Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu nanô hai chiều (2D) đang là chủ đề nghiên cứu nổi bật trong lĩnh vực vật lý và vật liệu nhờ các tính chất quang, điện tử đặc biệt. Trong đó, molybdenum disulfide (MoS2) thuộc họ dichalcogenide kim loại chuyển tiếp (TMDCs) được quan tâm rộng rãi do tính chất bán dẫn với vùng cấm năng lượng từ 1,3 đến 2,1 eV, phù hợp cho các ứng dụng quang điện tử và xúc tác quang điện hóa. Nghiên cứu này tập trung vào chế tạo vật liệu nanô hai chiều MoS2 bằng phương pháp nghiền cơ học kết hợp rung siêu âm, nhằm tạo ra các tấm MoS2 siêu mỏng có độ dày từ 2 đến 8 lớp nguyên tử, phục vụ ứng dụng quang điện hóa tách nước sản xuất hydro sạch.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Đại học Thái Nguyên trong năm 2022, với mục tiêu chính là phát triển quy trình chế tạo vật liệu MoS2 có cấu trúc tinh thể ổn định, kích thước đồng đều và hiệu suất quang điện hóa cao. Nghiên cứu cũng bao gồm việc chế tạo điện cực quang xúc tác trên đế FTO bằng phương pháp điện di, đánh giá tính chất quang điện hóa và hiệu suất tách nước. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển nguồn năng lượng sạch, bền vững, góp phần giải quyết các vấn đề ô nhiễm môi trường và khủng hoảng năng lượng hiện nay.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Cấu trúc tinh thể và tính chất vật lý của MoS2: MoS2 tồn tại chủ yếu ở pha bán dẫn 2H với cấu trúc lục giác, mỗi lớp gồm ba nguyên tử theo cấu trúc S-Mo-S liên kết bằng lực Van der Waals. Khi giảm độ dày xuống còn vài lớp nguyên tử, MoS2 thể hiện tính chất bán dẫn vùng cấm thẳng với độ rộng khoảng 1,8 – 2,1 eV, thích hợp cho ứng dụng quang xúc tác.

  • Phương pháp chế tạo vật liệu nano hai chiều: Hai hướng chính là phương pháp từ trên xuống (top-down) như bóc tách pha lỏng, cơ học và phương pháp từ dưới lên (bottom-up) như lắng đọng hơi hóa học (CVD). Phương pháp nghiền kết hợp rung siêu âm thuộc nhóm top-down, giúp bóc tách vật liệu khối thành các tấm nano siêu mỏng với chi phí thấp và quy mô sản xuất lớn.

  • Quang điện hóa tách nước: Quá trình sử dụng vật liệu quang xúc tác để phân tách nước thành hydro và oxy dưới tác dụng ánh sáng. MoS2 với các vị trí hoạt động tại rìa tấm nano và vùng cấm năng lượng phù hợp được xem là chất xúc tác tiềm năng thay thế platinum đắt đỏ.

Các khái niệm chính bao gồm: vật liệu nanô hai chiều, vùng cấm năng lượng, quang điện hóa tách nước, phương pháp nghiền rung siêu âm, điện cực quang xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu MoS2 dạng bột khối (>2 µm) được sử dụng làm nguyên liệu đầu vào. Dữ liệu thu thập bao gồm ảnh SEM, TEM, phổ XRD, Raman, UV-Vis, XPS và các phép đo quang điện hóa.

  • Phương pháp chế tạo: Bột MoS2 được nghiền cơ học bằng máy xay cầm tay công suất 650W kết hợp rung siêu âm 40 kHz trong dung dịch ethanol 50% có bổ sung đường mía 5-20% để tăng độ nhớt, giúp tăng hiệu quả bóc tách. Thời gian rung siêu âm từ 30 đến 90 phút với chế độ bật/tắt xen kẽ. Sản phẩm thu được là bột E-MoS2 siêu mỏng, được sấy khô và bảo quản.

  • Chế tạo điện cực: Điện cực quang xúc tác được tạo bằng phương pháp điện di trên đế FTO kích thước 2x1 cm, sử dụng dung dịch E-MoS2 pha trong isopropanol (IPA) 0,5 mg/ml. Dòng điện 2 mA được duy trì trong 3-10 phút, sau đó điện cực được nung ở 350°C trong 2 giờ.

  • Phân tích vật liệu: Sử dụng SEM (Hitachi S-4800), TEM (JEM-2100F), XRD (D2-phaser), phổ Raman (Horiba Jobin Yvon), UV-Vis (Hitachi UH5300), XPS để xác định cấu trúc, thành phần, kích thước và tính chất quang học của vật liệu.

  • Phương pháp phân tích quang điện hóa: Đo dòng điện theo thời gian (I-t) dưới điều kiện chiếu sáng 1 Sun (1000 W/m2) sử dụng hệ Autolab PGSTAT302N với điện cực làm việc là E-MoS2/FTO, điện cực đối là Pt và điện cực so sánh Ag/AgCl 3M trong dung dịch Na2SO4 1M.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình chế tạo và phân tích vật liệu kéo dài trong khoảng 6 tháng, từ chuẩn bị mẫu, thực hiện thí nghiệm đến phân tích dữ liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế tạo thành công vật liệu nanô hai chiều MoS2: Qua ảnh SEM, kích thước bề mặt các tấm E-MoS2 giảm từ 2-20 µm xuống còn vài trăm nanomet đến 1 µm sau 45 phút nghiền kết hợp rung siêu âm. Phổ EDX xác nhận thành phần chính gồm Mo và S với tỷ lệ khối lượng lần lượt khoảng 62,9% và 37,1%. Khi thêm 15% đường mía vào dung dịch, độ đồng đều và hiệu quả bóc tách tăng lên rõ rệt.

  2. Cấu trúc tinh thể ổn định: Giản đồ XRD cho thấy các đỉnh đặc trưng của pha bán dẫn 2H MoS2 vẫn được giữ nguyên sau quá trình bóc tách, chỉ có sự dịch chuyển nhẹ do giảm kích thước hạt. Phổ XPS xác nhận trạng thái hóa trị Mo4+ và S2-, với một phần nhỏ Mo6+ do oxy hóa bề mặt.

  3. Tính chất quang học phù hợp ứng dụng: Phổ UV-Vis thể hiện hai đỉnh exciton A và B tại 672 nm và 610 nm, tương ứng vùng hấp thụ trong vùng nhìn thấy. Độ rộng vùng cấm ước tính khoảng 1,8 – 1,9 eV. Phổ Raman cho thấy khoảng cách giữa hai đỉnh E12g và A1g là 22,5 cm-1, tương ứng với độ dày 2-8 lớp nguyên tử.

  4. Hiệu suất quang điện hóa tách nước: Điện cực E-MoS2/FTO cho dòng quang đạt cực đại khoảng 6 µA và duy trì ổn định trong 2000 giây dưới chiếu sáng 1 Sun. Dòng tối gần như bằng 0, chứng tỏ khả năng tạo dòng điện quang tốt và độ nhạy cao.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp nghiền kết hợp rung siêu âm là giải pháp hiệu quả, thân thiện môi trường để sản xuất vật liệu nanô hai chiều MoS2 với kích thước và cấu trúc phù hợp cho ứng dụng quang điện hóa. Việc bổ sung đường mía làm tăng độ nhớt dung dịch, giúp tăng lực tác động cơ học và bong bóng siêu âm, từ đó nâng cao hiệu quả bóc tách so với chỉ sử dụng dung môi ethanol 50%.

So với các phương pháp CVD hay lắng đọng hơi, phương pháp này có ưu điểm về chi phí thấp, quy mô sản xuất lớn và không cần thiết bị phức tạp. Các phép đo quang học và quang điện hóa chứng minh vật liệu thu được có vùng cấm năng lượng phù hợp và hiệu suất tách nước tiềm năng, tương đương hoặc vượt trội so với một số nghiên cứu trong nước và quốc tế.

Biểu đồ dòng-thời gian (I-t) minh họa rõ sự ổn định và khả năng tạo dòng quang của điện cực E-MoS2/FTO, cho thấy vật liệu có thể ứng dụng trong các thiết bị quang điện hóa tách nước hydro sạch. Các kết quả này cũng mở ra hướng phát triển các vật liệu nanô 2D khác bằng phương pháp tương tự.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng quy mô sản xuất: Áp dụng phương pháp nghiền kết hợp rung siêu âm với thiết bị công suất lớn hơn để sản xuất vật liệu MoS2 nanô số lượng lớn, phục vụ nghiên cứu và ứng dụng công nghiệp trong vòng 1-2 năm.

  2. Tối ưu hóa điều kiện chế tạo: Nghiên cứu thêm các loại dung môi thân thiện khác và tỷ lệ phụ gia như đường mía để nâng cao hiệu suất bóc tách, đồng thời giảm thời gian chế tạo xuống dưới 30 phút.

  3. Phát triển điện cực đa lớp: Kết hợp MoS2 với các vật liệu dẫn điện khác như graphene hoặc carbon nanotubes để tăng diện tích bề mặt hoạt động và cải thiện hiệu suất quang điện hóa trong 1-3 năm tới.

  4. Nghiên cứu ứng dụng thực tế: Thử nghiệm điện cực E-MoS2/FTO trong các hệ quang điện hóa tách nước quy mô nhỏ tại các phòng thí nghiệm và mô hình pilot, đánh giá độ bền và hiệu suất lâu dài trong 2-3 năm.

  5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật chế tạo vật liệu nanô 2D và ứng dụng quang điện hóa cho các viện nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp trong nước nhằm thúc đẩy phát triển công nghệ xanh.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu vật liệu và quang học: Luận văn cung cấp phương pháp chế tạo vật liệu nanô MoS2 hiệu quả, cùng các phân tích cấu trúc và tính chất quang học chi tiết, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu về vật liệu 2D và ứng dụng quang điện tử.

  2. Chuyên gia năng lượng tái tạo: Thông tin về hiệu suất quang điện hóa tách nước và thiết kế điện cực quang xúc tác giúp các chuyên gia đánh giá tiềm năng ứng dụng hydro sạch trong các hệ thống năng lượng xanh.

  3. Doanh nghiệp công nghệ vật liệu: Các công ty sản xuất vật liệu nano và thiết bị quang điện hóa có thể áp dụng quy trình chế tạo và kỹ thuật điện di để phát triển sản phẩm mới, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả.

  4. Sinh viên và giảng viên đại học: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá cho các khóa học về vật lý vật liệu, quang học, công nghệ nano và năng lượng tái tạo, giúp nâng cao kiến thức thực nghiệm và lý thuyết.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp nghiền kết hợp rung siêu âm có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
    Phương pháp này cho phép sản xuất vật liệu nanô hai chiều với chi phí thấp, quy mô lớn, không cần thiết bị phức tạp và thân thiện môi trường do không sử dụng dung môi độc hại. Thời gian chế tạo ngắn hơn so với chỉ dùng rung siêu âm.

  2. Độ dày của các tấm MoS2 nanô được kiểm soát như thế nào?
    Độ dày được xác định qua phổ Raman và HRTEM, dao động từ 2 đến 8 lớp nguyên tử (~2-10 nm), phù hợp với vùng cấm năng lượng cần thiết cho ứng dụng quang điện hóa.

  3. Hiệu suất quang điện hóa tách nước của điện cực E-MoS2/FTO ra sao?
    Dòng quang đạt cực đại khoảng 6 µA và duy trì ổn định trong 2000 giây dưới chiếu sáng 1 Sun, cho thấy khả năng tạo dòng điện quang tốt và độ bền cao trong điều kiện thử nghiệm.

  4. Tại sao thêm đường mía vào dung dịch lại giúp tăng hiệu quả bóc tách?
    Đường mía làm tăng độ nhớt dung dịch, giúp tăng lực tác động cơ học và hiệu quả của bong bóng siêu âm trong quá trình nghiền, từ đó nâng cao hiệu suất bóc tách các tấm MoS2 siêu mỏng.

  5. Phương pháp điện di trong chế tạo điện cực có ưu điểm gì?
    Phương pháp điện di đơn giản, ít tốn kém, dễ thực hiện trong phòng thí nghiệm, cho phép tạo lớp màng vật liệu đồng đều trên đế FTO với khả năng kiểm soát thời gian và dòng điện để tối ưu hóa độ dày và chất lượng điện cực.

Kết luận

  • Đã thành công chế tạo vật liệu nanô hai chiều MoS2 siêu mỏng bằng phương pháp nghiền cơ học kết hợp rung siêu âm, với kích thước bề mặt từ vài trăm nanomet đến 1 µm và độ dày 2-8 lớp nguyên tử.
  • Vật liệu giữ được cấu trúc pha bán dẫn 2H ổn định, có độ tinh khiết cao và vùng cấm năng lượng phù hợp (1,8 – 1,9 eV) cho ứng dụng quang điện hóa.
  • Điện cực quang xúc tác E-MoS2/FTO được chế tạo thành công bằng phương pháp điện di, cho dòng quang ổn định lên tới 6 µA trong 2000 giây dưới chiếu sáng 1 Sun.
  • Phương pháp chế tạo thân thiện môi trường, chi phí thấp, có thể mở rộng quy mô sản xuất và ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng sạch.
  • Đề xuất tiếp tục tối ưu quy trình, phát triển điện cực đa lớp và thử nghiệm ứng dụng thực tế trong các hệ quang điện hóa tách nước hydro.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng phương pháp này để phát triển vật liệu nanô 2D và thiết bị quang điện hóa, góp phần thúc đẩy công nghệ năng lượng tái tạo tại Việt Nam.