Nghiên cứu tổng hợp hệ vật liệu viologen trên nền graphite và graphene bằng phương pháp điện hóa

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỞ ĐẦU

0.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

0.2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

0.3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

0.3.1. Đối tượng nghiên cứu

0.3.2. Phạm vi nghiên cứu

0.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

0.4.1. Phương pháp chế tạo vật liệu

0.4.2. Phương pháp đặc trưng vật liệu

0.5. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. GIỚI THIỆU GRAPHITE

1.2. GIỚI THIỆU GRAPHENE

1.3. Thuộc tính oxi hóa khử

1.4. Phân loại viologen

1.5. Ứng dụng của viologen

1.6. QUÁ TRÌNH TỰ SẮP XẾP CÁC PHÂN TỬ HỮU CƠ TRÊN BỀN MẶT GRAPHITE/GRAPHENE

1.7. HÓA CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ CHẾ TẠO MẪU

1.7.1. Dụng cụ và thiết bị. Chuẩn bị hóa chất

1.7.2. Dung dịch H2SO4 5 mM

1.7.3. Dung dịch đệm KCl 10 mM trong H2SO4 5 mM

1.7.4. Dung dịch đệm KI 10 mM trong H2SO4 5 mM

1.7.5. Dung dịch đệm chlorine chứa phân tử DBV 1mM

1.8. QUY TRÌNH CHẾ TẠO MẪU BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA

1.8.1. Chuẩn bị dung dịch làm việc

1.8.2. Chuẩn bị tế bào điện hóa và điện cực làm việc. Quy trình tạo mẫu bằng phương pháp lắng đọng điện hóa

1.8.3. Tạo mẫu DBV trên bề mặt graphene

1.8.4. Khảo sát sự bay hơi H2

1.9. QUY TRÌNH CHẾ TẠO MẪU BẰNG PHƯƠNG PHÁP CẤY GHÉP ĐIỆN HÓA

1.9.1. Chuẩn bị dung dịch làm việc

1.9.2. Chuẩn bị tế bào điện hóa và điện cực làm việc. Quy trình tạo mẫu bằng phương pháp cấy ghép điện hóa

1.10. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU

1.10.1. Phương pháp thế quét vòng tuần hoàn (CV)

1.10.2. Phương pháp thế quét tuyến tính (LSV)

1.10.3. Phương pháp hiển vi quét xuyên hầm (STM)

1.10.3.1. Giới thiệu về phương pháp. Hiệu ứng xuyên hầm

1.10.3.2. Nguyên lý hoạt động của STM

1.10.4. Phương pháp đo Raman

1.10.5. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)

1.10.6. Phương pháp đo AFM

1.10.7. Phương pháp đo KPFM

1.11. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

1.11.1. TỔNG HỢP MÀNG DBV TRÊN NỀN HOPG BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN HÓA

1.11.1.1. Khảo sát tính chất điện hóa của HOPG trong dung dịch DBV2+. Tổng hợp màng DBV0 bằng phương pháp CA

1.11.1.2. Khảo sát tính chất của hệ vật liệu

1.11.1.3. Ảnh hưởng của hệ vật liệu đối với quá trình hydro và oxy bay hơi

1.11.2. CHẾ TẠO HỆ VẬT LIỆU DBV0 TRÊN NỀN GRAPHENE (G-SIO2)

1.11.2.1. Hình thái học bề mặt của hệ vật liệu DBV0/G-SiO2

1.11.2.2. Tính chất điện tử của hệ vật liệu

1.11.3. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG HỆ VẬT LIỆU MÀNG EV0 LẮNG ĐỌNG ĐIỆN HÓA TRÊN NỀN HOPG

1.11.3.1. Chế tạo màng EV bằng phương pháp CA (EV0/HOPG)

1.11.3.2. Hình thái học bề mặt của hệ vật liệu EV0/HOPG

1.11.4. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐẶC TRƯNG TÍNH CHẤT CỦA MÀNG G-DBV CẤY GHÉP ĐIỆN HÓA TRÊN BỀ MẶT ĐIỆN CỰC HOPG

1.11.4.1. Chế tạo màng g-DBV trên bề mặt HOPG bằng phương pháp cấy ghép điện hóa (g-DBV/HOPG)

1.11.4.2. Khảo sát tính chất của hệ vật liệu

I. Tổng quan về hệ vật liệu viologen graphite và graphene

Nghiên cứu tập trung vào hệ vật liệu viologen trên nền graphite và graphene, sử dụng phương pháp điện hóa để tổng hợp vật liệu. Graphite là vật liệu dẫn điện tốt với cấu trúc lớp carbon lai hóa sp2, trong khi graphene là vật liệu hai chiều với tính chất điện, nhiệt và cơ học vượt trội. Tuy nhiên, graphene thiếu vùng cấm năng lượng, hạn chế ứng dụng trong công nghệ cao. Viologen là phân tử có hoạt tính oxi hóa khử mạnh, đặc biệt dạng khử (V0) có khả năng nhường điện tử cho graphene, tạo hệ vật liệu pha tạp loại n. Nghiên cứu này nhằm khắc phục hạn chế của graphene thông qua biến tính bề mặt bằng viologen.

1.1. Giới thiệu về graphite

Graphite là dạng thù hình của carbon với cấu trúc lớp lai hóa sp2. Các lớp carbon liên kết yếu bằng lực Van der Waals, tạo tính dẫn điện định hướng. Graphite được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như điện cực pin, chất bôi trơn và vật liệu chịu nhiệt. Tuy nhiên, cấu trúc dễ tách lớp của graphite hạn chế ứng dụng trong các thiết bị điện tử cao cấp.

1.2. Giới thiệu về graphene

Graphene là vật liệu hai chiều với cấu trúc lục giác của carbon lai hóa sp2. Nó có độ bền cơ học cao, dẫn điện và nhiệt tốt. Tuy nhiên, graphene không có vùng cấm năng lượng, hạn chế ứng dụng trong lĩnh vực bán dẫn. Biến tính bề mặt bằng viologen có thể mở rộng vùng cấm năng lượng và thay đổi tính chất điện tử của graphene.

II. Phương pháp điện hóa trong tổng hợp vật liệu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp điện hóa để tổng hợp hệ vật liệu viologen trên nền graphite và graphene. Phương pháp này bao gồm lắng đọng điện hóa và cấy ghép điện hóa, trong đó điện cực làm việc được áp điện thế phù hợp để phân tử viologen hấp phụ trên bề mặt. Phương pháp điện hóa cho phép kiểm soát quá trình tổng hợp và đạt được cấu trúc vật liệu mong muốn.

2.1. Lắng đọng điện hóa

Lắng đọng điện hóa được sử dụng để tạo màng viologen trên bề mặt graphite và graphene. Quá trình này bao gồm chuẩn bị dung dịch làm việc và tế bào điện hóa, sau đó áp điện thế để phân tử viologen hấp phụ và tạo thành màng. Phương pháp này đơn giản và hiệu quả trong việc kiểm soát độ dày và cấu trúc màng.

2.2. Cấy ghép điện hóa

Cấy ghép điện hóa được áp dụng để tạo liên kết cộng hóa trị giữa viologen và graphene. Phương pháp này sử dụng điện thế để kích hoạt phản ứng hóa học, tạo liên kết bền vững giữa phân tử viologen và bề mặt graphene. Kết quả là hệ vật liệu có tính chất điện tử và cơ học được cải thiện.

III. Ứng dụng và giá trị thực tiễn

Nghiên cứu về hệ vật liệu viologen trên nền graphite và graphene có tiềm năng ứng dụng lớn trong công nghệ điện tử và năng lượng. Vật liệu nano này có thể được sử dụng trong pin, cảm biến và thiết bị chuyển đổi năng lượng. Phương pháp điện hóa cung cấp cách tiếp cận hiệu quả để tạo ra các vật liệu có tính chất điện tử và cơ học được tối ưu hóa.

3.1. Ứng dụng trong công nghệ điện tử

Hệ vật liệu viologen trên nền graphene có thể được sử dụng trong các thiết bị điện tử như transistor và cảm biến. Biến tính bề mặt bằng viologen giúp mở rộng vùng cấm năng lượng của graphene, tăng khả năng ứng dụng trong lĩnh vực bán dẫn.

3.2. Ứng dụng trong công nghệ năng lượng

Vật liệu nano này có tiềm năng ứng dụng trong pin và siêu tụ điện. Viologen có hoạt tính oxi hóa khử mạnh, giúp cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của pin. Phương pháp điện hóa cung cấp cách tiếp cận hiệu quả để tạo ra các vật liệu năng lượng tiên tiến.

Luận Văn Thạc Sĩ: Tổng Hợp Hệ Vật Liệu Viologen Trên Nền Graphite Và Graphene Bằng Phương Pháp Điện Hóa