Luận án tiến sĩ nghiên cứu tổng hợp và biến tính ms2 m sn w với g c3n4 làm chất xúc tác quang và vật liệu anode pin sạc lithium ion

Luận án tiến sĩ nghiên cứu tổng hợp và biến tính MS2 mSnW với g-C3N4 làm chất xúc tác quang và vật liệu anode cho pin sạc lithium ion.

• Tác giả: Nguyễn Thị Thanh Hằng
• Người hướng dẫn: GS. Võ Viên
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Và Biến Tính MS2 (M = Sn, W) Với g-C3N4 Làm Chất Xúc Tác Quang Và Vật Liệu Anode Cho Pin Sạc Lithium-Ion
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Quy Nhơn

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TỔNG HỢP VÀ ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU
• 2.1. Tổng hợp và đặc trưng vật liệu
• 2.1.1. Tổng hợp vật liệu composite MS2/g-C3N4 (M = Sn, W)
• 2.1.2. Tổng hợp vật liệu MS2 (M = Sn, W)
• 2.1.3. Đặc trưng vật liệu
• 2.2. Đánh giá hoạt tính quang xúc tác
• 2.3. Đặc trưng điện hóa
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu
• 3.2. Phương pháp đặc trưng vật liệu
• 3.3. Phương pháp đánh giá hoạt tính quang xúc tác
• 3.4. Phương pháp đánh giá tính chất điện hóa
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Đặc trưng vật liệu
• 4.2. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác
• 4.3. Khảo sát đặc tính điện hóa
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BÁ
• LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH VẼ

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp và biến tính MS2 (M = Sn, W) với g-C3N4 nhằm phát triển chất xúc tác quang và vật liệu anode cho pin sạc lithium ion. MS2 và g-C3N4 được biết đến với các đặc tính quang học và điện hóa nổi bật, nhưng hiệu suất quang xúc tác của chúng thường bị suy giảm do tái tái hợp nhanh chóng của cặp electron - lỗ trống. Do đó, việc biến tính và kết hợp hai loại vật liệu này có thể tạo ra những cải tiến đáng kể trong hiệu suất quang xúc tác và khả năng lưu trữ năng lượng của pin. Mục tiêu chính của nghiên cứu là đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu composite MS2/g-C3N4 trong hai lĩnh vực: xử lý ô nhiễm môi trường và cải thiện hiệu suất của pin lithium ion.

II. Tính chất và đặc điểm của vật liệu

Vật liệu composite MS2/g-C3N4 được tổng hợp thông qua phương pháp nung trực tiếp ở nhiệt độ cao. Các phương pháp phân tích như XRD, SEM, TEM, và XPS được sử dụng để xác định cấu trúc, hình thái và tính chất bề mặt của vật liệu. Kết quả cho thấy rằng việc kết hợp MS2 với g-C3N4 không chỉ cải thiện tính chất quang học mà còn tăng cường khả năng dẫn điện của vật liệu. Đặc biệt, composite này thể hiện khả năng hấp thụ ánh sáng tốt hơn so với từng thành phần riêng lẻ, nhờ vào sự tương tác giữa các pha. Điều này mở ra khả năng ứng dụng trong các hệ thống xử lý ô nhiễm và pin năng lượng tái tạo.

III. Đánh giá hoạt tính quang xúc tác

Hoạt tính quang xúc tác của vật liệu composite MS2/g-C3N4 được đánh giá thông qua phản ứng phân hủy Rhodamine B (RhB) trong dung dịch nước. Kết quả cho thấy composite này có khả năng phân hủy RhB hiệu quả hơn so với các vật liệu đơn lẻ. Sự cải thiện này có thể được giải thích bởi khả năng phân tách điện tích tốt hơn, nhờ vào cấu trúc composite giúp tăng cường sự di chuyển của electron. Các thí nghiệm cho thấy rằng composite MS2/g-C3N4 có thể hoạt động hiệu quả dưới ánh sáng mặt trời, mở ra triển vọng cho việc ứng dụng trong xử lý nước thải và các công nghệ xanh khác.

IV. Đặc tính điện hóa và ứng dụng trong pin lithium ion

Vật liệu composite MS2/g-C3N4 cũng được nghiên cứu như một vật liệu anode cho pin sạc lithium ion. Các thí nghiệm cho thấy rằng composite này có dung lượng lưu trữ ion lithium cao và ổn định hơn so với các vật liệu anode truyền thống như graphite. Việc sử dụng MS2 trong cấu trúc composite giúp cải thiện khả năng lưu trữ năng lượng và giảm thiểu hiện tượng giãn nở thể tích trong quá trình sạc/xả. Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất của pin mà còn kéo dài tuổi thọ của chúng, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về năng lượng bền vững.

V. Kết luận và triển vọng

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng việc tổng hợp và biến tính MS2 (M = Sn, W) với g-C3N4 tạo ra một vật liệu composite có tiềm năng lớn trong cả lĩnh vực xử lý ô nhiễm và ứng dụng trong pin sạc lithium ion. Các kết quả cho thấy rằng composite này không chỉ cải thiện hiệu suất quang xúc tác mà còn nâng cao khả năng lưu trữ năng lượng. Tương lai, việc nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hoạt động và tối ưu hóa quy trình tổng hợp sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho việc phát triển các vật liệu bền vững và hiệu quả hơn trong công nghệ năng lượng và môi trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh xã hội hiện đại, ô nhiễm môi trường và nhu cầu năng lượng bền vững đang là những thách thức lớn đối với sự phát triển kinh tế - xã hội. Theo ước tính, ô nhiễm nguồn nước do các hợp chất hữu cơ khó phân hủy như phẩm nhuộm Rhodamine B (RhB) gây ra ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái. Đồng thời, nhu cầu về các nguồn năng lượng sạch, đặc biệt là pin sạc lithium-ion (LIBs), ngày càng tăng cao nhằm đáp ứng cho các thiết bị điện tử và phương tiện giao thông hiện đại. Tuy nhiên, các loại vật liệu anode truyền thống như graphite vẫn còn hạn chế về dung lượng lưu trữ và tuổi thọ chu kỳ.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp và biến tính vật liệu disulfide kim loại chuyển tiếp MS2 (M = Sn, W) kết hợp với graphitic carbon nitride (g-C3N4) nhằm phát triển vật liệu composite đa năng, vừa làm chất xúc tác quang hiệu quả trong xử lý ô nhiễm hữu cơ, vừa ứng dụng làm vật liệu anode cho pin lithium-ion có dung lượng cao và độ bền tốt. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Quy Nhơn, với các thí nghiệm tổng hợp, đặc trưng vật liệu và đánh giá hoạt tính quang xúc tác cũng như điện hóa.

Mục tiêu chính của luận văn là tối ưu hóa tỷ lệ pha thành phần MS2 và g-C3N4 để nâng cao hiệu suất phân tách điện tích quang sinh, giảm tái tổ hợp electron - lỗ trống, đồng thời cải thiện khả năng lưu trữ lithium và ổn định thể tích trong quá trình sạc/xả pin. Kết quả nghiên cứu góp phần làm phong phú thêm kho tàng vật liệu bán dẫn lớp hai chiều, mở ra hướng phát triển vật liệu đa chức năng ứng dụng trong môi trường và năng lượng tái tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Lý thuyết vùng năng lượng bán dẫn: Mô tả cấu trúc vùng hóa trị (VB) và vùng dẫn (CB) của vật liệu bán dẫn, với năng lượng vùng cấm (Eg) quyết định khả năng hấp thụ ánh sáng và tạo ra cặp electron - lỗ trống quang sinh.
• Cơ chế xúc tác quang: Bao gồm quá trình kích thích electron từ VB lên CB khi hấp thụ photon đủ năng lượng, sự phân tách và di chuyển điện tích đến bề mặt vật liệu, và các phản ứng oxy hóa - khử trên bề mặt để phân hủy các chất ô nhiễm.
• Mô hình S-scheme: Giải thích cơ chế chuyển điện tích hiệu quả trong các composite bán dẫn, giúp giảm thiểu tái tổ hợp điện tích và tăng hiệu suất xúc tác quang.
• Cơ chế lưu trữ lithium trong anode: Gồm các cơ chế đan cài lithium, tạo hợp kim và phản ứng chuyển đổi, ảnh hưởng đến dung lượng lưu trữ và độ bền chu kỳ của pin lithium-ion.
• Mô hình Langmuir-Hinshelwood: Áp dụng trong đánh giá động học phân hủy RhB trên bề mặt xúc tác quang.

Các khái niệm chính bao gồm: vật liệu disulfide kim loại chuyển tiếp (TMDs), graphitic carbon nitride (g-C3N4), phản ứng xúc tác quang, pin lithium-ion (LIBs), anode, dung lượng lưu trữ lithium, hiệu suất Coulombic, và tái tổ hợp điện tích.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Vật liệu MS2 (SnS2, WS2) và g-C3N4 được tổng hợp trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp nung trực tiếp pha rắn. Composite MS2/g-C3N4 được tổng hợp theo quy trình một bước, điều chỉnh tỷ lệ pha thành phần khác nhau.
• Phương pháp đặc trưng vật liệu: Sử dụng các kỹ thuật hóa lý hiện đại như nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể, phổ hồng ngoại (IR) và Raman để khảo sát liên kết hóa học, phổ quang UV-vis DRS để xác định năng lượng vùng cấm, quang phát quang (PL) để đánh giá tái tổ hợp điện tích, phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) để đánh giá tính bền nhiệt, và các kỹ thuật hiển vi điện tử (SEM, TEM) để quan sát hình thái và kích thước hạt.
• Đánh giá hoạt tính quang xúc tác: Thí nghiệm phân hủy Rhodamine B dưới ánh sáng khả kiến, đo nồng độ RhB theo thời gian bằng phổ UV-vis, xây dựng đường chuẩn và tính toán hằng số tốc độ phản ứng theo mô hình Langmuir-Hinshelwood.
• Đánh giá đặc tính điện hóa: Lắp ráp pin cúc áo (coin cell) với vật liệu composite làm anode, thực hiện đo quét thế vòng tuần hoàn (CV), đo phóng nạp dòng tĩnh (galvanostatic charge-discharge), và phân tích điện trở nội (EIS) để đánh giá dung lượng lưu trữ lithium, hiệu suất Coulombic và độ bền chu kỳ.
• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và đặc trưng vật liệu trong 6 tháng đầu, đánh giá hoạt tính quang xúc tác và điện hóa trong 6 tháng tiếp theo, phân tích dữ liệu và hoàn thiện luận văn trong 3 tháng cuối.

Cỡ mẫu vật liệu tổng hợp khoảng vài gram mỗi mẫu, lựa chọn phương pháp phân tích dựa trên tính chất vật liệu và mục tiêu nghiên cứu nhằm đảm bảo độ chính xác và tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tổng hợp thành công vật liệu composite MS2/g-C3N4:

   • Các mẫu composite với tỷ lệ g-C3N4 cao thể hiện cấu trúc tinh thể rõ ràng, kích thước hạt nano phân bố đồng đều (khoảng 10-30 nm).
   • Phân tích XRD và XPS xác nhận sự tồn tại đồng thời của các pha SnS2 hoặc WS2 cùng với g-C3N4, không phát hiện pha tạp.

2. Hoạt tính quang xúc tác phân hủy RhB:

   • Composite SnS2/g-C3N4 với tỷ lệ g-C3N4 cao đạt hiệu suất phân hủy RhB lên đến 95% sau 180 phút chiếu sáng khả kiến, cao hơn 2,5 lần so với SnS2 tinh khiết và 1,8 lần so với g-C3N4 đơn thuần.
   • Hằng số tốc độ phản ứng k (theo mô hình Langmuir-Hinshelwood) của composite đạt khoảng 0,015 phút⁻¹, so với 0,006 phút⁻¹ của SnS2 và 0,008 phút⁻¹ của g-C3N4.

3. Đặc tính điện hóa và lưu trữ lithium:

   • Composite MS2/g-C3N4 với tỷ lệ g-C3N4 thấp hơn cho dung lượng lưu trữ cao hơn, đạt 1200 mAh g⁻¹ sau 200 chu kỳ ở dòng điện 0,1 C, vượt trội so với anode graphite truyền thống (372 mAh g⁻¹).
   • Hiệu suất Coulombic duy trì trên 98% sau 600 chu kỳ, cho thấy độ bền và ổn định cao.
   • Phân tích EIS cho thấy điện trở tiếp xúc giảm 30% so với MS2 đơn thuần, nhờ sự hỗ trợ dẫn điện của g-C3N4.

4. Cơ chế chuyển điện tích và ổn định thể tích:

   • Phổ PL giảm cường độ phát quang của composite so với các vật liệu đơn lẻ, chứng tỏ sự giảm tái tổ hợp electron - lỗ trống.
   • Hình ảnh SEM sau chu kỳ sạc/xả cho thấy composite duy trì cấu trúc bề mặt ổn định, hạn chế nứt vỡ do giãn nở thể tích, nhờ vai trò của khung g-C3N4 như lớp đệm cơ học.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc tổng hợp composite MS2/g-C3N4 theo tỷ lệ pha hợp lý đã tạo ra vật liệu đa chức năng với hiệu suất quang xúc tác và lưu trữ lithium vượt trội. Sự kết hợp giữa MS2 có năng lượng vùng cấm hẹp và g-C3N4 có cấu trúc lớp hai chiều giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và phân tách điện tích. Mô hình S-scheme được áp dụng để giải thích cơ chế chuyển điện tích hiệu quả, giảm thiểu tái tổ hợp, từ đó nâng cao hiệu suất phân hủy RhB.

So với các nghiên cứu trước đây, composite này có ưu điểm về quy trình tổng hợp đơn giản, chi phí thấp và khả năng điều chỉnh tỷ lệ pha linh hoạt để tối ưu hóa ứng dụng. Về điện hóa, việc sử dụng g-C3N4 làm khung đệm giúp giảm thiểu sự giãn nở thể tích của MS2 trong quá trình chèn/giải phóng lithium, từ đó cải thiện độ bền chu kỳ và hiệu suất Coulombic. Các kết quả này được minh họa rõ qua biểu đồ dung lượng lưu trữ theo chu kỳ, phổ PL và ảnh SEM trước và sau chu kỳ.

Như vậy, nghiên cứu không chỉ góp phần phát triển vật liệu composite mới cho ứng dụng môi trường và năng lượng mà còn mở ra hướng đi cho việc thiết kế vật liệu đa chức năng với hiệu suất cao và độ bền lâu dài.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa tỷ lệ pha MS2/g-C3N4:

   • Thực hiện các thí nghiệm điều chỉnh tỷ lệ g-C3N4 trong composite để cân bằng giữa hiệu suất quang xúc tác và dung lượng lưu trữ lithium.
   • Mục tiêu đạt hiệu suất phân hủy RhB trên 95% trong 3 giờ và dung lượng lưu trữ trên 1000 mAh g⁻¹ sau 300 chu kỳ.
   • Thời gian thực hiện: 6 tháng. Chủ thể: nhóm nghiên cứu vật liệu tại trường đại học.

2. Phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn:

   • Nghiên cứu và áp dụng các phương pháp tổng hợp thân thiện môi trường, tiết kiệm năng lượng như tổng hợp bằng vi sóng hoặc phương pháp hóa học xanh.
   • Mục tiêu giảm chi phí sản xuất và tăng tính khả thi ứng dụng công nghiệp.
   • Thời gian: 12 tháng. Chủ thể: phòng thí nghiệm công nghệ vật liệu.

3. Nghiên cứu ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải:

   • Thiết kế hệ thống xúc tác quang dựa trên composite MS2/g-C3N4 để xử lý nước thải chứa RhB và các hợp chất hữu cơ khác.
   • Mục tiêu đạt hiệu quả xử lý trên 90% trong điều kiện ánh sáng tự nhiên.
   • Thời gian: 9 tháng. Chủ thể: trung tâm nghiên cứu môi trường.

4. Phát triển pin lithium-ion với anode composite:

   • Thiết kế và thử nghiệm pin lithium-ion sử dụng vật liệu composite làm anode, đánh giá hiệu suất, tuổi thọ và an toàn pin.
   • Mục tiêu nâng dung lượng lưu trữ trên 1200 mAh g⁻¹ và duy trì hiệu suất trên 95% sau 500 chu kỳ.
   • Thời gian: 12 tháng. Chủ thể: phòng thí nghiệm công nghệ pin.

5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ:

   • Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật tổng hợp và ứng dụng vật liệu composite cho các doanh nghiệp và viện nghiên cứu.
   • Mục tiêu thúc đẩy ứng dụng rộng rãi và phát triển sản phẩm thương mại.
   • Thời gian: liên tục. Chủ thể: trường đại học và các đối tác công nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa lý, Vật liệu:

   • Lợi ích: Hiểu sâu về tổng hợp, biến tính và ứng dụng vật liệu bán dẫn lớp hai chiều trong xúc tác quang và pin lithium-ion.
   • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu mới, ứng dụng kỹ thuật phân tích hiện đại.

2. Doanh nghiệp sản xuất pin và vật liệu năng lượng:

   • Lợi ích: Tiếp cận công nghệ vật liệu anode tiên tiến, nâng cao hiệu suất và tuổi thọ pin.
   • Use case: Ứng dụng trong sản xuất pin lithium-ion cho xe điện và thiết bị di động.

3. Trung tâm xử lý môi trường và công nghệ xanh:

   • Lợi ích: Áp dụng vật liệu xúc tác quang hiệu quả trong xử lý ô nhiễm nước thải hữu cơ.
   • Use case: Thiết kế hệ thống xử lý nước thải công nghiệp sử dụng năng lượng mặt trời.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng, môi trường:

   • Lợi ích: Cơ sở khoa học để xây dựng chính sách phát triển công nghệ năng lượng sạch và xử lý ô nhiễm.
   • Use case: Định hướng đầu tư nghiên cứu và phát triển công nghệ xanh.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu MS2/g-C3N4 có ưu điểm gì so với vật liệu đơn lẻ?
   Composite MS2/g-C3N4 kết hợp ưu điểm của MS2 về năng lượng vùng cấm hẹp và g-C3N4 về cấu trúc lớp hai chiều, giúp tăng diện tích bề mặt, cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng và phân tách điện tích, từ đó nâng cao hiệu suất xúc tác quang và dung lượng lưu trữ lithium.

2. Phương pháp tổng hợp vật liệu composite được thực hiện như thế nào?
   Vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp nung trực tiếp pha rắn một bước, trộn hỗn hợp tiền chất MS2 và g-C3N4 với tỷ lệ khác nhau, sau đó nung ở nhiệt độ khoảng 500-650 °C trong khí N2 để tạo composite đồng nhất.

3. Hiệu suất phân hủy RhB của composite đạt được bao nhiêu?
   Composite SnS2/g-C3N4 với tỷ lệ g-C3N4 cao có thể phân hủy đến 95% RhB trong vòng 180 phút dưới ánh sáng khả kiến, cao hơn nhiều so với vật liệu đơn lẻ.

4. Dung lượng lưu trữ lithium của composite so với graphite như thế nào?
   Composite MS2/g-C3N4 đạt dung lượng lưu trữ khoảng 1200 mAh g⁻¹ sau 200 chu kỳ, gấp hơn 3 lần so với graphite truyền thống (372 mAh g⁻¹), đồng thời duy trì hiệu suất Coulombic trên 98%.

5. Composite có thể ứng dụng trong công nghiệp không?
   Với quy trình tổng hợp đơn giản, chi phí thấp và hiệu suất cao, composite MS2/g-C3N4 có tiềm năng ứng dụng trong xử lý môi trường và sản xuất pin lithium-ion quy mô công nghiệp, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm về quy mô tổng hợp và độ ổn định lâu dài.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công vật liệu composite MS2/g-C3N4 (M = Sn, W) với cấu trúc nano đồng nhất, có khả năng điều chỉnh tỷ lệ pha để tối ưu hóa tính năng.
• Composite thể hiện hiệu suất quang xúc tác phân hủy RhB vượt trội, đạt đến 95% trong 180 phút chiếu sáng khả kiến.
• Vật liệu composite làm anode cho pin lithium-ion có dung lượng lưu trữ cao (khoảng 1200 mAh g⁻¹) và độ bền chu kỳ tốt, vượt trội so với graphite truyền thống.
• Cơ chế chuyển điện tích theo mô hình S-scheme giúp giảm tái tổ hợp electron - lỗ trống, nâng cao hiệu suất quang xúc tác và điện hóa.
• Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm tối ưu hóa tỷ lệ pha, phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn, ứng dụng thực tế trong xử lý nước thải và pin lithium-ion.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp tiếp tục phát triển và ứng dụng vật liệu composite MS2/g-C3N4 nhằm góp phần giải quyết các vấn đề môi trường và năng lượng bền vững trong tương lai gần.

Trích đoạn nội dung tài liệu

B÷ GICO DwC VC ĐCO TcO TR¯£NG ĐcI HoC QUY NH¡N NGUYàN THÞ THANH H¯¡NG NGHIÊN CĀU TâNG HþP VÀ BI¾N TÍNH MS2 (M = Sn, W) VàI g-C3N4 LÀM CHÂT XÚC TÁC QUANG VÀ V¾T LIâU ANODE PIN ScC LITHIUM-ION Ngành: Hóa lý thuy¿t và Hóa lý Mã ngành: 9440119 PhÁn biãn 1: GS. D¯¡NG TUÂN QUANG PhÁn biãn 2: PGS. NGUYàN THÞ VIâT NGA PhÁn biãn 3: PGS. Hà Sþ THÀNG H°£ng dãn khoa hßc: 1.

NGUYàN PHI HÙNG BÌNH ĐÞNH – NM 2024 L£I CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cāu cÿa riêng tôi d°ới sā h°ớng d¿n cÿa GS. Võ Vißn và PGS. Nguyßn Phi Hùng. Các kÁt quÁ và sá liáu đ°ÿc trình bày trong luÁn án hoàn toàn trung thāc.

Viác tham khÁo và trích d¿n các ngußn tài liáu đúng quy đánh. Tác giÁ luÁn án Nguyán Thß Thanh H°¢ng L£I CÀM ¡N Tôi xin bày tß lòng biÁt ¢n chân thành và sâu sắc đÁn GS. Võ Vián và PGS. Nguyán Phi Hùng đã tÁn tình h°ớng d¿n, hß trÿ và đßng viên tôi trong suát thßi gian thāc hián luÁn án.

Tôi xin trân trọng gửi lßi cÁm ¢n đÁn Quý thÁy cô khoa Khoa học Tā nhiên, tr°ßng Đ¿i học Quy Nh¢n đã t¿o nhÿng điều kián thuÁn lÿi nh¿t để tôi hoàn thành ch°¢ng trình học tÁp và các kÁ ho¿ch nghiên cāu. Tôi xin trân trọng cÁm ¢n Quý thÁy cô á Trung tâm thí nghiám thāc hành A6, Tr°ßng Đ¿i học Quy Nh¢n đã nhiát tình giúp đỡ, t¿o mọi điều kián thuÁn lÿi về c¢ sá vÁt ch¿t cho tôi thāc hián phÁn thāc nghiám cÿa đề tài. Tôi xin chân thành cÁm ¢n Sá GD&ĐT Kon Tum; Ban giám hiáu, Tá Hóa 3 Tr°ßng THPT chuyên Nguyßn T¿t Thành - Kon Tum đã luôn ÿng hß tinh thÁn, t¿o điều kián về thßi gian, trang thiÁt bá thí nghiám và giúp đỡ tôi trong công tác để tôi hoàn thành luÁn án. Tôi xin gửi lßi cÁm ¢n đÁn Quý thÁy cô giáo, anh chá em, các b¿n học viên trong nhóm nghiên cāu đã luôn đßng viên và hß trÿ tôi.

Đặc biát, tôi xin gửi lßi cÁm ¢n sâu sắc đÁn TS. TrÁn Thá Thu Ph°¢ng và NCS. TrÁn Hÿu Hà đã luôn chia sẻ kinh nghiám, đóng góp ý kiÁn và giúp đỡ tôi trong quá trình thāc hián và hoàn thành luÁn án. Xin cÁm ¢n Bß Khoa học và Công nghá Viát Nam đã hß trÿ kinh phí thông qua nhiám vÿ Nghá đánh th° Viát Nam - Hàn Quác mang mã sá NĐT.KR/19 và Quỹ Đái mới sáng t¿o Vingroup (VINIF) đã tài trÿ học báng đào t¿o tiÁn sĩ trong n°ớc mã sá VINIF.TS052 để tôi có điều kián tát nh¿t thāc hián nghiên cāu khoa học và hoàn thành luÁn án.

Cuái cùng, tôi xin cÁm ¢n gia đình, b¿n bè, các đßng nghiáp đã đßng viên giúp đỡ tôi trong suát thßi gian nghiên cāu. MĀC LĀC L£I CAM ĐOAN L£I CÀM ¡N DANH MĀC CÁC TĂ VI¾T TÀT DANH MĀC BÀNG DANH MĀC HÌNH VẼ Mà ĐÀU. Lý do chọn đề tài. Mÿc tiêu nghiên cāu.

Đái t°ÿng và ph¿m vi nghiên cāu. Táng hÿp và đặc tr°ng vÁt liáu. Đánh giá ho¿t tính quang xúc tác. Đặc tr°ng đián hóa.

Ph°¢ng pháp nghiên cāu. Ý nghĩa khoa học và thāc tißn. PhÁn āng xúc tác quang. Giới thiáu chung về phÁn āng xúc tác quang.

C¢ chÁ phÁn āng xúc tác quang. Giới thiáu về Rhodamine B. Táng quan về ngußn đián hóa học. Phân lo¿i ngußn đián hóa học.

Pin nhiên liáu. Pin s¿c lithium-ion (LIBs). C¿u t¿o và nguyên tắc ho¿t đßng cÿa LIBs. Nguyên tắc ho¿t đßng.

VÁt liáu disulfide kim lo¿i chuyển tiÁp MS2 (M = Sn, W). VÁt liáu tin disulfide (SnS2). VÁt liáu tungsten disulfide (WS2). Āng dÿng vÁt liáu trên c¢ sá MS2 (M = Sn, W).

Āng dÿng làm vÁt liáu xúc tác quang. Āng dÿng làm vÁt liáu anode LIBs. VÁt liáu graphitic carbon nitride (g-C3N4). C¿u trúc tinh thể.

Ph°¢ng pháp táng hÿp. Āng dÿng vÁt liáu g-C3N4. Āng dÿng làm vÁt liáu xúc tác quang. Āng dÿng làm vÁt liáu nền cho đián cāc anode LIBs.

VÁt liáu composite MS2/g-C3N4 (M = Sn, W). Táng hÿp vÁt liáu. Dÿng cÿ, thiÁt bá. Táng hÿp vÁt liáu.

Táng hÿp vÁt liáu g-C3N4. Táng hÿp vÁt liáu composite SnS2/g-C3N4 và SnS2. Táng hÿp vÁt liáu composite WS2/g-C3N4 và WS2. Các ph°¢ng pháp đặc tr°ng vÁt liáu.

Ph°¢ng pháp nhißu x¿ tia X (XRD). Ph°¢ng pháp phá hßng ngo¿i (IR). Ph°¢ng pháp phân tích nhiát trọng l°ÿng (TGA). Ph°¢ng pháp phá Raman.

Ph°¢ng pháp hiển vi đián tử quét (SEM). Ph°¢ng pháp hiển vi đián tử truyền qua (TEM). Ph°¢ng pháp đẳng nhiát h¿p phÿ và giÁi h¿p phÿ N2 á 77 K. Ph°¢ng pháp phá quang đián tử tia X (XPS).

Ph°¢ng pháp phá phÁn x¿ khuÁch tán tử ngo¿i - khÁ kiÁn (UV-vis DRS). Ph°¢ng pháp phá quang phát quang (PL). KhÁo sát ho¿t tính quang xúc tác. Phân tích đánh l°ÿng RhB.

Xây dāng đ°ßng chuẩn xác đánh nßng đß RhB. KhÁo sát ho¿t tính quang xúc tác cÿa vÁt liáu. KhÁo sát c¢ chÁ phÁn āng xúc tác quang. Đặc tr°ng đián hóa.

Quy trình lắp ráp pin cúc áo. Phép đo phóng n¿p dòng tĩnh (Galvanostatic charge 3 discharge). Phép đo quét thÁ vòng tuÁn hoàn (CV). Phép đo táng trá đián hoá (EIS).

KÀT QUÀ VÀ THÀO LUÀN. Đặc tr°ng vÁt liáu. VÁt liáu composite SnS2/g-C3N4. VÁt liáu composite WS2/g-C3N4.

KhÁo sát ho¿t tính quang xúc tác. VÁt liáu composite SnS2/g-C3N4. VÁt liáu composite WS2/g-C3N4. KhÁo sát đặc tính đián hóa.

VÁt liáu composite SnS2/g-C3N4. VÁt liáu composite WS2/g-C3N4. 112 DANH MwC CCC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG Bà. 113 LIÊN QUAN ĐÀN LUÀN ÁN.

113 DANH MwC TÀI LIàU THAM KHÀO. 114 DANH MĀC CÁC TĂ VI¾T TÀT Ký hiãu/ Chú thích ti¿ng Anh Chú thích ti¿ng Viãt Tă vi¿t tÁt CB Conduction band Vùng d¿n CE Coulombic efficiency Hiáu su¿t Coulomb CV Cyclic voltammetry Phép đo quét thÁ vòng tuÁn hoàn CVD Chemical vapor decomposition Lắng đọng h¢i hóa học Eg Band gap energy Năng l°ÿng vùng c¿m EIS Electrochemical impedance Phá táng trá đián hóa spectroscopy HR-TEM High-resolution transmission Hiển vi đián tử truyền qua electron microscopy đß phân giÁi cao IEF Internal electric field Nßi đián tr°ßng IR Infrared radiation Hßng ngo¿i LIBs Lithium-ion batteries Pin s¿c lithium-ion OCV Open circuit voltage ThÁ m¿ch há PL Photoluminescence Phá quang phát quang RhB Rhodamine B Rhodamine B SAED Selected area electron diffraction Nhißu x¿ electron vùng chọn lọc SEI Solid electrolyte interface Lớp đián giÁi rắn SEM Scanning electron microscopy Hiển vi đián tử quét TEM Transmission electron microscopy Hiển vi đián tử truyền qua TGA Thermogravimetric analysis Phân tích nhiát trọng l°ÿng TMDs Transition metal dichalcogenides Dichalcogenide kim lo¿i chuyển tiÁp UV-vis Ultraviolet 3 visible Tử ngo¿i 3 khÁ kiÁn UV-vis DRS UV-visible diffuse reflectance Phá phÁn x¿ khuÁch tán tử spectroscopy ngo¿i khÁ kiÁn VB Valance band Vùng hóa trá XPS X-ray photoelectron spectroscopy Phá quang đián tử tia X XRD X-ray diffraction Nhißu x¿ tia X DANH MĀC BÀNG BÁng 2. Danh mÿc hóa ch¿t. Sā phÿ thußc cÿa mÁt đß quang vào nßng đß RhB (mg/L).

Dián tích bề mặt riêng và kích th°ớc lß xáp trung bình cÿa các m¿u vÁt liáu tư뀀 phân tích BET và BJH. Hằng sá tác đß theo mô hình Langmuir 3 Hinshelwood. Năng l°ÿng vùng c¿m (Eg, eV) cÿa các m¿u CN, SNS và SCNx (x = 7, 25, 30 và 35). Vá trí biên thÁ CB và VB cÿa g-C3N4 and SnS2.

Hằng sá tác đß theo mô hình Langmuir 3 Hinshelwood. Năng l°ÿng vùng c¿m (Eg, eV) cÿa các m¿u vÁt liáu CN, WS và WCNy (y = 3, 5, 10, 25, 30 và 35). Tóm tắt đặc tr°ng s¿c/xÁ. Thông sá đián hóa cÿa các đián cāc dāa trên phá EIS.

Thông sá đián hóa cÿa các đián cāc dāa trên phá EIS. 106 DANH MĀC HÌNH VẼ Hình 1. C¿u trúc năng l°ÿng đián tử cÿa vÁt liáu. C¢ chÁ xúc tác quang cÿa ch¿t bán d¿n.

(a) Công thāc c¿u t¿o và (b) C¿u trúc không gian ba chiều cÿa phân tử RhB. C¿u hình cÿa mßt sá lo¿i LIBs: (a) d¿ng trÿ, (b) d¿ng lăng trÿ, (c) d¿ng cúc áo và (d) d¿ng túi. S¢ đß ho¿t đßng cÿa LIBs điển hình. Các c¢ chÁ l°u trÿ thuÁn nghách lithium á anode.

(a) C¿u trúc tinh thể cÿa graphite. (b) Đián thÁ và dung l°ÿng riêng cÿa mßt sá vÁt liáu anode. Ành h°áng cÿa sā giãn ná thể tích đái với anode dāa trên Si. S¢ đß quá trình táng hÿp c¿u trúc nano Sn 3D kiểu san hô.

S¢ đß táng hÿp và c¢ chÁ đan cài lithium cÿa composite Sn/g-C3N4. (a) C¿u trúc cÿa đ¢n lớp SnS2. (b) Ô c¢ sá và (c) c¿u trúc không gian ba chiều cÿa SnS2. C¿u trúc đ¢n lớp cÿa WS2.

C¿u trúc Eg và c¢ chÁ phân tách cặp electron - lß tráng quang sinh cÿa vÁt liáu TiO2/WS2. C¢ chÁ vÁn chuyển đián tích s¢ đß S cÿa vÁt liáu composite ba c¿u tử g- C3N4/WO3/WS2. (a) Đ°ßng cong CV 10 chu kỳ đÁu cÿa SnS2/RGO-12. (b) Dung l°ÿng s¿c/xÁ chu kỳ đÁu tiên và (c) dung l°ÿng trao đái ion lithium cÿa các vÁt liáu SnS2/RGO- 12/24/48.

Ành SEM cÿa WS2/carbon. C¿u trúc cÿa g-C3N4: (a) C¿u trúc vòng s-triazine và (b) c¿u trúc vòng tri-s- triazine. Kiểu xÁp chßng ABAB cÿa g-C3N4. S¢ đß táng hÿp g-C3N4 tư뀀 cyanamide.

(a1) Ành TEM cÿa g-C3N4. Ành (a2, a3) TEM và (a4) HR-TEM cÿa Ag2O/g- C3N4. (b) C¢ chÁ xúc tác quang đái với vÁt liáu Ag2O/g-C3N4. (a) S¢ đß táng hÿp và (b) c¢ chÁ chuyển đián tích theo s¢ đß S cÿa composite BiOBr/g-C3N4.

C¢ chÁ phÁn āng xúc tác quang cÿa composite SnS2/g-C3N4. (a) Ành SEM, (b) dung l°ÿng s¿c/xÁ bán chu kỳ đÁu á 0,1C và (c) dung l°ÿng trao đái ion Li+ cÿa composite g-C3N4@WS2. Phá UV-vis cÿa dung dách RhB. Đ°ßng chuẩn đánh l°ÿng RhB.

Quy trình lắp pin cúc áo. Đ°ßng cong thÁ phÿ thußc thßi gian á các mÁt đß dòng khác nhau. Mô hình đ°ßng cong CV cÿa mßt phÁn āng thuÁn nghách đ¢n giÁn với sā thay đái thÁ theo thßi gian đ°ÿc thể hián trong hình đính kèm. (d) Phá Raman cÿa SNS và SCN3.

Ành SEM và HR-TEM cÿa (a, d) SCN1, (b, e) SCN3 và (c, f) SNS. Phá XPS (c) S2p và (d) Sn3d cÿa SNS, SCN3 và SCN30. Sā lai hóa cÿa các nguyên tử N và c¿u trúc liên hÿp π cÿa đ¢n vá tri-s-triazine 72 Hình 3. Ành SEM cÿa (a) WCN5, (b) WS và (c) com-WS.

Ành HR-TEM cÿa (d, e và f) WCN5, (g) WS. Phá XPS (a) C1s và (b) N1s cÿa CN, WCN5. Phá XPS (c) S2p, (d) W4d và (e) W4f cÿa vÁt liáu WCN5 .