Nghiên cứu chế tạo vật liệu quang xúc tác TiO2/MoS2/Au cho phản ứng tách nước

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Phản ứng tách nước quang xúc tác

1.2. Lịch sử hình thành và phát triển

1.3. Cơ chế phản ứng tách nước quang xúc tác

1.4. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của linh kiện quang điện hóa tách hydro từ nước (PEC)

1.5. Đặc điểm và tính chất vật liệu TiO2

1.6. Cấu trúc tinh thể. Tính chất quang và quang xúc tác của TiO2

1.7. Vật liệu MoS2

1.8. Cấu trúc tinh thể

1.9. Tính chất quang

1.10. Hiện hiệu ứng cộng hưởng plasmonic bề mặt định xứ (LSPR) và khái niệm điện tử nóng của hạt nano Au

1.10.1. Hiện hiệu ứng cộng hưởng plasmonic bề mặt định xứ (LSPR)

1.10.2. Khái niệm điện tử nóng

1.11. Hệ vật liệu Au/TiO2/MoS2

1.11.1. Sự hình thành và cơ chế truyền dẫn điện tử trong một tiếp xúc kim loại – bán dẫn (Au/TiO2)

1.11.2. Cấu trúc dị thể TiO2 − MoS2

2. CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM

2.1. Quá trình thực nghiệm

2.2. Hóa chất và các thiết bị thí nghiệm

2.3. Các phương pháp chế tạo mẫu

2.3.1. Phương pháp thủy nhiệt

2.3.2. Bốc bay nhiệt

2.3.3. Phương pháp in lưới. Quy trình thực nghiệm

2.4. Chế tạo mẫu

2.4.1. Chế tạo Au trên đế FTO bằng phương pháp bốc bay chân không

2.4.2. Chế tạo màng TiO2 trên đế FTO/Au

2.4.3. Chế tạo MoS2 trên đế FTO/Au/TiO2

2.5. Các phương pháp khảo sát

2.5.1. Ghi phổ quang học

2.5.2. Phương pháp hiển vi điện tử quét

2.5.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X

2.5.4. Phép đo phổ hấp thụ

2.5.5. Phương pháp phân tích phổ Raman

2.5.6. Phép đo quang điện hóa

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Nghiên cứu chế tạo và khảo sát màng Au cấu trúc nano

3.2. Kết quả nghiên cứu chế tạo màng nanoplasmonic Au bằng kỹ thuật bốc bay kết hợp ủ nhiệt

3.3. Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày lớp màng Au đến kích thước của các hạt nano vàng

3.4. Ảnh hưởng của kích thước hạt đến hiệu ứng hấp thụ công hưởng plasmonic của hệ vật liệu nano Au

3.5. Khảo sát chế tạo màng TiO2 và TiO2/MoS2

3.6. Chế tạo màng TiO2 nano xốp

3.7. Khảo sát chế tạo màng MoS2 và TiO2/MoS2

3.8. Kết quả khảo sát tính chất quang điện hệ vật liệu Au/TiO2/MoS2

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về nghiên cứu vật liệu quang xúc tác TiO2 MoS2 Au

Nghiên cứu chế tạo vật liệu quang xúc tác TiO2/MoS2/Au đang thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Vật liệu này không chỉ có khả năng tách nước hiệu quả mà còn góp phần vào việc phát triển công nghệ năng lượng sạch. TiO2, với tính chất quang xúc tác nổi bật, kết hợp với MoS2 và Au, tạo ra một hệ vật liệu có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn và tăng cường hiệu suất tách nước.

1.1. Đặc điểm và tính chất của TiO2 trong quang xúc tác

TiO2 là một trong những vật liệu quang xúc tác phổ biến nhất nhờ vào độ bền hóa học và khả năng hấp thụ ánh sáng UV. Tuy nhiên, độ rộng vùng cấm của TiO2 (3,2 eV) hạn chế khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến. Việc cải thiện tính chất quang xúc tác của TiO2 thông qua việc kết hợp với MoS2 và Au là một hướng đi tiềm năng.

1.2. Vai trò của MoS2 và Au trong hệ vật liệu quang xúc tác

MoS2, với độ rộng vùng cấm từ 1,3 đến 1,9 eV, cho phép mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng sang vùng khả kiến. Hạt nano Au không chỉ tăng cường hiệu ứng cộng hưởng plasmon mà còn tạo ra các vị trí hoạt động cho phản ứng tách nước, từ đó nâng cao hiệu suất quang xúc tác của hệ vật liệu.

II. Thách thức trong nghiên cứu vật liệu quang xúc tác TiO2 MoS2 Au

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc phát triển vật liệu quang xúc tác TiO2/MoS2/Au vẫn gặp phải nhiều thách thức. Hiệu suất tách nước còn thấp do sự tái hợp nhanh chóng của các cặp electron-lỗ trống. Ngoài ra, độ bền của các vật liệu điện cực cũng là một vấn đề cần được giải quyết.

2.1. Vấn đề tái hợp electron lỗ trống trong TiO2

Sự tái hợp nhanh chóng của các cặp electron-lỗ trống trong TiO2 làm giảm hiệu suất quang xúc tác. Việc tìm kiếm các phương pháp để giảm thiểu hiện tượng này là rất cần thiết để nâng cao hiệu quả của quá trình tách nước.

2.2. Độ bền của vật liệu quang xúc tác

Độ bền của các vật liệu quang xúc tác, đặc biệt là trong môi trường ẩm ướt, là một thách thức lớn. Các nghiên cứu cần tập trung vào việc cải thiện độ bền hóa học và cơ học của hệ vật liệu để đảm bảo hiệu suất lâu dài.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu quang xúc tác TiO2 MoS2 Au

Để chế tạo vật liệu quang xúc tác TiO2/MoS2/Au, nhiều phương pháp khác nhau đã được áp dụng. Các phương pháp này không chỉ đảm bảo tính đồng nhất của vật liệu mà còn tối ưu hóa các tính chất quang xúc tác.

3.1. Phương pháp thủy nhiệt trong chế tạo TiO2 MoS2

Phương pháp thủy nhiệt là một trong những kỹ thuật hiệu quả để chế tạo TiO2 và MoS2. Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước và hình dạng của hạt, từ đó nâng cao tính chất quang xúc tác của vật liệu.

3.2. Kỹ thuật bốc bay chân không cho hạt nano Au

Kỹ thuật bốc bay chân không được sử dụng để chế tạo hạt nano Au trên bề mặt TiO2. Phương pháp này giúp tạo ra các hạt nano với kích thước đồng nhất, tối ưu hóa hiệu ứng cộng hưởng plasmon và tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của TiO2 MoS2 Au

Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ vật liệu TiO2/MoS2/Au có khả năng tách nước hiệu quả hơn so với các vật liệu truyền thống. Các ứng dụng thực tiễn của vật liệu này trong lĩnh vực năng lượng tái tạo đang được mở rộng.

4.1. Hiệu suất tách nước của hệ vật liệu

Hệ vật liệu TiO2/MoS2/Au đã cho thấy hiệu suất tách nước cao hơn nhờ vào sự kết hợp giữa các thành phần. Các thí nghiệm cho thấy khả năng hấp thụ ánh sáng và phân tách điện tích được cải thiện rõ rệt.

4.2. Ứng dụng trong công nghệ năng lượng sạch

Vật liệu TiO2/MoS2/Au có tiềm năng ứng dụng trong các hệ thống quang điện hóa để sản xuất hydro từ nước. Điều này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn cung cấp nguồn năng lượng sạch và bền vững.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo vật liệu quang xúc tác TiO2/MoS2/Au mở ra nhiều triển vọng cho việc phát triển công nghệ năng lượng sạch. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện hiệu suất và độ bền của vật liệu để ứng dụng rộng rãi hơn trong thực tiễn.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng hệ vật liệu TiO2/MoS2/Au có khả năng tách nước hiệu quả, mở ra hướng đi mới cho công nghệ quang xúc tác. Việc tối ưu hóa các điều kiện chế tạo và khảo sát tính chất vật liệu là cần thiết.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Hướng nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc phát triển các vật liệu quang xúc tác mới, cải thiện hiệu suất và độ bền, đồng thời mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực năng lượng tái tạo và bảo vệ môi trường.

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất vật liệu quang xúc tác TiO2/MoS2/Au ứng dụng trong phản ứng tách nước