS2 hứa hẹn sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết vấn đề ô nhiễm nước do chất màu hữu cơ trong tương lai. Với những ưu điểm vượt trội như hiệu quả cao, tiết kiệm năng lượng, và tính thân thiện với môi trường, Nano MoS2 có thể là một giải pháp bền vững để bảo vệ nguồn nước và sức khỏe con người. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ này là rất quan trọng để đạt được mục tiêu phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1. CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU MoS2 Molypden [7439-98-7], Mo, số nguyên tử 42, cấu hình điện tử [Kr] 4d55s1, là thành viên thứ hai thuộc nhóm 6 của bảng hệ thống tuần hoàn. Ở trạng thái tự nhiên, molypden là chất rắn màu trắng bạc bóng với đặc tính kim loại điển hình. Là một nguyên tố chuyển tiếp, nó có thể có hóa trị là 2, 3, 4, 5 hoặc 6.

Molypden tạo thành các hợp chất hóa học ở trạng thái oxy hóa −IV và từ −II đến +VI. Trạng thái oxy hóa cao nhất được thấy ở molybdenum (VI) oxit (MoO3), trong khi hợp chất lưu huỳnh thông thường là molybdenum disulfide (MoS2). MoS2 là một loại dichalcogenua kim loại chuyển tiếp 2D phân lớp (TMDCs), với công thức hóa học là MX2. M biểu thị nguyên tố kim loại chuyển vị, và X biểu thị nguyên tố S, Se hoặc Te.

Các TMDC số lượng lớn được hình thành bằng cách xếp chồng các lớp XMX và có thể tồn tại trong các pha cấu trúc khác nhau tùy thuộc vào các nguyên tử kim loại chuyển tiếp [6]. Trong MoS2 đơn lớp, Mo (+4) và S (-2) là được sắp xếp theo hướng S-Mo-S và trong mỗi lớp, 6 nguyên tử S bao quanh một nguyên tử Mo (hình 1. Cấu trúc của vật liệu MoS2[6] Các lớp MoS2 chủ yếu được liên kết bởi lực Van der Waals yếu, và các liên kết Mo-S trong MoS2 chủ yếu có bản chất cộng hóa trị, nghĩa là có các electron dùng chung giữa hai nguyên tử. Điều này dẫn đến liên kết bền vững giữa nguyên tử Mo và S trong mỗi lớp, góp phần vào các tính chất cơ học và 5 tính chất nhiệt ổn định của vật liệu.

Khoảng cách giữa các lớp liền kề khoảng 0,65nm. Theo sự liên kết giữa nguyên tử Mo và nguyên tử S và thứ tự xếp chồng giữa các lớp, MoS2 thông thường có ba loại cấu trúc tinh thể, cụ thể là cấu trúc 2H (lăng trụ tam giác), cấu trúc 3R (lục diện) và cấu trúc 1T (bát diện). Các cấu trúc tinh thể của MoS2 [4]. Cấu Nhóm không Nhóm Xếp Thông số Tính chất trúc gian điểm chồng mạng XRD a = 5,60 Å, kim loại, di 1T′ P3̲3¯m1 D3d AAAAAA c = 5,99 Å động bán dẫn, a = 3,16 Å, 2H P63/mmc D6h ABABAB xuất hiện tự c = 12,29 Å nhiên bán dẫn, a = 3,17 Å, 3R R3m C3v ABCABC xuất hiện tự c = 18,38 Å nhiên Cấu trúc tinh thể 1T MoS2 có thứ tự phân lớp AAA và được hình thành do sự mất phương hướng của một trong các lớp lưu huỳnh trong MoS2 [4].

1T-MoS2 là dạng đa hình bền nhiệt động nhất của MoS2 ở nhiệt độ cao. Các nguyên tử Mo được sắp xếp theo hình lăng trụ tam giác phối hợp, với một bát diện méo được hình thành bởi sáu nguyên tử lưu huỳnh gần nhất. Nó có liên kết Mo-Mo đối xứng và có đối xứng lượng giác, còn được gọi là pha 1T kim loại. Độ dẫn điện của MoS2 khác nhau tùy theo cấu trúc pha và tinh thể.

Các pha 1T có nhiều vị trí hoạt động tiếp xúc hơn; do đó, sự hiện diện của 1T giúp tăng cường tính dẫn điện của MoS2. 2H-MoS2 là dạng MoS2 phổ biến nhất trong tự nhiên. Nó có một cấu trúc tinh thể lục giác và mỗi nguyên tử Mo được bao quanh bởi sáu nguyên tử lưu huỳnh tạo thành một lăng trụ tam giác. Ô đơn vị của nó bao gồm hai vị trí lưu huỳnh khác nhau.

Cấu trúc này có một mặt phẳng hình lục giác, có hai lớp trên mỗi ô đơn vị. Vùng lân cận các lớp được xếp chồng lên nhau trong một lớp ABA, trong đó lớp giữa hơi dịch chuyển so với các lớp trên cùng. Sự sắp xếp này cho phép các tương tác giữa các nguyên tử lưu huỳnh giữa các lớp mạnh, dẫn đến cấu trúc tinh thể ổn định. 3R-MoS2 có cấu trúc tinh thể hình thoi 6 và được tìm thấy ở nhiệt độ thấp.

Cấu trúc dải của vật liệu thay đổi, đồng thời thay đổi hình thái của vật liệu từ vật liệu cấu trúc khối ba chiều (3D) sang các tấm 2D của MoS2. Số lớp trong MoS2 xác định tính chất vật lý và hóa học của vật liệu. Các pha 1T, 2H và 3R của MoS2. [7] Đơn lớp MoS2 có cấu trúc S-Mo-S, tương tự như bánh mì sandwich.

Chiều dài Mo-S, mạng tinh thể không đổi và khoảng cách giữa các nguyên tử lưu huỳnh trên và dưới là 2,4; 3,2; 3,1 Å tương ứng. Cấu trúc phân lớp của MoS2 biến nó thành một vật liệu hoàn hảo cho nhiều ứng dụng khác nhau và hình thái của nó có thể được kiểm soát bằng các phương pháp tổng hợp khác nhau. MoS2 có thể được tổng hợp trong nhiều hình dạng và hình thái khác nhau, bao gồm mặt phẳng, bông hoa nano, dây nano, ống nano, tiểu cầu nano và các tấm nano được sắp xếp theo chiều dọc… 1. TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU MoS2 7 MoS2 một chất rắn màu đen ánh bạc, tương tự như khoáng sản molybdenit, quặng chính của chất molybden.

Về hóa tính, hợp chất MoS2 tương đối trơ. Hợp chất này không phản ứng hay bị ảnh hưởng bởi axit loãng và oxy. Tính chất của MoS2 [8] Công thức phân tử MoS2 Khối lượng mol 160,082 g/mol Bề ngoài chất rắn màu đen/chì xám Khối lượng riêng 5,06 g/cm³ Điểm nóng chảy 1.185°C Độ hòa tan trong nước không tan Bandgap 1,23 eV~1.8 eV MoS2 phản ứng với oxy khi đun nóng, tạo ra hợp chất mới là molybden (VI) oxit: 2MoS2 + 7O2 → 2MoO3 + 4SO2↑ Khí clo cũng phản ứng với MoS2 ở nhiệt độ cao để tạo thành molybden (V) chloride: 2MoS2 + 7Cl2 → 2MoCl5 + 2S2Cl2 MoS2 có lực liên kết Van der Waals yếu do có khoảng cách lớn giữa các lớp S-Mo-S. Bên cạnh đó trong cấu trúc tinh thể của MoS2 có sáu electron không liên kết có thể lấp đầy.

Điều này tạo ra một điện tích dương trên bề mặt của các lớp S-Mo-S giúp thúc đẩy quá trình phân tách lớp dễ dàng thông qua lực đẩy tĩnh điện. Đây là nguyên nhân chính khiến MoS2 có hệ số ma sát thấp, cực kỳ phù hợp trong các ứng dụng bôi trơn. MoS2 là vật liệu bán dẫn thể hiện nhiều thuộc tính ưu việt như tính ổn định cơ học, hoạt động điện hóa cao, khuếch tán ion nhanh, tính dẫn điện vượt trội và khả năng chống lại các môi trường hóa học khắc nghiệt. MoS2 kim loại (1T) ưa nước, trong khi bán dẫn (2H) có bản chất kỵ nước.

MoS2 có diện tích bề mặt riêng lớn cùng với nhiều vị trí hoạt động chính tiếp xúc với bề mặt. Do cấu 8 trúc siêu mỏng, sự di chuyển điện tích diễn ra nhanh chóng, cải thiện khả năng phản ứng quang và điện của vật liệu MoS2[9]. Trong mỗi lớp MoS2 các nguyên tử molypden và lưu huỳnh được gắn với nhau thông qua liên kết cộng hóa trị mạnh tạo nên độ bền kéo rất cao (gấp 30 lần hơn thép có kết cấu tương tự), độ ổn định nhiệt lên tới 1090° C trong môi trường trơ [10]. MoS2 đơn lớp có độ bền cao, kém hơn so với graphene và độ đàn hồi tốt tương tự như graphene oxit, với mô đun Young là 0,33 ± 0,07 TPa.

Một lớp duy nhất của MoS2 linh hoạt hơn các cấu trúc khối, trong đó mô đun Young của nó là 0,24 TPa. Không giống như các chất bán dẫn khác, tính linh hoạt của MoS2 ngăn cản sự biến dạng và khả năng dịch chuyển vùng cấm có thể xảy ra với cấu trúc tinh thể của nó khi chịu lực căng. Tuy nhiên, biến dạng cơ học được sử dụng để thay đổi các đặc tính điện tử của MoS2 và biến đổi chúng từ chất bán dẫn thành kim loại. Nó biến đổi khoảng cách băng tần trực tiếp của MoS2 đơn lớp thành lớp gián tiếp và có thể gây biến dạng cấu trúc và biến MoS2 thành kim loại.

Sự thay đổi này rất có ý nghĩa vì tính chất cơ học của MoS2 có thể thay đổi được hay cấu trúc một lớp của vật liệu linh hoạt hơn vật liệu khối. Điều này chủ yếu là do các tương tác giữa các lớp tồn tại ở dạng MoS2 đa lớp, dẫn đến cấu trúc cứng hơn, trong khi ở dạng đơn lớp, lực Van der Waals giữa các lớp yếu hơn cho phép tăng tính linh hoạt của vật liệu. MoS2 đa lớp được biết là có độ rộng vùng cấm gián tiếp là 1,2 eV, độ rộng vùng cấm có thể tăng lên khi có sự giảm số lớp cho đến giá trị độ rộng vùng cấm trực tiếp là 1,8 eV trong MoS2 đơn lớp [11]. Biến dạng cơ học ảnh hưởng đến vùng cấm của MoS2 và thay đổi nó từ vùng cấm trực tiếp sang vùng cấm gián tiếp và chuyển vật liệu từ vật liệu bán dẫn sang vật liệu kim loại.

PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP VẬT LIỆU MoS2 MoS2 là một vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng tiên tiến như xúc tác quang, cảm biến, bóng bán dẫn và tế bào quang điện trong tương lai… Để đạt được các tính năng và mục đích sử dụng vật liệu mong muốn, một số kỹ thuật tổng hợp MoS2 có khả năng kiểm soát được cấu trúc và hình thái của vật liệu đã và đang được nghiên cứu. Các phương pháp điều chế vật liệu nano MoS2 nói 9 chung là chia thành hai loại: phương pháp vật lý và phương pháp hóa học (hình 1. Các phương pháp vật lý chủ yếu bao gồm bóc tách cơ học, phún xạ, epitaxy, plasma,. Mặc dù cấu trúc mạng ban đầu của vật liệu nano MoS2 không bị phá hủy bằng các phương pháp vật lý nhưng nó đòi hỏi nguyên liệu có độ tinh khiết cao và cá thiết bị hiện đại.

Các phương pháp hóa học tổng hợp vật liệu có nhiều ưu thế như vận hành đơn giản, hiệu quả kinh tế cao có thể kể đến như phương pháp lắng đọng hơi hóa học, phương pháp thủy nhiệt, phương pháp dung nhiệt,. Các phương pháp tổng hợp vật liệu MoS2[12] 1. Phương pháp vật lý bóc tách cơ học Bóc tách cơ học là phương pháp được sử dụng trong quá trình chuẩn bị vật liệu 2D, tương tự như phương pháp được sử dụng trong graphene đơn lớp (hình 1. Các tấm nano MoS2 có thể dễ dàng được sản xuất thông qua kỹ thuật bóc tách do cấu trúc lớp của vật liệu và lực Van der Waals giữa các lớp.

Phương pháp vật lý bóc tách cơ học [13] Giống như quá trình bóc tách vi cơ học của graphene, các vảy MoS2 có thể được tạo ra trên đế SiO2/Si bằng cách sử dụng băng dính (hình 1. Vật liệu ban đầu là MoS2 được bóc ra bằng băng dính và ép vào đế. Các mảnh MoS2 được phân tách một cách cơ học trên lớp silicon phủ chất nền SiO2 dày 300 nm.