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

• Tác giả: Nguyễn Thị Thanh Hương
• Người hướng dẫn: GS. Võ Viễn
• Trường học: Trường Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
• Đề tài: Tổng hợp và Biến Tính MS2/g-C3N4 (M=Sn, W): Ứng dụng Xúc Tác Quang và Anode Pin Lithium-ion
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Bình Định

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Nội dung nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 1.7. Điểm mới của luận án
• 2. DANH MỤC
• 2.1. Danh mục các từ viết tắt
• 2.2. Danh mục bảng
• 2.3. Danh mục hình vẽ
• 3. NỘI DUNG CHÍNH
• 3.1. Tổng hợp và đặc trưng vật liệu
• 3.1.1. Tổng hợp vật liệu composite MS2/g-C3N4 (M = Sn, W)
• 3.1.2. Tổng hợp vật liệu MS2 (M = Sn, W) bằng phương pháp nung trực tiếp pha rắn
• 3.1.3. Đặc trưng vật liệu
• 3.2. Đánh giá hoạt tính quang xúc tác
• 3.3. Đặc trưng điện hóa
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Đặc trưng vật liệu
• 4.1.1. Vật liệu composite SnS2/g-C3N4
• 4.1.2. Vật liệu composite WS2/g-C3N4
• 4.2. Khảo sát hoạt tính quang xúc tác
• 4.2.1. Vật liệu composite SnS2/g-C3N4
• 4.2.2. Vật liệu composite WS2/g-C3N4
• 4.3. Khảo sát đặc tính điện hóa
• 4.3.1. Vật liệu composite SnS2/g-C3N4
• 4.3.2. Vật liệu composite WS2/g-C3N4
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu MS2 Biến Tính G C3N4 Cho Ứng Dụng

Nghiên cứu tập trung vào việc tổng hợp và biến tính các vật liệu composite dựa trên MS2 (M = Sn, W) và g-C3N4. Mục tiêu là tạo ra các vật liệu có khả năng ứng dụng trong hai lĩnh vực chính: xúc tác quang và vật liệu anode pin sạc lithium ion. Ô nhiễm môi trường và nhu cầu năng lượng ngày càng tăng là những động lực chính thúc đẩy nghiên cứu này. Phương pháp xúc tác quang sử dụng năng lượng mặt trời để phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ được xem là giải pháp đầy hứa hẹn. Đồng thời, việc phát triển các vật liệu anode tiên tiến cho pin lithium ion (LIBs) là rất quan trọng để đáp ứng nhu cầu lưu trữ năng lượng hiệu quả. Nghiên cứu này hướng đến việc khai thác tiềm năng của MS2/g-C3N4 như một vật liệu đa ứng dụng trong cả hai lĩnh vực này. Luận án này cam kết tuân thủ các quy định về liêm chính khoa học và trích dẫn nguồn tài liệu một cách chính xác. Kết quả nghiên cứu đóng góp vào việc phát triển hệ thống vật liệu cấu trúc lớp, có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực năng lượng và môi trường.

1.1. Giới thiệu chung về vật liệu xúc tác quang MS2 G C3N4

MS2 (M = Sn, W) và g-C3N4 là những chất bán dẫn tiềm năng cho xúc tác quang do có vùng cấm hẹp, diện tích bề mặt lớn và độ bền hóa học cao. Tuy nhiên, hiệu suất của chúng bị hạn chế bởi tốc độ tái hợp nhanh của cặp electron - lỗ trống quang sinh. Do đó, việc biến tính để nâng cao hiệu suất xúc tác quang là rất quan trọng. G-C3N4 được sử dụng như vật liệu nền cho điện cực anode LIBs (theo Tài liệu gốc). Phương pháp tổng hợp vật liệu composite là quy trình một bước ở pha rắn.

1.2. Ưu điểm của việc sử dụng vật liệu Composite MS2 G C3N4

Vật liệu composite MS2/g-C3N4 kết hợp ưu điểm của cả hai thành phần, tạo ra hiệu ứng hiệp lực giúp tăng cường quá trình phân tách điện tích và giảm tái hợp. Điều này dẫn đến cải thiện hiệu suất điện hóa và hoạt tính xúc tác quang. Cấu trúc composite được tổng hợp theo quy trình một bước ở pha rắn. Nghiên cứu này tập trung khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng các pha (MS2, g-C3N4) đến khả năng phân hủy chất ô nhiễm và dung lượng lưu trữ lithium, từ đó đưa ra các ứng dụng tiềm năng cho hai lĩnh vực trên. Vật liệu này có tiềm năng thay thế anode graphite trong pin lithium ion, theo các nghiên cứu gần đây.

II. Thách Thức và Vấn Đề Hiệu Suất Xúc Tác Quang Cần Cải Thiện

Mặc dù MS2 và g-C3N4 có nhiều ưu điểm, nhưng tốc độ tái hợp nhanh của cặp electron - lỗ trống quang sinh làm suy giảm đáng kể hiệu suất xúc tác quang. Điều này đặt ra một thách thức lớn trong việc ứng dụng rộng rãi các vật liệu này. Hơn nữa, sự thay đổi thể tích lớn của MS2 trong quá trình chèn/giải chèn lithium ảnh hưởng đến công suất và độ bền của pin sạc lithium ion. Vì vậy, cần có các phương pháp biến tính hiệu quả để giải quyết những hạn chế này. Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp và biến tính MS2/g-C3N4 để vượt qua các rào cản kỹ thuật và nâng cao hiệu suất của vật liệu. Vật liệu anode dựa trên cấu trúc lớp MS2 (M = Sn, W) đang được nghiên cứu để thay thế cho graphite thương mại, theo luận án.

2.1. Hạn chế của vật liệu MS2 và G C3N4 trong xúc tác quang

Tốc độ tái hợp nhanh của cặp electron - lỗ trống quang sinh là yếu tố chính hạn chế hoạt tính xúc tác quang của MS2 và g-C3N4. Theo nghiên cứu, điều này dẫn đến giảm hiệu quả phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ. Cần có các chiến lược hiệu quả để giảm thiểu sự tái hợp và tăng cường quá trình phân tách điện tích. Việc biến tính vật liệu là một trong những giải pháp tiềm năng để cải thiện hiệu suất xúc tác quang.

2.2. Vấn đề về sự thay đổi thể tích của MS2 trong pin Lithium Ion

Sự thay đổi thể tích lớn của MS2 trong quá trình sạc và xả pin gây ra các vấn đề về độ bền và tuổi thọ của điện cực. Điều này làm giảm hiệu suất và khả năng lưu trữ năng lượng của pin sạc lithium ion. Thiết kế cấu trúc composite giữa MS2 và g-C3N4 là một hướng đi tiềm năng để giảm thiểu sự thay đổi thể tích và cải thiện hiệu suất điện hóa.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Biến Tính MS2 Bằng G C3N4 Thế Nào

Nghiên cứu sử dụng phương pháp nung trực tiếp ở pha rắn để tổng hợp vật liệu composite MS2/g-C3N4. Quá trình này bao gồm việc trộn và nghiền mịn hỗn hợp tiền chất gồm tin (IV) chloride hoặc tungstic acid và thiourea với tỷ lệ khác nhau, sau đó nung ở nhiệt độ cao. Vật liệu MS2 được tổng hợp bằng cách nung trực tiếp pha rắn composite MS2/g-C3N4 ở nhiệt độ cao hơn trong khí N2 để loại bỏ hoàn toàn g-C3N4. Các phương pháp đặc trưng vật liệu như XRD, IR, XPS, SEM, TEM, Raman, UV-vis DRS, TGA và PL được sử dụng để phân tích cấu trúc và tính chất của vật liệu. Theo tài liệu gốc, các thí nghiệm được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm. Nghiên cứu tập trung vào việc xác định thành phần tối ưu của vật liệu composite MS2/g-C3N4 (M = Sn, W) cho mỗi ứng dụng cụ thể.

3.1. Quy trình tổng hợp vật liệu Composite MS2 G C3N4 M Sn W

Quy trình tổng hợp bắt đầu bằng việc trộn và nghiền mịn hỗn hợp tiền chất (tin (IV) chloride hoặc tungstic acid và thiourea) với tỷ lệ khối lượng khác nhau. Hỗn hợp sau đó được nung ở nhiệt độ 500°C. Tỷ lệ các chất tiền chất ảnh hưởng trực tiếp đến thành phần và cấu trúc của vật liệu composite. Việc kiểm soát chặt chẽ các thông số tổng hợp là rất quan trọng để tạo ra vật liệu có tính chất mong muốn.

3.2. Phương pháp loại bỏ pha nền G C3N4 để tổng hợp MS2

Vật liệu MS2 được tổng hợp bằng cách nung trực tiếp pha rắn composite MS2/g-C3N4 ở nhiệt độ cao hơn (650°C) trong môi trường khí N2. Quá trình này loại bỏ hoàn toàn pha nền g-C3N4, để lại vật liệu MS2 tinh khiết. Việc kiểm soát nhiệt độ và môi trường khí là rất quan trọng để đảm bảo loại bỏ hoàn toàn g-C3N4 mà không làm thay đổi cấu trúc của MS2.

3.3. Các phương pháp đặc trưng vật liệu MS2 G C3N4

Vật liệu tổng hợp được đặc trưng bằng các phương pháp hóa lý hiện đại như XRD, IR, XPS, SEM, TEM, Raman, UV-vis DRS, TGA và PL. Các phương pháp này cho phép xác định cấu trúc, thành phần, hình thái, tính chất quang học, tính chất điện tử và tính chất nhiệt của vật liệu. Dữ liệu thu được từ các phương pháp đặc trưng này được sử dụng để đánh giá chất lượng của vật liệu và mối tương quan giữa cấu trúc và tính chất.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Xúc Tác Quang Phân Hủy RhB Hiệu Quả

Các vật liệu tổng hợp được đánh giá hoạt tính xúc tác quang bằng phản ứng xúc tác quang phân hủy Rhodamine B (RhB) trong nước. Đây là một phương pháp chuẩn để đánh giá khả năng phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ của vật liệu xúc tác quang. Hiệu suất phân hủy RhB được xác định bằng cách đo sự thay đổi nồng độ RhB theo thời gian dưới ánh sáng. Nghiên cứu này cũng khảo sát cơ chế phản ứng xúc tác quang để hiểu rõ hơn về quá trình phân hủy RhB. Hoạt tính xúc tác của vật liệu được đánh giá theo phương pháp chuẩn thông qua phản ứng xúc tác quang phân hủy dung dịch thuốc nhuộm RhB. Sản phẩm phản ứng được phân tích bằng phép đo UV-vis.

4.1. Phân tích định lượng Rhodamine B RhB bằng UV Vis

Nồng độ RhB được xác định bằng phương pháp phổ UV-Vis. Dựa vào phổ UV-vis của dung dịch RhB, ta có thể xây dựng đường chuẩn để định lượng RhB. Theo tài liệu gốc, sản phẩm phản ứng được phân tích bằng phép đo UV-vis, qua đó đánh giá hiệu quả phân hủy RhB của vật liệu xúc tác quang. Phân tích định lượng RhB là bước quan trọng để đánh giá hoạt tính xúc tác quang.

4.2. Cơ chế phản ứng xúc tác quang phân hủy RhB

Nghiên cứu khảo sát cơ chế phản ứng xúc tác quang để hiểu rõ hơn về quá trình phân hủy RhB. Việc xác định các gốc tự do tham gia vào phản ứng và vai trò của từng thành phần trong vật liệu composite là rất quan trọng. Hiểu rõ cơ chế phản ứng giúp tối ưu hóa hoạt tính xúc tác quang của vật liệu và mở ra các ứng dụng tiềm năng trong xử lý ô nhiễm môi trường.

4.3. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến hoạt tính xúc tác

Nghiên cứu cần khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như cường độ ánh sáng, pH của dung dịch, nồng độ chất xúc tác và sự có mặt của các chất khác đến hoạt tính xúc tác. Việc tối ưu hóa các yếu tố này giúp tăng cường hiệu suất xúc tác quang và mở rộng phạm vi ứng dụng của vật liệu. Phân tích dữ liệu hoạt tính quang xúc tác cần bao gồm đánh giá định lượng và so sánh hiệu suất của các vật liệu tổng hợp khác nhau.

V. Điện Hóa Đánh Giá Khả Năng Lưu Trữ Lithium Cho Pin

Các vật liệu tổng hợp được sử dụng để làm điện cực anode pin lithium ion. Các điện cực được lắp ráp dạng pin cúc áo (coin cell), sau đó thực hiện quét thế vòng tuần hoàn (CV), đo phóng nạp dòng tĩnh (Galvanostatic charge – discharge) và đo dung lượng sạc xả ion Li+. Các phép đo này cung cấp thông tin về tính chất điện hóa của vật liệu và khả năng lưu trữ lithium. Tính chất điện hóa của vật liệu được đánh giá bằng phương pháp quét thế vòng tuần hoàn, đo phóng nạp dòng tĩnh và đo dung lượng sạc xả ion Li+. Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá khả năng lưu trữ năng lượng và độ bền của điện cực anode làm từ vật liệu composite.

5.1. Quy trình lắp ráp pin cúc áo và phép đo điện hóa

Pin cúc áo (coin cell) được lắp ráp theo quy trình chuẩn. Sau đó, các phép đo điện hóa như quét thế vòng tuần hoàn (CV), đo phóng nạp dòng tĩnh (Galvanostatic charge – discharge) và đo tổng trở điện hóa (EIS) được thực hiện. Các phép đo này cung cấp thông tin quan trọng về tính chất điện hóa của vật liệu và hiệu suất của pin.

5.2. Phân tích kết quả quét thế vòng tuần hoàn CV

Phép đo quét thế vòng tuần hoàn (CV) cung cấp thông tin về các phản ứng oxi hóa khử xảy ra trong quá trình sạc và xả pin. Phân tích các đỉnh oxi hóa khử trên đường cong CV giúp xác định cơ chế lưu trữ lithium và tính chất điện hóa của vật liệu anode. Đánh giá các thông số điện hóa của điện cực dựa trên phổ EIS (theo tài liệu gốc).

5.3. Đánh giá dung lượng sạc xả và độ bền của điện cực Anode

Dung lượng sạc xả và độ bền của điện cực anode được đánh giá bằng phép đo phóng nạp dòng tĩnh trong nhiều chu kỳ. Dung lượng sạc xả cao và độ bền tốt là những yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của pin lithium ion. Cần so sánh dung lượng trao đổi ion lithium của SCN3 và SNS (theo tài liệu gốc).

VI. Kết Luận và Triển Vọng Vật Liệu MS2 G C3N4 Ứng Dụng Tương Lai

Kết quả nghiên cứu xác định thành phần tối ưu của vật liệu composite MS2/g-C3N4 cho mỗi ứng dụng cụ thể (xúc tác quang và vật liệu anode pin sạc lithium ion). Mối quan hệ giữa hàm lượng các pha thành phần và hiệu năng xúc tác quang – điện hóa của composite được xác định. Nghiên cứu này góp phần làm phong phú thêm về hệ thống vật liệu cấu trúc lớp ứng dụng trong lĩnh vực môi trường và năng lượng. Từ những nghiên cứu về khả năng quang xúc tác và năng lực lưu trữ lithium quy mô phòng thí nghiệm, vật liệu MS2/g-C3N4 có thể được khai thác, mở rộng thực tiễn cho các ứng dụng xử lý ô nhiễm hữu cơ trong môi trường nước hay chuẩn bị tiến tới sản xuất pin lithium nội địa.

6.1. Tối ưu hóa thành phần Composite MS2 G C3N4 cho từng ứng dụng

Nghiên cứu đã xác định thành phần tối ưu của vật liệu composite MS2/g-C3N4 cho từng ứng dụng cụ thể. Khi hàm lượng g-C3N4 cao, composite được ưu tiên cho ứng dụng xúc tác quang. Ngược lại, ở những hàm lượng g-C3N4 thấp, sử dụng composite làm anode cho LIBs thu được kết quả tốt hơn. Việc tối ưu hóa thành phần giúp khai thác tối đa tiềm năng của vật liệu trong từng lĩnh vực.

6.2. Cơ chế chuyển điện tích trong quá trình xúc tác quang

Nghiên cứu đề xuất cơ chế chuyển và phân tách điện tích theo sơ đồ S để giải thích hiệu suất xúc tác quang vượt trội của composite MS2/g-C3N4. Cơ chế này giúp giảm thiểu sự tái hợp của cặp electron - lỗ trống quang sinh và tăng cường quá trình phân hủy chất ô nhiễm. Đề xuất cơ chế chuyển và phân tách điện tích theo sơ đồ S, theo luận án.

6.3. Triển vọng ứng dụng vật liệu Composite MS2 G C3N4

Vật liệu MS2/g-C3N4 có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực môi trường và năng lượng. Trong tương lai, vật liệu này có thể được sử dụng để xử lý ô nhiễm nước, sản xuất pin lithium ion hiệu suất cao và phát triển các công nghệ năng lượng bền vững. Cần nghiên cứu thêm về khả năng ứng dụng thực tế và quy mô lớn của vật liệu này.