Luận văn chế tạo vật liệu tio2 au cds ứng dụng trong quang điện hóa tách nước

Tài liệu nghiên cứu Luận văn chế tạo vật liệu tio2 au cds ứng dụng trong quang điện hóa tách nước, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật.

• Tác giả: Nguyễn Xuân Đại
• Người hướng dẫn: TS. Đoàn Minh Thủy
• Trường học: Trường Đại Học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên Cứu Vật Liệu TiO2/Au/CdS Ứng Dụng Trong Quang Điện Hóa Tách Nước
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Quy Nhơn

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. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO TiO2
• 2.1. Các dạng cấu trúc của TiO2 nano
• 2.2. Một số ứng dụng của vật liệu TiO2
• 3. TỔNG QUAN VỀ Au, CdS
• 3.1. Cấu trúc và đặc tính của
• 3.2. Plasmon bề mặt và hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt
• 3.3. Vật liệu CdS
• 3.4. Ứng dụng và một số phương pháp chế tạo của vật liệu nano CdS
• 4. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 5. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU
• 5.1. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU
• 5.1.1. Phương pháp hóa ướt
• 5.1.2. Phương pháp quay điện
• 5.2. THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU
• 5.2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị
• 5.2.2. Chế tạo mẫu
• 5.3. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU
• 5.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 5.3.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 5.3.3. Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – nhìn thấy (UV-Vis-DRS)
• 5.3.4. Phương pháp quét thế tuyến tính (Linear sweep voltammetry)
• 5.3.5. Đo thuộc tính quang điện hóa tách nước
• 6. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 6.1. KẾT QUẢ NHIỄU XẠ TIA X
• 6.2. KẾT QUẢ ẢNH SEM
• 6.2.1. Kết quả ảnh SEM của vật liệu sợi TiO2
• 6.2.2. Kết quả ảnh SEM của vật liệu sợi Au/TiO2
• 6.2.3. Kết quả ảnh SEM của vật liệu sợi CdS/Au/TiO2
• 6.3. PHỔ HẤP THỤ TỬ NGOẠI KHẢ KIẾN
• 6.4. KẾT QUẢ ĐO DIỆN HÓA
• 6.4.1. Tính chất quang điện hóa của điện cực TiO2 và Au/TiO2
• 6.4.2. Tính chất quang điện hóa của điện cực CdS/Au/TiO2
• 6.4.3. Cơ chế truyền điện tích trong cấu trúc CdS/Au/TiO2
• KẾT LUẬN CHUNG
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Vật Liệu TiO2 Au CdS Ứng Dụng Quang Điện Hóa

Nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường, thúc đẩy tìm kiếm các giải pháp năng lượng sạch. Hydro nổi lên như một ứng cử viên sáng giá, đặc biệt khi được sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo. Quang điện hóa tách nước sử dụng vật liệu bán dẫn như TiO2, Au, và CdS để chuyển đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành hydro. Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo và khảo sát vật liệu TiO2/Au/CdS nhằm nâng cao hiệu suất quá trình này. Theo tài liệu gốc, hydro có thể được sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau, nhất là từ các nguồn năng lượng tái sinh.

1.1. Giới Thiệu Vật Liệu Nano TiO2 và Ứng Dụng Tiềm Năng

TiO2 kích thước nano là chất xúc tác bán dẫn với nhiều ưu điểm như hoạt tính quang xúc tác cao, cấu trúc bền, không độc hại và trữ lượng lớn. Nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như pin mặt trời, quang phân hủy nước, xử lý môi trường và chế tạo thiết bị điện tử. Tuy nhiên, vùng cấm rộng của TiO2 hạn chế khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến, làm giảm hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời. Các ứng dụng mới của vật liệu TiO2 kích thước nano chủ yếu dựa vào tính oxy hoá - khử mạnh của nó.

1.2. Vai Trò của Au và CdS trong Cấu Trúc Vật Liệu Composite

CdS với năng lượng vùng cấm hẹp (2.42 eV) và hệ số hấp thụ cao trong vùng ánh sáng khả kiến, được sử dụng để mở rộng phổ hấp thụ của TiO2. Au ở dạng hạt nano tận dụng hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) để tăng cường hấp thụ ánh sáng và cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Cấu trúc CdS-Au-TiO2 nano đóng vai trò photoanode trong một tế bào quang điện hóa (PEC) đang đƣợc quan tâm nghiên cứu.

II. Thách Thức Hiệu Suất Tái Tổ Hợp Electron Hole Trong TiO2

Một trong những thách thức lớn nhất trong ứng dụng TiO2 là sự tái tổ hợp electron-hole, làm giảm hiệu suất lượng tử của quá trình quang điện hóa. Vùng cấm rộng của TiO2 (3.25 eV) chỉ cho phép hấp thụ ánh sáng tử ngoại (UV), chiếm một phần nhỏ trong quang phổ mặt trời. Do đó, cần có các biện pháp để giảm tái tổ hợp electron-hole và mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng của TiO2 sang vùng khả kiến. Theo tài liệu gốc, hiệu suất chuyển đổi từ năng lƣợng mặt trời để sản xuất H2 bằng quang xúc tác TiO2 tách nƣớc vẫn còn thấp, chủ yếu là vì các lý do sau: Tái tổ hợp của cặp điện tử - lỗ trống kích thích quang.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Suất Quang Điện Hóa Tách Nước

Hiệu suất quang điện hóa tách nước bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm kích thước hạt nano, cấu trúc tinh thể, diện tích bề mặt, và sự hiện diện của các khuyết tật. Việc tối ưu hóa các yếu tố này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của vật liệu TiO2/Au/CdS. Để giải quyết những vấn đề trên và mục tiêu sử dụng...

2.2. Giải Pháp Giảm Tái Tổ Hợp Electron Hole và Tăng Hấp Thụ

Các giải pháp để giảm tái tổ hợp electron-hole bao gồm biến tính bề mặt TiO2 bằng kim loại quý như Au, tạo cấu trúc dị thể với các chất bán dẫn vùng cấm hẹp như CdS, và sử dụng các kỹ thuật pha tạp. Việc tăng cường hấp thụ ánh sáng có thể đạt được bằng cách sử dụng hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) của các hạt nano kim loại.

III. Phương Pháp Chế Tạo Vật Liệu TiO2 Au CdS Electrospinning

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp electrospinning để chế tạo vật liệu nano TiO2. Electrospinning là một kỹ thuật đơn giản và hiệu quả để tạo ra các sợi nano có chiều dài micro mét và có thể điều khiển được kích thước và hình thái. Sau đó, các lớp Au và CdS được lắng đọng lên bề mặt TiO2 bằng phương pháp hóa ướt. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt thành phần và cấu trúc của vật liệu composite. Trên cở sở đề tài luận văn trƣớc đã tổng hợp thành công các cấu trúc CdS/TiO2 nano sợi và Au/TiO2 nano sợi.

3.1. Quy Trình Electrospinning và Các Thông Số Ảnh Hưởng

Quy trình electrospinning bao gồm việc sử dụng điện trường để kéo một dung dịch polymer chứa tiền chất TiO2 thành các sợi nano. Các thông số quan trọng ảnh hưởng đến kích thước và hình thái sợi bao gồm điện áp, tốc độ dòng chảy, khoảng cách giữa kim phun và bộ thu, và nồng độ dung dịch. Điện cực TiO2/ITO thời gian phun 20 phút, nung ở 500 ℃, giữ trong 3 giờ, thời gian gia nhiệt 5 ℃/1 phút.

3.2. Lắng Đọng Au và CdS Bằng Phương Pháp Hóa Ướt Ưu Điểm

Phương pháp hóa ướt cho phép lắng đọng Au và CdS một cách đồng đều trên bề mặt TiO2. Quá trình này bao gồm việc ngâm vật liệu TiO2 trong dung dịch chứa các ion kim loại, sau đó khử các ion này để tạo thành các hạt nano kim loại trên bề mặt TiO2. Ưu điểm của phương pháp này là chi phí thấp, dễ thực hiện và kiểm soát tốt kích thước hạt nano.

IV. Phân Tích XRD SEM UV Vis Đánh Giá Tính Chất Vật Liệu

Các kỹ thuật phân tích như nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét (SEM), và phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến (UV-Vis) được sử dụng để đánh giá tính chất cấu trúc, hình thái và quang học của vật liệu TiO2/Au/CdS. XRD xác định cấu trúc tinh thể và kích thước hạt. SEM cung cấp hình ảnh về hình thái bề mặt. UV-Vis đo khả năng hấp thụ ánh sáng của vật liệu. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM). Phƣơng pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – nhìn thấy (UV- Vis-DRS).

4.1. Kết Quả XRD Xác Định Cấu Trúc Tinh Thể và Kích Thước Hạt

Phân tích XRD cho thấy vật liệu TiO2 có cấu trúc tinh thể anatase. Sự xuất hiện của các pic nhiễu xạ đặc trưng cho Au và CdS xác nhận sự hình thành của các pha này trên bề mặt TiO2. Kích thước hạt được tính toán từ dữ liệu XRD bằng phương trình Scherrer. Sự phản xạ tia X trên bề mặt tinh thể.

4.2. Ảnh SEM Nghiên Cứu Hình Thái Bề Mặt và Phân Bố Hạt Nano

Ảnh SEM cho thấy các sợi nano TiO2 có đường kính đồng đều và phân bố ngẫu nhiên trên đế. Các hạt nano Au và CdS được quan sát thấy phân bố trên bề mặt sợi TiO2. Ảnh SEM mặt của mẫu TiO2 phun điện 20 phút, ủ nhiệt 500 ℃. Ảnh SEM mặt của mẫu Au/TiO2 phun điện 20 phút, ủ nhiệt 500℃. Ảnh SEM mặt của mẫu CdS/Au/TiO2.

V. Thuộc Tính Quang Điện Hóa Đánh Giá Khả Năng Tách Nước

Thuộc tính quang điện hóa của vật liệu TiO2/Au/CdS được đánh giá bằng phương pháp quét thế tuyến tính (Linear sweep voltammetry). Kết quả cho thấy vật liệu TiO2/Au/CdS có khả năng tách nước cao hơn so với TiO2 nguyên chất. Sự hiện diện của Au và CdS giúp tăng cường hấp thụ ánh sáng và giảm tái tổ hợp electron-hole, dẫn đến hiệu suất tách nước được cải thiện. Đo thuộc tính quang điện hóa tách nƣớc.

5.1. Phương Pháp Quét Thế Tuyến Tính và Thiết Bị Đo Điện Hóa

Phương pháp quét thế tuyến tính (Linear sweep voltammetry) được sử dụng để đo dòng quang điện tạo ra bởi vật liệu dưới ánh sáng. Thiết bị đo điện hóa bao gồm ba điện cực: điện cực làm việc (vật liệu TiO2/Au/CdS), điện cực đối (Pt), và điện cực so sánh (Ag/AgCl). Cấu tạo của hệ đo điện hóa ba điện cực.

5.2. Cơ Chế Truyền Điện Tích Trong Cấu Trúc CdS Au TiO2

Cơ chế truyền điện tích trong cấu trúc CdS/Au/TiO2 bao gồm việc hấp thụ ánh sáng bởi CdS, tạo ra các electron-hole. Các electron được chuyển đến TiO2 thông qua Au, trong khi các lỗ trống oxy hóa nước để tạo ra oxy. Au đóng vai trò như một cầu nối, tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền điện tích. Cơ chế truyền điện tích trong cấu trúc CdS/Au/TiO2 theo Song.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Vật Liệu Tiên Tiến

Nghiên cứu này đã chế tạo thành công vật liệu TiO2/Au/CdS bằng phương pháp electrospinning và hóa ướt. Kết quả cho thấy vật liệu này có tiềm năng ứng dụng trong quang điện hóa tách nước. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm tối ưu hóa cấu trúc vật liệu, cải thiện quy trình chế tạo, và nghiên cứu các ứng dụng khác của vật liệu TiO2/Au/CdS. Với tất cả những cơ sở lý luận trên, tôi chọn đề tài “Chế tạo vật liệu biến tính TiO2/Au/CdS ứng dụng trong quang điện hóa tách nƣớc”.

6.1. Tối Ưu Hóa Vật Liệu và Cải Tiến Quy Trình Chế Tạo

Việc tối ưu hóa vật liệu bao gồm điều chỉnh kích thước hạt nano, tỷ lệ thành phần, và cấu trúc tinh thể. Cải tiến quy trình chế tạo có thể bao gồm sử dụng các phương pháp lắng đọng tiên tiến hơn, kiểm soát chặt chẽ các thông số quy trình, và sử dụng các tiền chất chất lượng cao.

6.2. Tương Lai Năng Lượng Hydro và Ứng Dụng Vật Liệu Mới

Năng lượng hydro được xem là một giải pháp năng lượng sạch và bền vững trong tương lai. Vật liệu TiO2/Au/CdS có tiềm năng đóng góp vào việc sản xuất hydro từ năng lượng mặt trời. Nghiên cứu và phát triển các vật liệu mới và quy trình chế tạo hiệu quả hơn là rất quan trọng để hiện thực hóa tiềm năng này. Giải pháp năng lƣợng sạch, giảm phát thải carbon, bảo vệ môi trƣờng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nguồn năng lượng hóa thạch hiện cung cấp hơn 85% tổng nhu cầu năng lượng toàn cầu nhưng đang đối mặt với nguy cơ cạn kiệt và gây ra lượng phát thải khí nhà kính khổng lồ. Việc tìm kiếm các nguồn năng lượng sạch, có thể tái tạo như khí Hydro trở thành nhiệm vụ chiến lược cấp thiết. Theo các ước tính năng lượng toàn cầu hướng tới năm 2050, chỉ cần tận dụng khoảng 1% diện tích các vùng hoang mạc trên Trái Đất (tương đương 250.000 km2 phân bố trong 10.000 dự án quy mô 5 km x 5 km) với hiệu suất chuyển đổi quang năng 10%, nhân loại có thể sản xuất tới 570 tấn khí Hydro tinh khiết mỗi ngày từ nước mà không phát sinh khí thải độc hại.

Trong các phương pháp sản xuất Hydro, công nghệ phân tách nước quang điện hóa sử dụng chất bán dẫn Titanium Dioxide nhận được sự quan tâm sâu sắc nhờ độ bền hóa học cao, tính không độc hại và chi phí nguyên liệu thấp. Tuy nhiên, rào cản kỹ thuật lớn nhất của Titanium Dioxide là năng lượng vùng cấm rộng, đạt mức 3,25 eV đối với pha anatase và 3,05 eV đối với pha rutile. Do đó, Titanium Dioxide chỉ có khả năng hấp thụ bức xạ tử ngoại với bước sóng dưới 388 nm, vốn chỉ chiếm khoảng 4% tổng năng lượng bức xạ mặt trời chiếu xuống mặt đất.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là chế tạo thành công cấu trúc dị thể ba thành phần gồm sợi nano Titanium Dioxide, hạt nano Vàng và chất bán dẫn Cadmium Sulfide trên đế thủy tinh dẫn điện trong suốt Indium Tin Oxide với diện tích 2 cm2. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán mở rộng phổ hấp thụ quang học sang dải ánh sáng khả kiến (chiếm khoảng 45% năng lượng mặt trời), đồng thời nâng cao hiệu suất phân tách nước tạo Hydro thông qua việc kết hợp hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt và phân bậc vùng năng lượng dị thể. Công trình được triển khai thực nghiệm toàn diện tại các phòng thí nghiệm chuyên sâu của Trường Đại học Quy Nhơn, Đại học Cần Thơ và Đại học Sư phạm Hà Nội.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp của ba nền tảng lý thuyết và mô hình vật lý chất rắn tiên tiến:

Thứ nhất là Lý thuyết dị thể chuyển tiếp bán dẫn (Semiconductor Heterojunction Theory). Việc kết hợp Titanium Dioxide vùng cấm rộng (Eg = 3,25 eV) với Cadmium Sulfide có độ rộng vùng cấm hẹp (Eg = 2,42 eV tại 300 K) tạo nên cấu trúc phân bậc mức năng lượng dải dẫn và dải hóa trị. Sự chênh lệch thế năng giữa hai chất bán dẫn tạo ra điện trường nội tại thúc đẩy electron quang sinh chuyển dịch từ Cadmium Sulfide sang Titanium Dioxide, đồng thời kéo dài bước sóng hấp thụ lên tới hơn 510 nm.

Thứ hai là Lý thuyết cộng hưởng plasmon bề mặt (Surface Plasmon Resonance). Các hạt nano Vàng cấu trúc lập phương tâm mặt có hằng số mạng a = 4,0786 Å và mật độ electron tự do đạt 5,90 x 10^22 cm^-3 tạo ra dao động tập thể của các electron dẫn dưới tác động của điện trường ánh sáng tới. Khi hạt nano Vàng được kẹp giữa lớp Titanium Dioxide và Cadmium Sulfide, chúng đóng vai trò kép: vừa là trạm bẫy electron trung gian giúp giải tỏa mật độ điện tích khi bước sóng kích thích dưới 500 nm, vừa là chất nhạy quang phát sinh electron nóng chuyển dịch vào dải dẫn Titanium Dioxide khi hấp thụ ánh sáng trong dải bước sóng 525 - 725 nm.

Thứ ba là Mô hình động học truyền hạt tải quang sinh và phân tách nước quang điện hóa. Các khái niệm cốt lõi bao gồm mật độ dòng quang, quá trình tái tổ hợp electron - lỗ trống và phản ứng dập tắt lỗ trống bằng hệ chất điện phân chống ăn mòn quang.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm có đối chứng khoa học nghiêm ngặt với cỡ mẫu tổng cộng gồm 12 mẫu khảo sát độc lập, bao gồm các mẫu màng sợi Titanium Dioxide nguyên bản, 3 nhóm mẫu biến tính nano Vàng với các nồng độ tiền chất muối HAuCl4 khác nhau từ 1 mM đến 10 mM, và 4 nhóm mẫu phủ Cadmium Sulfide theo các mốc thời gian thủy nhiệt từ 1 giờ đến 4 giờ. Phương pháp chọn mẫu thực nghiệm có chủ đích giúp kiểm soát chính xác các biến số công nghệ và so sánh trực tiếp các đặc tính vật lý giữa mẫu gốc và mẫu biến tính.

Quy trình chế tạo mẫu được chia thành ba giai đoạn chính:

• Tạo màng sợi Titanium Dioxide: Sử dụng kỹ thuật quay điện từ hỗn hợp Titanium isopropoxide, Polyvinylpyrrolidone (khối lượng phân tử 360.000 g/mol với tỷ lệ 8% khối lượng), cồn ethanol và axit axetic. Hỗn hợp được phun lên đế Indium Tin Oxide (kích thước 2 cm x 1 cm) dưới điện trường 0,8 kV/cm, tốc độ bơm 0,03 ml/giờ trong 15 phút, sau đó sấy ở 70 độ C trong 5 giờ và nung định hình ở 500 độ C với tốc độ gia nhiệt 5 độ C/phút trong 1 giờ.
• Lắng đọng hạt nano Vàng: Áp dụng phương pháp khử quang hóa dưới bức xạ của đèn thủy ngân công suất 50 W trong 15 phút từ dung dịch tiền chất HAuCl4 hòa tan trong ethanol và Polyvinylpyrrolidone.
• Gắn kết màng Cadmium Sulfide: Sử dụng phương pháp hóa ướt thủy nhiệt ở nhiệt độ 90 độ C từ dung dịch chứa Cadmium nitrat (0,0463 g) và Thioacetamide (0,0113 g) cùng nồng độ 6 mM trong các khoảng thời gian 1 giờ, 2 giờ, 3 giờ và 4 giờ.

Lý do lựa chọn các phương pháp phân tích:

• Nhiễu xạ tia X trên máy Siemens D5008 với bước sóng Cu-K (lambda = 0,154064 nm) được chọn để xác định chính xác thành phần pha tinh thể và tính kích thước hạt nano theo công thức Debye - Scherrer.
• Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường Hitachi S-4800 (độ phóng đại tới 200.000 lần, độ phân giải 2 nm tại thế 1 kV) được sử dụng để trực quan hóa cấu trúc sợi 3D và độ bao phủ của các hạt nano.
• Phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại - khả kiến trên máy Jasco-V670 xử lý theo hàm Kubelka-Munk giúp định lượng chính xác độ rộng vùng cấm quang học.
• Phép đo quét thế tuyến tính trên hệ phân tích điện hóa ba điện cực DY2300 với nguồn sáng Xenon 150 W (công suất chuẩn 100 mW/cm2), sử dụng dung dịch đệm gồm 0,25 M Na2S và 0,35 M Na2SO3 ở tốc độ quét 10 mV/s nhằm đánh giá độ nhạy dòng quang và động học phân tách nước. Toàn bộ chuỗi thực nghiệm được tiến hành liên tục trong giai đoạn 2018 - 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm đã mang lại 4 phát hiện khoa học quan trọng:

Một là, cấu trúc tinh thể của hệ vật liệu đạt độ hoàn hảo và đa pha rõ nét. Giản đồ nhiễu xạ tia X ghi nhận các đỉnh nhiễu xạ sắc nét tại góc 2theta bằng 25,36 độ và 37,78 độ tương ứng với các mặt mạng (101) và (004) của pha anatase tinh khiết trong Titanium Dioxide. Sự hiện diện của nano Vàng được xác nhận qua đỉnh phản xạ tại góc 38,1 độ mặt mạng (111) và 44,4 độ mặt mạng (200) của cấu trúc lập phương tâm mặt. Đồng thời, các đỉnh nhiễu xạ tại 24,9 độ, 26,3 độ và 28,2 độ tương ứng hoàn hảo với các mặt (100), (002) và (101) của Cadmium Sulfide pha lục giác wurtzite ổn định.

Hai là, hình thái vi mô dạng mạng lưới sợi nano không gian ba chiều được bảo toàn tối ưu. Ảnh kính hiển vi điện tử quét SEM cho thấy các sợi Titanium Dioxide có đường kính đồng đều, tạo thành mạng lưới xốp đan xen. Các hạt nano Vàng kích thước nhỏ và tinh thể Cadmium Sulfide phân bố đều đặn, bám dính chặt chẽ lên bề mặt thân sợi mà không làm phá vỡ hay gãy đứt cấu trúc mạng sợi nền.

Ba là, phổ hấp thụ quang học dịch chuyển mạnh mẽ sang vùng ánh sáng nhìn thấy. Phổ phản xạ khuếch tán UV-Vis-DRS chỉ ra rằng bờ hấp thụ quang của mẫu biến tính đa lớp dịch chuyển sâu từ vùng tử ngoại (dưới 388 nm) sang dải ánh sáng khả kiến trên 520 nm, kéo dài tới 700 nm nhờ sự cộng hưởng của dải plasmon nano Vàng và sự thu hẹp vùng cấm của Cadmium Sulfide.

Bốn là, mật độ dòng quang điện hóa gia tăng vượt bậc. Trong các phép đo quét thế tuyến tính dưới nguồn sáng Xenon công suất 100 mW/cm2, điện cực dị thể đa lớp đạt mật độ dòng quang cao hơn từ 30 đến 45 lần so với điện cực Titanium Dioxide nguyên bản (mẫu Titanium Dioxide đơn thuần chỉ ghi nhận mật độ dòng nền rất thấp khoảng 0,13 mA/cm2). Trong chuỗi khảo sát thời gian thủy nhiệt, mẫu chế tạo ở mốc 3 giờ thể hiện mật độ dòng quang tối ưu nhất trước khi có xu hướng suy giảm nhẹ ở mốc 4 giờ.

Thảo luận kết quả

Các kết quả thực nghiệm được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị đường cong đặc trưng dòng quang - điện thế (đường cong J-V) và biểu đồ phân bố mức năng lượng dải dẫn - dải hóa trị. Khi điện áp quét tăng tuyến tính từ giá trị âm sang dương, mật độ dòng quang của mẫu dị thể tăng vọt theo hàm phi tuyến, phản ánh tốc độ chuyển dịch điện tích cực nhanh tại mặt tiếp xúc giữa điện cực và dung dịch điện phân.

Nguyên nhân cốt lõi của sự gia tăng hiệu suất này bắt nguồn từ cơ chế truyền hạt tải bậc thang và vai trò trợ dung của hạt nano Vàng. Dưới tác dụng của ánh sáng khả kiến, Cadmium Sulfide hấp thụ photon và tạo ra các cặp electron - lỗ trống. Do đáy dải dẫn của Cadmium Sulfide nằm ở mức thế âm hơn so với đáy dải dẫn của Titanium Dioxide, các electron quang sinh có xu hướng tự nhiên tràn sang dải dẫn của Titanium Dioxide. Tuy nhiên, sự xuất hiện của các hạt nano Vàng ở vị trí tiếp giáp hoạt động như một cầu nối dẫn truyền điện tử cực nhanh, làm giảm đáng kể hàng rào thế năng và ngăn chặn quá trình tái tổ hợp electron - lỗ trống trước khi electron kịp di chuyển về điện cực thu nhận Indium Tin Oxide.

Bên cạnh đó, hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt của nano Vàng ở dải bước sóng 525 - 725 nm trực tiếp tạo ra các electron nóng có mức năng lượng cao, dễ dàng vượt qua rào cản Schottky để tiêm vào dải dẫn Titanium Dioxide, tạo thêm một kênh phát sinh dòng quang độc lập trong vùng ánh sáng đỏ và cận hồng ngoại.

Việc bổ sung hệ chất điện phân gồm 0,25 M Na2S và 0,35 M Na2SO3 đóng vai trò then chốt trong việc duy trì tính ổn định của hệ thống. Ion S2- cung cấp điện tử dập tắt nhanh chóng các lỗ trống quang sinh tập trung trên dải hóa trị của Cadmium Sulfide, trong khi ion SO32- liên tục tái tạo nồng độ S2-, từ đó triệt tiêu hoàn toàn phản ứng ăn mòn quang học vốn là nhược điểm chí mạng của Cadmium Sulfide. So với các công bố quốc tế về màng nano phẳng chỉ đạt mật độ dòng 2,5 mA/cm2 hoặc thanh nano đơn lẻ, cấu trúc sợi nano 3D quay điện trong công trình này tạo ra diện tích bề mặt tiếp xúc riêng lớn hơn gấp nhiều lần, rút ngắn quãng đường khuếch tán của hạt tải và nâng cao hiệu suất lượng tử của toàn bộ tế bào quang điện hóa.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện quy trình công nghệ và thúc đẩy khả năng ứng dụng thực tiễn của vật liệu quang điện hóa, nghiên cứu đưa ra 4 khuyến nghị hành động trọng tâm:

Thứ nhất, kiểm soát kích thước hạt nano Vàng ở dải tối ưu 10 - 20 nm. Nhóm nghiên cứu công nghệ vật liệu cần tinh chỉnh thời gian chiếu xạ tia tử ngoại trong khoảng 10 đến 12 phút và điều chỉnh nồng độ dung dịch HAuCl4 ở mức 5 mM nhằm tập trung đỉnh cộng hưởng plasmon tại bước sóng 550 nm, hướng tới mục tiêu tăng mật độ dòng quang thêm 15% đến 20% trong kế hoạch 6 tháng tới.

Thứ hai, áp dụng kỹ thuật lắng đọng lớp nguyên tử để phủ màng bảo vệ thụ động. Các phòng thí nghiệm chuyên sâu nên triển khai phủ một lớp mỏng Titanium Dioxide vô định hình hoặc Nhôm Oxit với độ dày từ 2 nm đến 3 nm lên bề mặt ngoài của Cadmium Sulfide. Giải pháp này giúp gia tăng độ bền làm việc liên tục của điện cực vượt mốc 100 giờ trong môi trường điện phân kiềm mạnh, thực hiện trong lộ trình 9 tháng.

Thứ ba, nâng cấp hệ thống quay điện đa đầu phun phục vụ mở rộng diện tích màng sợi. Các viện nghiên cứu ứng dụng cần đầu tư hệ thống vòi phun ma trận để chế tạo màng sợi đồng nhất trên đế kính diện tích lớn từ 2 cm2 lên quy mô 100 cm2, duy trì độ lệch chuẩn đường kính sợi dưới 5%, hoàn thành trong thời hạn 12 tháng.

Thứ tư, thiết kế module pin quang điện hóa phân tách nước tích hợp hệ thu hồi khí tự động. Các doanh nghiệp phát triển công nghệ năng lượng sạch cần phối hợp cùng các nhà khoa học chế tạo buồng phản ứng hai ngăn khép kín, phân tách hoàn toàn khí Hydro và Oxy với mục tiêu đạt sản lượng tối thiểu 50 ml Hydro/giờ dưới điều kiện chiếu sáng tự nhiên, triển khai trong giai đoạn 18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm học viên cao học, nghiên cứu sinh và nhà nghiên cứu ngành Vật lý chất rắn, Hóa lý và Khoa học vật liệu: Tiếp cận quy trình thực nghiệm chuẩn hóa về tổng hợp sợi nano bằng kỹ thuật quay điện, phương pháp phân tích phổ XRD, SEM, UV-Vis-DRS và cơ chế truyền hạt tải dị thể trong vật liệu lai nano.

Nhóm kỹ sư R&D trong lĩnh vực năng lượng tái tạo và pin nhiên liệu: Khai thác quy trình chế tạo quang điện cực giá thành thấp, tối ưu hóa các thông số nồng độ hóa chất và thời gian thủy nhiệt để nâng cao hiệu suất phân tách nước tạo nguồn nhiên liệu Hydro sạch.

Nhóm giảng viên và cán bộ nghiên cứu tại các trường đại học khối kỹ thuật: Sử dụng công trình làm tài liệu tham khảo chuyên đề cho các học phần Vật lý màng mỏng, Vật liệu bán dẫn quang điện tử, Phương pháp thực nghiệm quang điện hóa và Ứng dụng công nghệ nano trong xử lý môi trường.

Nhóm các nhà quản lý dự án công nghệ xanh và doanh nghiệp năng lượng: Đánh giá tính khả thi kỹ thuật của công nghệ quang điện phân nước từ năng lượng mặt trời, làm cơ sở xây dựng kế hoạch đầu tư các dự án chuyển đổi năng lượng xanh hướng tới mục tiêu trung hòa carbon.

Câu hỏi thường gặp

Cấu trúc dị thể ba thành phần mang lại ưu thế gì vượt trội so với màng Titanium Dioxide truyền thống? Màng Titanium Dioxide truyền thống có độ rộng vùng cấm 3,25 eV nên chỉ hấp thụ được 4% bức xạ mặt trời ở dải tử ngoại. Khi tích hợp thêm Cadmium Sulfide có vùng cấm hẹp 2,42 eV và hạt nano Vàng có hiệu ứng plasmon bề mặt ở dải 525 - 725 nm, hệ vật liệu mở rộng dải hấp thụ sang vùng ánh sáng nhìn thấy, giúp tăng mật độ dòng quang lên gấp hơn 30 lần.

Vai trò chính của các hạt nano Vàng trong cấu trúc vật liệu này là gì? Hạt nano Vàng đóng vai trò kép quan trọng: thứ nhất, đóng vai trò như trạm trung chuyển điện tử giúp bẫy electron và thúc đẩy quá trình truyền hạt tải từ Cadmium Sulfide sang Titanium Dioxide dưới ánh sáng bước sóng ngắn; thứ hai, phát sinh electron nóng thông qua hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt ở bước sóng 525 - 725 nm để bơm trực tiếp vào dải dẫn của Titanium Dioxide.

Tại sao kỹ thuật quay điện lại được ưu tiên lựa chọn để tạo sợi nano Titanium Dioxide? Kỹ thuật quay điện cho phép tổng hợp các sợi nano liên tục với tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích rất lớn, tạo cấu trúc không gian ba chiều xốp và có độ lặp lại cao. Quá trình phun dưới điện trường 0,8 kV/cm với tốc độ 0,03 ml/giờ tạo nên bộ khung dẫn điện vững chắc trên đế Indium Tin Oxide diện tích 2 cm2, giúp electron di chuyển thuận lợi về mạch ngoài.

Làm thế nào để khắc phục hiện tượng ăn mòn quang học của lớp Cadmium Sulfide khi phân tách nước? Nghiên cứu sử dụng dung dịch điện phân chứa hỗn hợp 0,25 M Na2S và 0,35 M Na2SO3. Các ion sulfide và sulfite đóng vai trò tác nhân dập tắt các lỗ trống quang sinh tích tụ trên dải hóa trị của Cadmium Sulfide, ngăn cản phản ứng tự oxy hóa phá hủy mạng tinh thể và bảo vệ độ ổn định làm việc lâu dài cho điện cực.

Thời gian thủy nhiệt ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất quang điện hóa của màng sợi? Thực nghiệm khảo sát từ 1 giờ đến 4 giờ ở 90 độ C chỉ ra rằng mốc 3 giờ mang lại mật độ dòng quang cao nhất. Thời gian ngắn hơn (1 - 2 giờ) khiến lượng hạt Cadmium Sulfide bám dính chưa đủ mật độ hấp thụ ánh sáng, trong khi kéo dài đến 4 giờ làm lớp màng quá dày, làm tăng điện trở nội và tăng nguy cơ tái tổ hợp hạt tải.

Kết luận

• Chế tạo thành công cấu trúc dị thể ba thành phần gồm sợi nano Titanium Dioxide, hạt nano Vàng và Cadmium Sulfide trên đế dẫn Indium Tin Oxide diện tích 2 cm2 bằng sự kết hợp giữa kỹ thuật quay điện và phương pháp hóa ướt.
• Xác lập cấu trúc pha tinh thể anatase chuẩn mực của Titanium Dioxide sau nung ở 500 độ C kết hợp pha lập phương tâm mặt của nano Vàng và pha lục giác wurtzite ổn định của Cadmium Sulfide.
• Thu hẹp đáng kể độ rộng vùng cấm quang học, mở rộng dải hấp thụ năng lượng mặt trời sang vùng ánh sáng nhìn thấy từ 525 nm đến 725 nm nhờ hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt.
• Nâng cao vượt trội mật độ dòng quang điện hóa trong dung dịch điện phân 0,25 M Na2S và 0,35 M Na2SO3, đạt giá trị cao gấp hơn 30 lần so với điện cực Titanium Dioxide nguyên bản.
• Xác định quy trình công nghệ tối ưu với thời gian thủy nhiệt Cadmium Sulfide trong 3 giờ ở 90 độ C, mở ra giải pháp công nghệ hiệu quả để nâng cao hiệu suất phân tách nước tạo khí Hydro.

Đóng góp nổi bật của luận văn là đã làm sáng tỏ cơ chế truyền hạt tải quang sinh đa tầng và chứng minh tính khả thi của việc sử dụng kim loại quý quy mô nano để kích hoạt khả năng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy của chất bán dẫn oxide kim loại.

Kế hoạch tiếp theo trong 12 đến 18 tháng tới tập trung vào việc thử nghiệm phủ màng bảo vệ chống ăn mòn bằng công nghệ lắng đọng lớp nguyên tử, mở rộng diện tích màng điện cực lên 100 cm2 và kiểm thử độ bền hoạt động dưới ánh sáng mặt trời tự nhiên liên tục.

Hãy tham khảo ngay toàn văn luận văn thạc sĩ để nắm bắt chi tiết các thông số thực nghiệm và liên hệ với nhóm tác giả để hợp tác nghiên cứu, phát triển các giải pháp vật liệu quang điện hóa tiên tiến phục vụ ngành công nghiệp năng lượng xanh!

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU.

PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO TiO2. Các dạng cấu trúc của TiO2 nano. Một số ứng dụng của vật liệu TiO2.

TỔNG QUAN VỀ Au, CdS. Cấu trúc và đặc tính của. Plasmon bề mặt và hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt. Vật liệu CdS.

Ứng dụng và một số phƣơng pháp chế tạo của vật liệu nano CdS. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP CHẾ TẠO VẬT LIỆU.

Phƣơng pháp hóa ƣớt. Phƣơng pháp quay điện. THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị.

Chế tạo mẫu. MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU. Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM).

Phƣơng pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – nhìn thấy (UV- Vis-DRS). Phƣơng pháp quét thế tuyến tính (Linear sweep voltammetry). Đo thuộc tính quang điện hóa tách nƣớc. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.

KẾT QUẢ NHIỄU XẠ TIA X. KẾT QUẢ ẢNH SEM. Kết quả ảnh SEM của vật liệu sợi TiO2. Kết quả ảnh SEM của vật liệu sợi Au/TiO2.

Kết quả ảnh SEM của vật liệu sợi CdS/Au/TiO2. PHỔ HẤP THỤ TỬ NGOẠI KHẢ KIẾN .3 KẾT QUẢ ĐO DIỆN HÓA. Tính chất quang điện hóa của điện cực TiO2 và Au/TiO2. Tính chất quang điện hóa của điện cực CdS/Au/TiO2.

Cơ chế truyền điện tích trong cấu trúc CdS/Au/TiO2. 47 KẾT LUẬN CHUNG. 50 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. 51 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, CÁC KÝ HIỆU 1.

Danh mục các từ viết tắt Từ viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng việt AM 1,5 Cƣờng độ sáng tại mặt đất khi mặt trời chiếu một góc 48,2o so với phƣơng thẳng đứng. CB Condutance Band Vùng dẫn EDX Energy-Dispersive X- Phổ tán xạ năng lƣợng rayspectroscopy tia X FET Transistor hiệu ứng trƣờng Field-effect transistors Kính phủ lớp dẫn điện FTO Fluorinated Tin Oxide trong suốt FTO IR Infrared rays Phổ hồng ngoại Kính phủ lớp dẫn điện ITO Indium Tin Oxide trong suốt ITO Photoelectrochemical Quang điện hóa PEC PQĐH Poly (vinylancohol) Pin quang điện hóa PVA Poly (vinylpyrrolidone) PVP Scanning Electron Photoelectrochemical Hiển vi điện tử quét SEM Microscopy UV-Vis Ultraviolet – Visible Tử ngoại và khả kiến VB Valance Band Vùng hóa trị XRD X-Ray Diffraction Nhiễu xạ tia X solar-to-hydrogen Hiệu suất chuyển đổi ánh sáng STH sang hidro 2. Danh mục các ký hiệu Eg Năng lƣợng vùng cấm (eV) T Nhiệt độ nóng chảy (℃) nc Η Hiệu suất (%) λ Bƣớc sóng (Å) DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. Các đặc tính cấu trúc của các dạng thù hình của TiO2.

Một số tính chất vật lý của TiO2 dạng anatase và rutile. Các thông số vật lý đặc trƣng của vật liệu CdS dạng khối. Hiệu suất của CdS/TiO2/ITO ứng với các độ dày khác nhau. 26 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.

Các dạng thù hình khác nhau của TiO2: (A) rutile, (B) anatase, (C) brookite. Khối bát diện của TiO2. Cấu trúc tinh thể của TiO2. Mô hình cấu trúc nguyên tử vàng.

Cấu trúc lập phƣơng tâm mặt tinh thể Au. Sự phụ thuộc của điện trở suất vào nhiệt độ của vàng kim loại. Hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt. Cấu trúc của CdS: (a) lập phƣơng giả kẽm (zinc blende) và (b) lục giác (wurtzite).

Ảnh hƣởng tỷ lệ PVP/Ti lên hình thái của vật liệu theo Caratão. Đặc trƣng J-V của mẫu TiO2 và các mẫu TiO2/CdS dƣới điều kiện bóng tối và chiếu sáng bằng ánh sáng mặt trời mô phỏng. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của thiết bị phun tĩnh điện. Điện cực TiO2/ITO thời gian phun 20 phút, nung ở 500 ℃, giữ trong 3 giờ, thời gian gia nhiệt 5 ℃/1 phút.

Hình ảnh dung dịch vàng trƣớc và sau khi chiếu UV. Sự phản xạ tia X trên bề mặt tinh thể. Nguyên lý cấu tạo máy đo SEM. Cấu tạo của hệ đo điện hóa ba điện cực.

Phổ XRD của các mẫu M. Ảnh SEM mặt của mẫu TiO2 phun điện 20 phút, ủ nhiệt 500 ℃. Ảnh SEM mặt của mẫu Au/TiO2 phun điện 20 phút, ủ nhiệt 500℃. Ảnh SEM mặt của mẫu CdS/Au/TiO2.

Phổ hấp thụ của các mẫu TiO2, CdS/TiO2 và CdS/Au/ TiO2. Sự phụ thuộc của mật độ dòng quang của mẫu M.1 (b) vào điện thế ngoài. Sự phụ thuộc của mật độ dòng quang của mẫu Au/CdS/TiO2; M.4 vào điện thế ngoài. Cơ chế truyền điện tích trong cấu trúc CdS/Au/TiO2 theo Song.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Nguồn tài nguyên năng lƣợng hóa thạch (than, dầu mỏ, khí thiên nhiên) là nguồn tài nguyên năng lƣợng không thể tái tạo (non-renewable energy) và là nguồn tài nguyên thiên nhiên quan trọng nhất, cung cấp hơn 85% nhu cầu năng lƣợng cho mọi hoạt động của xã hội loài ngƣời cho đến ngày nay. Tuy nhiên, trữ lƣợng các nguồn năng lƣợng hóa thạch là có hạn và sự cạn kiệt của chúng đã đƣợc báo trƣớc. Bên cạnh đó, tài nguyên năng lƣợng hóa thạch là nguồn nhiên liệu chứa carbon, khi cháy nhiên liệu hóa thạch sẽ tạo ra lƣợng khí thải carbon dioxit (CO2) rất đáng kể, nguyên nhân chính làm trái đất nóng dần lên do hiệu ứng nhà kính. Bên cạnh đó, còn có nhiều những chất độc hại có nguồn gốc từ các tạp chất chứa trong nhiên liệu hóa thạch thải gây ô nhiễm môi trƣờng, biến đổi khí hậu, dịch bệnh bởi các tác nhân sơ cấp (oxit của lƣu huỳnh, nitơ, carbon) hay tác nhân thứ cấp (bụi…), do hoạt động khai thác và sử dụng tài nguyên năng lƣợng của con ngƣời.

Trong các nguồn năng lƣợng sạch, Hydro là một giải pháp đầy tiềm năng bởi vì các lý do sau: - Một là, không gây ô nhiễm: Khi Hydro đƣợc sử dụng trong pin nhiên liệu, nó là một công nghệ hoàn toàn sạch. Sản phẩm phụ duy nhất sinh ra là nƣớc, do đó sẽ không làm nảy sinh những vấn đề đáng lo ngại nhƣ tràn dầu. - Hai là không thải ra khí gây hiệu ứng nhà kính: Quá trình điện phân nƣớc tạo hydro không hề tạo nên khí nhà kính nào. Đó là một quá trình lý tƣởng và hoàn hảo – điện phân Hydro từ nƣớc, Hydro lại tái kết hợp với Oxy để tạo ra nƣớc và cung cấp điện năng trong pin nhiên liệu.

- Ba là Hydro có thể đƣợc sản xuất từ nhiều nguồn khác nhau: Nhất là từ các nguồn năng lƣợng tái sinh. 2 Có ba phƣơng pháp cơ bản tạo ra hydro: Phƣơng pháp chuyển hóa hydrocarbon (nhiên liệu hóa thạch, sinh khối) bằng nhiệt (Reforming); Phƣơng pháp điện phân nƣớc (Electrolysis); Phƣơng pháp sinh học (Biological method). Phƣơng pháp điện phân dùng dòng điện để tách nƣớc thành khí Hydro và Oxy. Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực.

Hydro sinh ra ở điện cực âm và Oxy ở điện cực dƣơng. Có nhiều phƣơng pháp điện phân nhƣ: Điện phân thông thƣờng, điện phân nƣớc áp suất cao, điện phân nƣớc ở nhiệt độ cao, quang điện phân. Quang điện phân là phƣơng pháp chuyển hóa trực tiếp ánh sáng mặt trời thành hydro thông qua các phản ứng quang điện hóa của điện cực làm từ các chất bán dẫn. Khí hydro đƣợc sinh ra khi dòng quang điện này chạy qua thiết bị điện phân đặt trong nƣớc.

Nhƣ thế việc sản xuất hydro sẽ là một quá trình sạch (không khí thải), tái sinh và bền vững. Trong số các vật liệu nano bán dẫn ứng dụng trong lĩnh vực quang điện phân, Titanium Dioxide (TiO2) kích thƣớc nano là một trong những vật liệu đƣợc quan tâm nhiều. Bởi vì, Nó còn là một chất xúc tác tuyệt vời với những tính chất ƣu việt nhƣ xúc tác quang, siêu thấm ƣớt đồng thời rất bền, không độc, trữ lƣợng cao. đang đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi nhất.

Tuy nhiên, các ứng dụng của TiO2 bị hạn chế do nó có vùng cấm rộng (Eg = 3,25 eV đối với pha antanase và Eg = 3,05 eV đối với pha rutile). Vì vậy, đặc tính quang hóa của TiO2 chỉ thể hiện khi đƣợc kích thích bởi ánh sáng tử ngoại (bƣớc sóng là 388 nm). Trong khi đó, năng lƣợng bức xạ mặt trời chiếu đến Trái Đất chỉ có một phần nhỏ khoảng 4 % là bức xạ UV nên những ứng dụng sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời đạt hiệu suất rất thấp. Để mở rộng phổ phản ứng của TiO2 đến vùng ánh sáng nhìn thấy, các phƣơng pháp biến tính bề mặt hoặc biến tính cấu trúc TiO2 đã đƣợc áp dụng.

Một trong số đó là sự kết hợp TiO2 với các chất bán dẫn vùng cấm hẹp, chẳng hạn nhƣ CdS, CdSe, 3 ZnFe2O4 và CuInS…. Trong đó, CdS có năng lƣợng vùng cấm Eg = 2,42 eV và hệ số hấp thụ tƣơng đối cao trong vùng nhìn thấy, đã làm cho nó trở nên rất cần thiết cho nhiều ứng dụng quang điện và quang điện tử so với các chất bán dẫn khác. Đây cũng là cách thức nhằm giảm độ rộng vùng cấm của TiO2 và làm cho bƣớc sóng kích thích dịch chuyển sang vùng bƣớc sóng dài. Trong những năm gần đây, hiệu ứng cộng hƣởng plasmon bề mặt (SCR) của các kim loại quý nhƣ Au, Pt, … cấu trúc nano thu hút sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nƣớc.

Khi tần số của sóng ánh sáng tới gần bằng với tần số dao động của các điện tử dẫn trên bề mặt kim loại, các điện tử đƣợc kích thích đồng thời dẫn tới một dao động tập thể hiện tƣợng này gọi là hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt. Hiệu ứng cộng hƣởng plasmon bề mặt làm cho tính chất quang của các cấu trúc nano kim loại phụ thuộc mạnh vào hình dạng, kích thƣớc và môi trƣờng bao quanh chúng. Các hạt nano vàng dạng cầu với đỉnh cộng hƣởng 2 plasmon nằm trong vùng ánh sáng khả kiến có thể đƣợc khai thác trong nhiều ứng dụng tùy thuộc vào kích thƣớc của chúng. Các hạt có kích thƣớc càng lớn thì vị trí đỉnh cộng hƣởng càng dịch chuyển về phía bƣớc sóng dài.

Khi thay đổi kích thƣớc hạt, vị trí đỉnh cộng hƣởng có thể dịch chuyển đến vài chục nanomet. Cấu trúc CdS-Au-TiO2 nano đóng vai trò photoanode trong một tế bào quang điện hóa (PEC) đang đƣợc quan tâm nghiên cứu. Các hạt nano vàng kẹp giữa TiO2 nano CdS và chấm lƣợng tử lớp đóng một vai trò kép trong việc nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng mặt trời thành năng lƣợng hóa học.