I. Giới thiệu về graphene và TiO2 trong vật liệu composite
Graphene và TiO2 là hai vật liệu quan trọng trong nghiên cứu vật liệu composite. Graphene với cấu trúc mạng lục giác và tính chất điện tử đặc biệt, kết hợp với TiO2 có khả năng quang xúc tác mạnh, tạo ra composite có ứng dụng rộng rãi trong quang điện, xử lý môi trường và pin mặt trời. Phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc và tính chất của các vật liệu này, giúp hiểu rõ hơn về tương tác giữa chúng trong composite.
1.1. Graphene và các dẫn xuất
Graphene là vật liệu hai chiều với cấu trúc mạng lục giác, có tính chất điện tử và cơ học vượt trội. Các dẫn xuất của graphene như graphene oxide (GO) và reduced graphene oxide (RGO) được nghiên cứu để cải thiện tính chất của composite. Các nhóm chức như hydroxyl (-OH) và epoxy được thêm vào graphene để tăng khả năng tương tác với TiO2, từ đó nâng cao hiệu suất của composite.
1.2. TiO2 và cấu trúc rutile
TiO2 tồn tại ở nhiều dạng cấu trúc, trong đó rutile là dạng bền nhất. Rutile TiO2 có cấu trúc tinh thể hình chữ nhật, với tính chất quang xúc tác mạnh. Nghiên cứu cấu trúc và tính chất của rutile TiO2 bằng phương pháp DFT giúp hiểu rõ hơn về khả năng tương tác với graphene trong composite, đặc biệt là trên bề mặt (110).
II. Phương pháp phiếm hàm mật độ DFT trong nghiên cứu composite
Phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) là công cụ mạnh mẽ để nghiên cứu cấu trúc và tính chất của các vật liệu ở cấp độ nguyên tử. Trong nghiên cứu này, DFT được sử dụng để phân tích cấu trúc, tính chất điện tử và quang học của graphene, TiO2 và composite của chúng. Các phiếm hàm như LDA, GGA và hybrid functional được áp dụng để đảm bảo độ chính xác trong tính toán.
2.1. Tính toán cấu trúc và tính chất điện tử
DFT được sử dụng để tính toán cấu trúc tinh thể, mật độ trạng thái (DOS) và cấu trúc dải năng lượng của graphene và TiO2. Kết quả cho thấy sự tương tác giữa graphene và TiO2 trong composite làm thay đổi đáng kể tính chất điện tử, đặc biệt là độ rộng vùng cấm và khả năng dẫn điện.
2.2. Mô phỏng vật liệu và tính toán lượng tử
Các mô phỏng bằng DFT giúp dự đoán tính chất của composite trước khi thực hiện thí nghiệm. Các tính toán lượng tử được thực hiện trên các mô hình slab của rutile TiO2 (110) và graphene, giúp hiểu rõ hơn về tương tác giữa hai vật liệu này ở cấp độ nguyên tử.
III. Tính chất vật lý và hóa học của composite graphene TiO2
Composite graphene/TiO2 có nhiều tính chất vật lý và hóa học đặc biệt, bao gồm tính chất điện tử, quang học và cơ học. Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích các tính chất này thông qua phương pháp DFT, từ đó đưa ra các ứng dụng tiềm năng của composite trong thực tế.
3.1. Tính chất điện tử
Composite graphene/TiO2 có tính chất điện tử đặc biệt, với sự thay đổi độ rộng vùng cấm và khả năng dẫn điện. Các tính toán DFT cho thấy sự tương tác giữa graphene và TiO2 làm tăng hiệu suất quang xúc tác, đặc biệt trong các ứng dụng như pin mặt trời và xử lý nước thải.
3.2. Tính chất quang học
Composite graphene/TiO2 có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh, đặc biệt trong vùng UV-VIS. Điều này làm tăng hiệu suất quang xúc tác của composite, giúp nó trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong quang điện và xử lý môi trường.
IV. Ứng dụng của composite graphene TiO2
Composite graphene/TiO2 có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như quang điện, xử lý môi trường và pin mặt trời. Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng composite này có thể được sử dụng để phân hủy các chất hữu cơ độc hại trong nước thải, chuyển hóa năng lượng mặt trời thành hóa năng và cải thiện hiệu suất của pin mặt trời.
4.1. Ứng dụng trong quang xúc tác
Composite graphene/TiO2 được sử dụng làm chất xúc tác quang hóa để phân hủy các chất hữu cơ độc hại trong nước thải. Các tính toán DFT cho thấy sự tương tác giữa graphene và TiO2 làm tăng hiệu suất quang xúc tác, giúp cải thiện hiệu quả xử lý môi trường.
4.2. Ứng dụng trong pin mặt trời
Composite graphene/TiO2 là ứng cử viên sáng giá trong pin mặt trời chất màu nhạy quang (DSSC). Các tính toán DFT chỉ ra rằng composite này có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh và cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng, giúp tối ưu hóa hiệu suất của pin mặt trời.
