Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát tính chất quang điện hóa tách nước của vật liệu CdSe/ZnO/TiO2

Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát tính chất quang điện hóa của vật liệu CdSe, ZnO, TiO2 trong tách nước, mở ra hướng đi mới cho năng lượng tái tạo.

Trường đại học

Trường Đại Học Quy Nhơn

Chuyên ngành

Vật lý chất rắn

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

luận văn

2022

85
2
0

Phí lưu trữ

30 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU

0.1. Lý do chọn đề tài

0.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu

0.3. Mục đích của đề tài

0.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

0.5. Phương pháp nghiên cứu

0.6. Cấu trúc luận văn

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. CÔNG NGHỆ QUANG ĐIỆN HOÁ TÁCH NƯỚC

1.1.1. Cấu tạo của hệ quang điện hóa tách nước

1.1.2. Cơ chế quang điện hóa tách nước của vật liệu bán dẫn

1.2. Các tham số đánh giá phẩm chất vật liệu làm điện cực quang

1.3. Mật độ dòng quang

1.4. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO TiO2

1.4.1. Cấu trúc tinh thể của TiO2

1.4.2. Một số tính chất của vật liệu TiO2

1.4.3. Ứng dụng của vật liệu nano TiO2

1.5. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ZnO

1.5.1. Cấu trúc tinh thể của vật liệu ZnO

1.5.2. Cấu trúc vùng năng lượng

1.5.3. Tính chất của vật liệu ZnO

1.5.4. Ứng dụng của vật liệu ZnO

1.6. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CdSe

1.6.1. Cấu trúc tinh thể của vật liệu CdSe

1.6.2. Cấu trúc vùng năng lượng

1.6.3. Tính chất của vật liệu CdSe

1.6.4. Ứng dụng của vật liệu

2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

2.1. Phương pháp chế tạo

2.2. Thiết bị chế tạo mẫu

2.3. Các dụng cụ và hóa chất sử dụng

2.4. Quy trình chế tạo mẫu

2.4.1. Chuẩn bị đế FTO

2.4.2. Quy trình chế tạo điện cực quang TiO2 cấu trúc thanh nano bằng phương pháp thủy nhiệt

2.4.3. Quy trình chế tạo điện cực quang ZnO/TiO2 cấu trúc phân nhánh

2.4.4. Quy trình chế tạo điện cực quang CdSe/ZnO/TiO2/FTO

2.5. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU

2.5.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

2.5.2. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis)

2.5.3. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)

2.5.4. Phương pháp quét thế tuyến tính (Linear sweep voltammetry: LSV)

2.5.5. Phương pháp phổ tổng trở điện hóa (Electrochemistry impedance spectrum- EIS)

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VÀ VI CẤU TRÚC

3.1.1. Kết quả đo nhiễu xạ tia X (XRD)

3.1.2. Kết quả ảnh hiển vi điện tử quét

3.1.3. Kết quả phổ hấp thụ Uv-Vis

3.2. THUỘC TÍNH QUANG ĐIỆN HÓA CỦA ĐIỆN CỰC QUANG

3.2.1. Thuộc tính quang điện hóa của điện cực ZnO/TiO2/FTO

3.2.2. Thuộc tính quang điện hóa của điện cực CdSe/ZnO/TiO2/FTO cấu trúc phân nhánh

3.3. CƠ CHẾ TRUYỀN ĐIỆN TÍCH TRONG MÔ HÌNH PEC CỦA ĐIỆN CỰC CdSe/ZnO/TiO2

KẾT LUẬN CHUNG

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu tính chất quang điện hóa tách nước

Nghiên cứu tính chất quang điện hóa của vật liệu CdSe/ZnO/TiO2 trong tách nước đang thu hút sự chú ý lớn từ cộng đồng khoa học. Nguồn năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch và vô tận, và việc chuyển hóa nó thành năng lượng hóa học thông qua quá trình tách nước là một thách thức lớn. Vật liệu CdSe, ZnO và TiO2 đều có những đặc tính riêng biệt, góp phần vào hiệu suất quang điện hóa. Việc hiểu rõ về các vật liệu này sẽ giúp tối ưu hóa quá trình tách nước, từ đó nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

1.1. Tính chất quang điện hóa của vật liệu CdSe

CdSe là một trong những vật liệu bán dẫn quan trọng trong lĩnh vực quang điện hóa. Với năng lượng vùng cấm khoảng 1.75 eV, CdSe có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt, giúp tăng cường hiệu suất tách nước. Nghiên cứu cho thấy, việc kết hợp CdSe với các vật liệu khác như TiO2 có thể tạo ra các cấu trúc dị thể, nâng cao khả năng hấp thụ ánh sáng và giảm tốc độ tái hợp điện tử.

1.2. Tính chất quang điện hóa của vật liệu ZnO

ZnO là một vật liệu bán dẫn có độ ổn định hóa học cao và có khả năng hấp thụ ánh sáng tốt. Năng lượng vùng cấm của ZnO khoảng 3.37 eV, giúp nó có thể tham gia vào các phản ứng quang điện hóa. Việc kết hợp ZnO với TiO2 trong cấu trúc dị thể có thể làm giảm tốc độ tái hợp của cặp điện tử - lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất tách nước.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu tách nước

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về vật liệu quang điện hóa, nhưng hiệu suất tách nước vẫn còn thấp. Một trong những nguyên nhân chính là tốc độ tái hợp của cặp điện tử - lỗ trống trong các vật liệu bán dẫn. Việc tìm kiếm các giải pháp để giảm thiểu tốc độ tái hợp này là rất cần thiết. Ngoài ra, việc tối ưu hóa cấu trúc vật liệu cũng là một thách thức lớn trong nghiên cứu này.

2.1. Tốc độ tái hợp điện tử lỗ trống

Tốc độ tái hợp điện tử - lỗ trống là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất quang điện hóa. Khi các điện tử và lỗ trống tái hợp, năng lượng được giải phóng dưới dạng nhiệt, làm giảm hiệu suất tách nước. Do đó, việc phát triển các vật liệu có khả năng giảm tốc độ tái hợp là rất quan trọng.

2.2. Cấu trúc vật liệu và hiệu suất tách nước

Cấu trúc vật liệu ảnh hưởng lớn đến khả năng hấp thụ ánh sáng và vận chuyển điện tử. Các cấu trúc nano một chiều hoặc ba chiều có thể giúp tăng cường hiệu suất tách nước. Việc nghiên cứu và phát triển các cấu trúc này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực quang điện hóa.

III. Phương pháp nghiên cứu tính chất quang điện hóa

Để khảo sát tính chất quang điện hóa của vật liệu CdSe/ZnO/TiO2, nhiều phương pháp nghiên cứu đã được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm lắng đọng hóa học, quang phổ UV-Vis, và kính hiển vi điện tử quét. Những phương pháp này giúp đánh giá cấu trúc, hình thái và hiệu suất quang điện hóa của các mẫu vật liệu.

3.1. Phương pháp lắng đọng hóa học

Phương pháp lắng đọng hóa học là một trong những phương pháp hiệu quả để chế tạo các lớp vật liệu nano. Phương pháp này cho phép kiểm soát độ dày và cấu trúc của lớp vật liệu, từ đó tối ưu hóa hiệu suất quang điện hóa.

3.2. Phương pháp quang phổ UV Vis

Quang phổ UV-Vis được sử dụng để xác định khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu. Phương pháp này giúp đánh giá năng lượng vùng cấm và khả năng hấp thụ ánh sáng của các mẫu vật liệu, từ đó đưa ra những nhận định về hiệu suất quang điện hóa.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu CdSe ZnO TiO2

Vật liệu CdSe/ZnO/TiO2 có tiềm năng ứng dụng lớn trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, đặc biệt là trong quá trình tách nước để sản xuất hydrogen. Hydrogen là một nguồn năng lượng sạch và có thể tái tạo, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Việc phát triển các vật liệu này sẽ góp phần vào việc giải quyết vấn đề năng lượng toàn cầu.

4.1. Ứng dụng trong sản xuất hydrogen

Quá trình tách nước để sản xuất hydrogen từ năng lượng mặt trời là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của vật liệu CdSe/ZnO/TiO2. Hydrogen có thể được sử dụng như một nguồn năng lượng sạch, giúp giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

4.2. Ứng dụng trong công nghệ quang điện

Vật liệu CdSe/ZnO/TiO2 cũng có thể được ứng dụng trong các thiết bị quang điện, giúp tăng cường hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng. Điều này mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu tính chất quang điện hóa của vật liệu CdSe/ZnO/TiO2 trong tách nước đã chỉ ra nhiều tiềm năng và thách thức. Việc phát triển các vật liệu mới và tối ưu hóa cấu trúc sẽ là chìa khóa để nâng cao hiệu suất tách nước. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp mới cho vấn đề năng lượng toàn cầu.

5.1. Tương lai của vật liệu quang điện hóa

Vật liệu quang điện hóa sẽ tiếp tục được nghiên cứu và phát triển để nâng cao hiệu suất tách nước. Các nghiên cứu mới sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc và tính chất của vật liệu, từ đó mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc phát triển các vật liệu mới và cải tiến các phương pháp chế tạo. Việc kết hợp các vật liệu khác nhau có thể tạo ra những cấu trúc mới với hiệu suất cao hơn trong quá trình tách nước.

24/07/2025
Nghiên cứu tổng hợp và khảo sát tính chất quang điện hóa tách nước của vật liệu cdse zno tio2

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Chƣơng 1. Tổng quan Chƣơng 2. Thực nghiệm Chƣơng 3. Kết quả và thảo luận Kết luận chung Danh mục tài liệu tham khảo 6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.

CÔNG NGHỆ QUANG ĐIỆN HOÁ TÁCH NƢỚC 1. Cấu tạo cua hệ quang điện hóa tách nước Nguyên l quang điện hóa tách nƣớc dựa trên việc chuyển đổi năng lƣợng ánh sáng thành những sản phẩm năng lƣợng hữu ích hơn (nhƣ năng lƣợng điện hoặc năng lƣợng hóa). Cấu tạo của một tế bào quang điện hóa gồm hai điện cực (hoặc ba điện cực) đƣợc ngâm trong một dung dịch điện phân, thông qua ánh sáng các quá trình điện hóa diễn ra. Trong một tế bào quang điện hóa dòng và thế là sản phẩm đồng thời theo sự hấp thụ của ánh sáng bởi một hoặc nhiều điện cực trong đó có ít nhất một điện cực là vật liệu bán dẫn.

Cấu tạo của hệ tách nƣớc quang điện hóa ba điện cực. Hệ điện hóa tách nƣớc ba điện cực nhúng trong dung dịch điện phân bao gồm: điện cực làm anode gọi là điện cực làm việc (WE) hay điện cực quang; điện cực làm cathode gọi là điện cực đối (CE) và điện cƣc tham chiếu (RE) (Hình 1. Điện cực làm việc thƣờng là vật liệu bán dẫn để hấp thụ ánh sáng và gây ra các phản ứng hóa học tại bề mặt. Điện cực đối thƣờng là vật liệu chống ăn mòn (nhƣ Pt) để ngăn chặn làm bẩn dung dịch điện phân do sự hòa tan.

Điện cực so sánh là điện cực Calomel chuẩn đƣợc điền đầy dung dich KCl bão hòa. 7 Có nhiều cách lựa chọn vật liệu làm các điện cực nhƣng điện cực quang nhất thiết phải là chất bán dẫn. Cụ thể:  Anode làm từ bán dẫn loại n và cathode đƣợc làm từ kim loại.  Cả anode và cathode đều đƣợc làm từ bán dẫn loại n.

 Anode đƣợc làm từ bán dẫn loại p và cathode đƣợc làm từ kim loại. Cả ba loại trên có nguyên l tƣơng tự nhau. Trong đề tài này chỉ giới hạn nghiên cứu loại đầu tiên. Cơ chế quang điện hóa tách nước của vật liệu bán dẫn Theo nhiệt động lực học, phản ứng tách nƣớc là một quá trình không tự phát.

Vì năng lƣợng tự do Gibbs trong phản ứng tách nƣớc thay đổi một lƣợng là Go = 237 2 kJ hay 2 46 eV trên mỗi phân tử nƣớc nên đòi hỏi cần phải cung cấp một năng lƣợng tối thiểu bằng 1,23 eV cho phản ứng xảy ra. Năng lƣợng cần thiết trong các phản ứng quang điện hóa tách nƣớc đƣợc cung cấp bởi ánh sáng mặt trời hay các nguồn ánh sáng lí tƣởng. Quá trình xúc tác quang tách nƣớc có thể đƣợc phân tích thành hai nửa phản ứng: phản ứng ôxi hóa nƣớc và phản ứng khử proton thành nhiên liệu hydrô. Nguyên lí chung của quá trình xúc tác quang tách nƣớc trên vật liệu bán dẫn có thể đƣợc mô tả nhƣ Hình 1.

Cơ chế phản ứng quang điện hóa [19]. - Khi chất bán dẫn đƣợc kích thích bởi ánh sáng có năng lƣợng hν lớn 8 hơn bề rộng vùng cấm Eg của chất bán dẫn làm phát sinh các cặp điện tử - lỗ trống trong chất bán dẫn.1) - Các điện tử và lỗ trống chia tách ra và di chuyển đến bề mặt chất bán dẫn. Sau đó sẽ tham gia vào các phản ứng ôxi hóa và khử tƣơng ứng.3) Phản ứng phân tách nƣớc tổng quát: 4hv  2H 2O  Light  O 2  2H 2 (1.4) Trong quá trình di chuyển đến bề mặt chất bán dẫn các điện tử và lỗ trống cũng có thể bị tái hợp. Đây là điều không mong muốn trong một hệ xúc tác quang vì nó sẽ làm giảm số lƣợng hạt tải có thể tham gia vào các phản ứng ôxi hóa khử tách nƣớc.

Thông thƣờng, vật liệu có độ kết tinh cao sẽ làm tăng cƣờng hoạt động xúc tác quang vì khi đó mật độ sai hỏng đóng vai trò nhƣ các tâm tái hợp, hạt tải sẽ giảm. Hoạt động xúc tác quang cũng có thể đƣợc tăng cƣờng khi giảm kích thƣớc của vật liệu khi đó sẽ làm ngắn độ dài khuếch tán của các hạt tải từ lúc sinh ra cho đến khi tham gia vào phản ứng ôxi hóa khử. Mặt khác hoạt động xúc tác quang sẽ đƣợc tăng cƣờng nếu xuất hiện thêm các chất đồng xúc tác khi đó sẽ làm tăng mật độ các vị trí kích hoạt cho phản ứng ôxi hóa – khử xảy ra và làm giảm năng lƣợng hoạt hóa trong việc tạo thành khí [20]. Các tham số đánh giá phẩm chất vật liệu làm điện cực quang 1.

Hiệu suất của PEC Sự mất năng lƣợng là nhân tố chính ảnh hƣởng đến hiệu suất của tế bào quang điện hóa. Sự mất năng lƣợng xảy ra là do các yếu tố sau: - Photon có năng lƣợng nhỏ hơn Eg thì không đƣợc hấp thụ. 9 - Photon có năng lƣợng lớn hơn hoặc bằng Eg thì đƣợc hấp thụ nhƣng chỉ một tỷ phần của năng lƣợng đƣợc chuyển đổi hiệu quả, phần còn lại bị tiêu tán dƣới dạng nhiệt. - Sự phản xạ quang xảy ra tại bề mặt vật liệu.

- Sự tái hợp của các cặp electron-lỗ trống, điện trở dạng Ohmic do tiếp xúc của điện cực dẫn và bán dẫn điện trở kết nối, sự quá thế tại bề mặt trung gian giữa điện cực và dung dịch điện phân. Do đó hiệu suất của một hệ tách nƣớc sử dụng năng lƣợng mặt trời có thể đƣợc mô tả thông qua một số khái niệm nhƣ hiệu suất lƣợng tử và hiệu suất chuyển đổi photon thành điện hay photon thành hidrô. Hiệu suất lượng tử (quantum efficiency-QE) Hiệu suất lƣợng tử QE đƣợc định nghĩa là tỷ số phần trăm số electron sinh ra trên số photon chiếu tới với một bƣớc sóng nhất định: N eff QE  N total Trong đó Neff là số cặp electron - lỗ trống sinh ra dƣới sự chiếu sáng Ntotal là tổng số photon chiếu tới. Trong hệ tách nƣớc tổng quát tức là tách đồng thời cả hiđrô và ôxi sử dụng một chất bán dẫn thì hiệu suất lƣợng tử đƣợc biểu diễn bởi công thức: nN eff QE  N total với n là hằng số có giá trị bằng 2 cho sự phát sinh khí hiđrô và bằng 4 cho sự phát sinh khí ôxi.

Lƣu rằng hiệu suất lƣợng tử bỏ qua sự mất mát năng lƣợng của ánh sáng chiếu xạ và hiệu suất chuyển đổi hóa học. Do vậy nó chỉ thích hợp để đánh giá trên vật liệu bán dẫn quang xúc tác mà không đại diện cho hiệu suất chuyển đổi phản ứng tách nƣớc. Hiệu suất chuyển đổi photon thành hidrô (solar-to-hydrogen-STH) Để mô tả hiệu suất thực của việc sinh khí hidrô từ phản ứng tách nƣớc dƣới sự chiếu sáng ngƣời ta thƣờng sử dụng định nghĩa hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành hidrô (STH). Hiệu suất STH đƣợc xác định bởi phƣơng trình: Năng lƣợng đầu ra nhƣ hidrô STH = Năng lƣợng ánh sáng chiếu tới Cụ thể hơn hiệu suất STH đƣợc biểu diễn bởi: Năng lƣợng đầu ra nhƣ hiđrô STH =R [mol.mol1 ] STH  HNăng lƣợng ánh sáng 2 chiếu tới (1.cm ]  S[cm ] 2 2 Trong đó RH là tốc độ sinh hidrô trong quá trình tách nƣớc, G0(H2O) là năng lƣợng tự do Gibbs của nƣớc, Isun là mật độ của chùm ánh sáng tới và S là diện tích chiếu sáng.

Khi hệ quang điện hóa nối với hiệu điện thế mạch ngoài thì năng lƣợng thu đƣợc phải đƣợc hiệu chỉnh theo năng lƣợng điện của mạch ngoài. Khi đó ngƣời ta hay sử dụng khái niệm hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện dƣới tác dụng của thế mạch ngoài ABPE (applied bias photon to current efficiency). Hiệu suất ABPE đƣợc xác định bởi công thức: j[mA.6) APBE  Ptotal [mW.cm 2 ] Trong đó j là mật độ dòng quang điện, Vbias là hiệu điện thế mạch ngoài Ptotal là mật độ công suất của ánh sáng chiếu xạ 1 23 V là hiệu điện thế nhiệt động học cần thiết cho quá trình tách nƣớc [21]. Trong hệ ba điện cực ngƣời ta còn dùng hiệu suất chuyển đổi quang toàn bộ (%) năng lƣợng ánh sáng thành năng lƣợng với sự có mặt của thế ngoài hiệu suất này đƣợc tính theo công thức sau: j[mA.cm2 ] Trong đó j là mật độ dòng quang Ptotal là công suất của nguồn sáng Vapp= Vbias - Vaoc là thế hiệu dụng đặt vào hai điện cực trong đó Vbias là thế ngoài đặt 11 vào hai điện cực dƣới sự chiếu sáng và Vaoc là thế của điện cực làm việc dƣới điều kiện mở mạch (j = 0) [22].

Ngoài ra hiệu suất của một PEC cũng có thể đƣợc đánh giá bởi đại lƣợng gọi là hiệu suất chuyển đổi dòng photon tới thành dòng điện k hiệu là IPCE (incident photon to current conversion efficiency). Hiệu suất này thƣờng đƣợc đo bởi số lƣợng electron sinh ra dƣới tác dụng ánh sáng và tập trung tại mạch ngoài với số photon chiếu xạ trên bề mặt của tế bào quang điện hóa và đƣợc cho bởi biểu thức: 1240  jph [A.m 2 ] Trong đó jph là mật độ dòng quang điện sinh ra λ là bƣớc sóng của ánh sáng chiếu tới, Plight là cƣờng độ chùm photon và 1240 là hệ số hiệu chỉnh đơn vị. Hiệu suất IPCE có thể đƣợc xem là hàm hồi tiếp của ánh sáng tới quang điện cực với bƣớc sóng ánh sáng tới [21]. Mật độ dòng quang [23] Nhiệm vụ chủ yếu trong nghiên cứu PEC là tạo ra các vật liệu bán dẫn có khả năng phân ly nƣớc chỉ sử dụng các hạt mang điện tích đƣợc tạo ra khi bị ánh sáng kích thích mà không có điện thế bên ngoài.

Khả năng này có thể đƣợc đánh giá bằng cách nối điện cực làm việc trực tiếp với điện cực đối và đo dòng quang đƣợc tạo ra dƣới ánh sáng kích thích thích hợp. Tuy nhiên theo quan điểm nghiên cứu và phát triển vật liệu điều quan trọng là phải đánh giá các đặc tính cơ bản của quang điện cực, chẳng hạn nhƣ khả năng tạo ra quang điện tử của nó cũng nhƣ khả năng tạo ra dòng quang điện ở một điện thế nhất định. Những đặc tính này có thể đƣợc xác định từ phân tích đặc trƣng j–V của vật liệu trong mô hình ba điện cực dƣới ánh sáng kích thích. Ngoài ra, kỹ thuật này có thể đƣợc sử dụng để ƣớc tính vị trí mức năng lƣợng vùng dẫn của vật liệu.

Trƣớc khi phân tích j-V, loại chất bán dẫn (loại p hay n) của vật liệu cần 12 phải đƣợc biết. Quá trình đo nên đƣợc thực hiện trong điều kiện điện thế phân cực thuận nhỏ. Điều quan trọng cần ghi nhớ là hầu hết các điện cực loại p có xu hƣớng thuận chiều phân cực thuận về thế anốt và các điện cực loại n phân cực thuận với điện thế catốt.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ