I. Giới thiệu về vật liệu xúc tác TiO2 MoS2 Au
Vật liệu xúc tác TiO2-MoS2-Au đã thu hút sự chú ý trong nghiên cứu quang xúc tác, đặc biệt là trong phản ứng tách nước. TiO2 là một trong những vật liệu quang xúc tác phổ biến nhất nhờ vào tính ổn định hóa học và khả năng hấp thụ ánh sáng UV. Tuy nhiên, TiO2 có độ rộng vùng cấm lớn (3,2 eV), dẫn đến việc chỉ hấp thụ ánh sáng trong vùng tử ngoại, chiếm khoảng 5% năng lượng mặt trời. Để cải thiện hiệu suất quang xúc tác, việc kết hợp TiO2 với các vật liệu khác như MoS2 và Au là cần thiết. MoS2 có độ rộng vùng cấm từ 1,3 đến 1,9 eV, cho phép hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy, từ đó nâng cao hiệu suất chuyển hóa năng lượng. Hơn nữa, Au với hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ (LSPR) có thể tăng cường tương tác giữa ánh sáng và vật liệu, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân tách nước.
1.1. Tính chất vật liệu TiO2
Vật liệu TiO2 có cấu trúc tinh thể đa dạng, bao gồm các dạng rutile, anatase và brookite. Mỗi dạng có những đặc điểm riêng về tính chất quang và quang xúc tác. TiO2 rutile thường có độ bền cao hơn, trong khi anatase lại có hoạt tính quang xúc tác tốt hơn. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh kích thước và hình dạng của hạt TiO2 có thể cải thiện đáng kể hiệu suất quang xúc tác. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc kết hợp TiO2 với các vật liệu khác như MoS2 và Au có thể tạo ra các cấu trúc dị thể, từ đó nâng cao khả năng phân tách electron-lỗ trống, giảm thiểu sự tái hợp và tăng cường hoạt tính quang xúc tác.
1.2. Vật liệu MoS2
Vật liệu MoS2 đã trở thành một lựa chọn hấp dẫn trong nghiên cứu quang xúc tác nhờ vào tính chất quang học và điện hóa của nó. Với cấu trúc 2D, MoS2 có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy, giúp mở rộng khả năng hoạt động của hệ vật liệu. Đặc biệt, MoS2 có thể tạo ra các liên kết dị thể với TiO2, từ đó cải thiện khả năng phân tách điện tích. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh độ dày của lớp MoS2 có thể ảnh hưởng đến hiệu suất quang xúc tác, với các lớp mỏng thường cho hiệu suất cao hơn do tăng cường bề mặt tiếp xúc.
II. Phương pháp chế tạo vật liệu
Quá trình chế tạo vật liệu TiO2-MoS2-Au bao gồm nhiều phương pháp khác nhau, trong đó phương pháp bốc bay chân không và phương pháp thủy nhiệt là hai phương pháp chính. Phương pháp bốc bay chân không cho phép tạo ra các lớp màng mỏng với độ dày chính xác, trong khi phương pháp thủy nhiệt giúp tạo ra các hạt nano với kích thước đồng đều. Việc kết hợp hai phương pháp này có thể tạo ra các cấu trúc dị thể với tính chất quang xúc tác tối ưu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh các thông số như nhiệt độ, thời gian và áp suất trong quá trình chế tạo có thể ảnh hưởng lớn đến tính chất vật liệu cuối cùng.
2.1. Phương pháp bốc bay chân không
Phương pháp bốc bay chân không là một kỹ thuật hiệu quả để chế tạo các lớp màng mỏng của TiO2 và Au. Kỹ thuật này cho phép kiểm soát chính xác độ dày và cấu trúc của lớp màng, từ đó ảnh hưởng đến tính chất quang xúc tác. Nghiên cứu cho thấy rằng việc ủ nhiệt sau khi bốc bay có thể cải thiện đáng kể tính chất quang của lớp màng, giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm thiểu sự tái hợp của electron-lỗ trống.
2.2. Phương pháp thủy nhiệt
Phương pháp thủy nhiệt là một kỹ thuật phổ biến để tổng hợp các hạt nano MoS2. Kỹ thuật này cho phép tạo ra các hạt với kích thước và hình dạng đồng đều, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Việc điều chỉnh các thông số như nhiệt độ và thời gian phản ứng có thể ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của hạt nano. Nghiên cứu cho thấy rằng các hạt nano MoS2 có thể tương tác tốt với TiO2 và Au, tạo ra các cấu trúc dị thể với hoạt tính quang xúc tác cao.
III. Kết quả khảo sát tính chất vật liệu
Kết quả khảo sát tính chất của vật liệu TiO2-MoS2-Au cho thấy rằng việc kết hợp các vật liệu này có thể tạo ra các cấu trúc quang xúc tác với hiệu suất cao trong phản ứng tách nước. Các phép đo phổ hấp thụ cho thấy rằng hệ vật liệu có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy, nhờ vào sự hiện diện của MoS2 và Au. Hơn nữa, các phép đo quang điện hóa cho thấy rằng hệ vật liệu có khả năng phân tách electron-lỗ trống hiệu quả, từ đó nâng cao hoạt tính quang xúc tác.
3.1. Phép đo phổ hấp thụ
Phép đo phổ hấp thụ cho thấy rằng hệ vật liệu TiO2-MoS2-Au có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy, với đỉnh hấp thụ rõ ràng ở khoảng 500 nm. Điều này cho thấy rằng việc kết hợp MoS2 và Au đã mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng của hệ vật liệu, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc điều chỉnh tỷ lệ giữa các thành phần có thể ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ ánh sáng của hệ vật liệu.
3.2. Phép đo quang điện hóa
Phép đo quang điện hóa cho thấy rằng hệ vật liệu TiO2-MoS2-Au có khả năng phân tách electron-lỗ trống hiệu quả, với dòng điện quang cao hơn so với các vật liệu đơn lẻ. Điều này cho thấy rằng việc kết hợp các vật liệu đã tạo ra một hệ thống quang xúc tác hiệu quả hơn, giúp nâng cao khả năng tách nước. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các thông số chế tạo có thể cải thiện đáng kể hiệu suất quang điện hóa của hệ vật liệu.
