MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng. Vấn đề xử lý môi trường ngày càng được quan tâm nghiên cứu [1–3]. Một trong các phương pháp xử lý môi trường là phương pháp quang xúc tác [4–6].
Phương pháp quang xúc tác là phương pháp sử dụng vật liệu quang xúc tác để phân hủy các chất gây ô nhiễm môi trường dưới tác dụng của ánh sáng [7,8]. Khi chiếu ánh sáng vào dung dịch chứa vật liệu quang xúc tác, các điện tử và lỗ trống hình thành và tham gia vào các phản ứng hóa học phân hủy các chất gây ô nhiễm môi trường như methylene blue, phenol, rhodamine B [7– 11]. Phương pháp này có nhiều ưu điểm như nhanh, sạch, rẻ và tiết kiệm năng lượng. Nhiều vật liệu quang xúc tác khác nhau được nghiên cứu như ZnO [12– 14], SnO2 [15–18], TiO2 [13,17,19–21] ….
Trong các vật liệu này, vật liệu ZnO là một trong các vật liệu oxit bán dẫn quang xúc tác phổ biến và hiệu quả nhất vì ZnO là vật liệu vùng cấm thẳng và có năng lượng exciton lớn khoảng 60 meV. Hơn nữa, cấu trúc nano ZnO có thể chế tạo bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp thủy nhiệt [21–23], phương pháp đồng kết tủa. Tuy nhiên, vật liệu ZnO lại có nhược điểm là tốc độ tái hợp hạt tải cao làm cho hiệu suất quang xúc tác giảm đáng kể. Do đó, vật liệu ZnO không phù hợp cho các ứng dụng quang xúc tác với ánh sáng trong vùng nhìn thấy.
Các nghiên cứu cho thấy rằng để tăng khả năng quang xúc tác của vật liệu ZnO trong vùng nhìn thấy người ta kết hợp chúng với những vật liệu khác như rGO [12,24–26], các hạt nano từ [27,28], các vật liệu có khả năng quang xúc tác khác [17] hoặc pha tạp vào mạng nền ZnO bằng những kim loại chuyển tiếp hoặc ion đất hiếm [29,30] để giảm tốc độ tái hợp của hạt tải. Trong số những phương pháp trên thì việc kết hợp vật liệu ZnO với rGO được nhiều nhà khoa học chọn lựa bởi vật liệu nano ZnO/rGO có nhiều ưu điểm trong việc 2 nghiên cứu tính chất quang xúc tác vùng ánh sáng nhìn thấy vì rGO có tính dẫn điện tốt, có khả năng phân tách hạt tải điện cao, diện tích bề mặt lớn và khả có năng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy [14]. Tuy có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp vật liệu này và các nhà khoa học cũng đã có nhiều nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của điều kiện công nghệ chế tạo vật liệu đến khả năng quang xúc tác của ZnO/rGO. Tuy nhiên việc khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ thủy nhiệt đến tính chất quang xúc tác của vật liệu ZnO/rGO chưa được nhiều nhà khoa học quan tâm.
Vì vậy, trong luận văn này, nghiên cứu chế tạo vật liệu nano ZnO/rGO bằng phương pháp thủy nhiệt và khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ thủy nhiệt đến hình thái bề mặt, cấu trúc tinh thể và tính chất quang, quang xúc tác của vật liệu nano ZnO/rGO. Mục đích nghiên cứu - Chế tạo được vật liệu nano ZnO/rGO bằng phương pháp thủy nhiệt. - Nghiên cứu tính chất cấu trúc, hình thái của vật liệu nano ZnO/rGO - Nghiên cứu tính chất hấp thụ và tính chất quang của vật liệu ZnO/rGO - Nghiên cứu tính chất quang xúc tác của vật liệu ZnO/rGO 3. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu vật liệu nano ZnO/rGO chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt.
- Nghiên cứu tính chất cấu trúc, huỳnh quang và quang xúc tác của vật liệu nano ZnO/rGO. Phương pháp nghiên cứu - Sử dụng phương pháp thực nghiệm để chế tạo vật liệu nano ZnO/rGO. Đó là phương pháp thủy nhiệt. 3 - Sử dụng các phương pháp như XRD, SEM, Raman, PL, UV-Vis để nghiên cứu và phân tích đặc trưng cấu trúc và tính chất quang của vật liệu nano ZnO/rGO.
- Sử dụng phương pháp quang xúc tác để khảo sát và đánh giá sự phân hủy methylene blue thông qua phổ hấp thụ UV-Vis dưới tác dụng của ánh sáng nhìn thấy. Đối tượng nghiên cứu Vật liệu nano ZnO/rGO - Phương pháp thủy nhiệt để chế tạo vật liệu nano ZnO/rGO. - Chất ô nhiễm môi trường methylene blue. - Các phương pháp phân tích sự phân hủy quang xúc tác Methylene blue dưới ánh sáng nhìn thấy.
- Các thiết bị phân tích tính chất vật liệu như SEM, XRD, PL, UV-Vis, … 6. Nội dung nghiên cứu - Xây dựng quy trình chế tạo vật liệu nano ZnO/rGO bằng phương pháp thủy nhiệt. - Khảo sát cấu trúc tinh thể, hình thái của vật liệu ZnO/rGO - Khảo sát tính chất hấp thụ và huỳnh quang của vật liệu nano ZnO/rGO - Khảo sát tính chất quang xúc tác của vật liệu nano ZnO/rGO. Cấu trúc tinh thể của ZnO/rGO Vật liệu ZnO thuộc họ vật liệu A2B6 với độ rộng vùng cấm thẳng và có cấu trúc phổ biến là cấu trúc lục giác wurtzite (Haxagonal Wurtzite).
Khi vật liệu được tổng hợp trên đế có cấu trúc lập phương chúng có thể tồn tại ở dạng cấu trúc lập phương giả kẽm Zinc Blend [31], hoặc lập phương đơn giản [32]. Kẽm oxit là một loại vật liệu phổ biến, được ứng dụng trong rất nhiều các lĩnh vực của công nghiệp và đời sống. Ứng dụng chính của ZnO là được sử dụng trong ngành cao su. Khoảng 50% ZnO được dùng trong ngành này.
Oxit kẽm cùng với axit stearic kích hoạt lưu hóa, là thành phần trong sản xuất thương mại hàng hóa cao su, là chất phụ gia quan trọng của cao su dùng trong lốp xe. Chất lưu hóa có nguồn gốc từ kẽm oxit được cải thiện đáng kể tính dẫn nhiệt. ZnO phụ gia cũng bảo vệ cao su từ nấm và ánh sáng UV. Trong y tế, được dùng để sản xuất calamin dùng để dưỡng da và dùng điều trị trong nha khoa.
ZnO dùng để sản xuất thuốc mỡ khử trùng, kem bôi, kem dưỡng da, kem chống nắng bảo vệ da khỏi các tác hại của tia cực tím trong ánh nắng mặt trời với ưu điểm nổi bật là không gây hại da, không gây mụn. Ngoài ra còn dùng trong phấn em bé chống phát ban khi trẻ em mang tả, dùng trong dầu gội trị gàu, trị nấm da đầu, trong thể thao dùng thuốc bào chế từ ZnO để thoa lên các mô mềm nhằm hạn chế tổn thương khi tập luyện. Trong thực phẩm, kẽm oxit được thêm vào nhiều sản phẩm thực phẩm, bao gồm ngũ cốc ăn sáng, sữa như là một nguồn kẽm, cung cấp chất dinh dưỡng. Bên cạnh đó, với đặc tính khử mùi và kháng khuẩn cao nên thường được thêm vào vải bông, cao su, bao bì thực phẩm để bảo vệ sản phẩm.
Trong công nghiệp bê tông, oxit kẽm được sử dụng rộng rãi cho sản xuất bê tông. Bổ sung oxit kẽm cải thiện thời gian xử lý và sức đề kháng của bê tông 5 chống lại nước. Sơn có chứa bột oxit kẽm từ lâu đã được sử dụng làm lớp phủ chống ăn mòn kim loại. Oxit kẽm được sử dụng như một chất màu, dùng phủ lên giấy hay dùng làm chất độn trong sơn để chống ăn mòn kim loại.
Oxit kẽm còn là một thành phần của bộ lọc thuốc lá để loại bỏ các thành phần được lựa chọn từ khói thuốc lá. Một bộ lọc bao gồm than đã ngâm tẩm với oxit kẽm và oxit sắt loại bỏ một lượng đáng kể của HCN và H2S từ khói thuốc lá mà không ảnh hưởng đến hương vị của nó. Ngoài ra kẽm oxit còn được ứng dụng trong điện tử, thức ăn chăn nuôi, thủy sản và đặc biệt ngày nay nó đang rất phát triển trong vai trò là vật liệu xúc tác quang. Ứng dụng của Graphene a) Graphene- Transistor hiệu ứng trường Khi mà công nghệ mạch tích hợp trên nền tảng silic đang dần đi tới giới hạn theo định luật Moore.
Vì vậy để nâng cao tốc độ xử lý của các thiết bị đòi hỏi các nhà khoa học và các nhà phát triển công nghệ phải tìm ra được một loại vật liệu mới để có thể thay thế được silic. Kể từ khi được tìm ra vào năm 2004 vật liệu graphene đã thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới. Với độ dẫn điện cao, bền cơ học và giá thành rẻ graphene đang được nghiên cứu nhiều để ứng dụng trong ngành công nghiệp điện tử. Đặc biệt là chế tạo ra các transistor hiệu ứng trường (FET).
Graphene FET được chế tạo có kích thước na no và tần số đóng cắt ( ~ THz) vượt trội so với MOSFET silicon tốt nhất hiện nay. Đặc biệt các FET hiệu ứng trường được chế tạo từ chất liệu graphene cho thấy các electron có khả năng di chuyển mà không bị tán xạ từ điện cực nguồn đến điện cực máng ở nhiệt độ phòng. Màng dẫn điện trong suốt 6 Nhờ vào cấu trúc điện tử khác thường nên graphene có khả năng dẫn điện tốt với mức độ truyền qua cao, và vật liệu này đã được sử dụng làm điện cực trong suốt thay thế cho ITO, một bộ phận thiết yếu trong các thiết bị như: màn hình cảm ứng, màn hình tinh thể lỏng, tế bào quang điện, pin mặt trời hữu cơ. Ngoài những yêu cầu về tính dẫn điện và độ truyền qua cao, các điện cực oxide kim loại trong màn hình tinh thể lỏng và các thiết bị quang học còn cần phải có độ bền hóa học cao, nhằm để hạn chế sự khuếch tán của oxi và các 18 ion kim loại vào trong các lớp vật liệu khác.
Bởi vì sự khuếch tán của oxi vào trong các lớp điện môi có thể gây ra hiện tượng oxi hóa, điều này sẽ dẫn đến việc đánh thủng điện môi chỉ với điện thế thấp, hoặc trong màn hình tinh thể lỏng khi các ion kim loại khuếch tán vào trong các lớp hiệu chỉnh sẽ tạo nên các bẩy điện tích tạo nên điện trường trên màn hình ( điều này sẽ dẫn đến hiện tượng lưu ảnh (hay con gọi là hiện tượng bóng ma) trên màn hình. Các vấn đề này sẽ được khắc phục khi sử dụng graphene làm điện cực vì graphene được tạo thành từ các nguyên tử carbon nên là vật liệu có độ bền hóa học cao. Đặc biệt hơn, graphene còn có độ bền cơ học và tính dẻo vượt trội so với ITO nên nó còn được tiếp tục nghiên cứu để chế tạo các màn hình có khả năng uốn dẻo. Trong những năm gần đây, các hợp chất graphene đã được nghiên cứu để loại bỏ các chất gây ô nhiễm từ nước.
Graphene-oxit (GO) and Reduced graphene- oxit (RGO) có những tính chất phù hợp cho việc xử lý nước.