Nghiên cứu khả năng quang xúc tác của vật liệu ZnO nanorods dưới ánh sáng mặt trời.pdf

NTTU-NCKH-05 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TỎNG KÉT ĐÈ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN Bộ - GIẢNG VIÊN 2017 -2018 Tên đề tài: Nghiên cứu khả quang xúc tác Vật liệu ZnO nanorods ánh sáng mặt trời Số hợp đồng: 2017.01.15/HĐ-KHCN Chủ nhiệm đề tài: ThS Đinh Thị Thanh Tâm Đơn vị công tác: Viện Kỳ Thuật Công Nghệ Cao NTT Thời gian thực hiện: 12 tháng TP Hồ Chí Minh, ngày 10 thảng 12 năm 2017 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Nguyễn Tất Thành BÁO CÁO TÔNG KÉT ĐÈ TÀI NCKH DÀNH CHO CÁN Bộ - GIẢNG VIÊN 2017 -2018 Tên đề tài: Nghiên cứu khả quang xúc tác Vật liệu ZnO nanorods duới ánh sáng mặt trời Số hợp đồng : 2017.01.15/HĐ-KHCN Chủ nhiệm đề tài: ThS Đinh Thị Thanh Tâm Đơn vị công tác: Viện Kỳ Thuật Công Nghệ Cao NTT Thời gian thực hiện: 12 tháng Các thành viên phối họp cộng tác: STT Họ tên Chuyên ngành Cơ quan cơng tác ThS Trần Văn Thuận Hóa Học Viện Kỳ Thuật CNC NTT ThS Nguyễn Hữu Vinh Vật Liệu Viện Kỳ Thuật CNC NTT Ký tên MỤC LỤC MỤC LỤC i PHỤ LỤC 1: DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU,CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii PHỤ LỤC 2: DANH MỤC CÁC BANG BIÊU,sơ Đồ, HÌNH ẢNH iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iv DANH MỤC CÁC BẢNG .V MỞ ĐẦU (ABSTRACT) CHƯƠNG 1: TỐNG QUAN VÈ VẬT LIỆU ZnO NANORODS 1.1 Cấu trúc tinh thể 1.2 Cấu trúc vùng luợng Znơ 1.3 Tính chất ứng dụng cấu trúc nano ZnO nanorods CHƯƠNG NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN cứu 2.1 Nội dung nghiên cứu 2.1.1 Khảo sát thay đổi cấu trúc nồng độ sai hỏng cùa vật liệu ZnO nanorods theo nhiệt độ xử lý sau chế tạo 2.1.2 Đánh giá khả quang xúc tác vật liệu ánh sáng giả mặt trời phịng thí nghiệm 10 2.2 Phương pháp nghiên cứu 12 2.2.1 Phương pháp bố trí thí nghiệm 12 2.2.2 Chuẩn bị hóa chất, thiết bị dụng cụ 12 2.2.3 Phương pháp chế tạo - phương pháp điện hóa 14 2.2.4 Quy trình đánh giá khả quang xúc tác ZnO nanorods 17 2.2.5 Các phương pháp phân tích mầu 18 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25 3.1 Chế tạo ZnO nanorods khảo sát thay đồi nồng độ sai hỏng vật liệu ZnO nanorods cấu trúc theo nhiệt độ xử lý sau chế tạo 25 3.2 Đánh giá khả quang xúc tác vật liệu duới ánh sáng giả mặt trời phịng thí nghiệm .30 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 35 KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 11 PHỤ LỤC 1: DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DC: Direct current, dòng điện chiều ƯV: Ultra-violet, ánh sáng cực tím Vis: Visible, ánh sáng nhìn thấy XRD: X-ray diffraction, nhiều xạ tia X PL: Phổ quang phát quang MB: Methylene Blue (C16H18C1N3S.3H2O = 373,5) AT: Axit terephthalic AZO: ZnO pha tạp Al ZnO nanorods: cấu trúc ZnO chiều iii PHỤ LỤC 2: DANH MỤC CÁC BẢNG BIÉƯ, sơ ĐỊ, HÌNH ẢNH DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các loại cấu trúc tinh thể ZnO Hình 1.2 Mạng tinh thể cấu trúc hexagonal wurtzite ZnO Hình 1.3 Cấu trúc vùng luợng ZnO Hình 1.4 Một số dạng hình học ZnO (a) dây nano, (b) dạng lò xo, (c) dạng kim, (d) dạng tetrapods, (e) sợi nano, (f) ống nano [44] Hình 2.1 Biểu đồ dịch chuyển xạ ZnO nanorods: (a) thể mức dịch chuyến có lượng độ rộng vùng cấm, (b) tái hợp exciton, (c) mức donor dịch chuyển tới hóa trị, (d) vùng dần tới mức aceptor, (e) tái hợp donor aceptor Hình 2.2 Pho phát quang (PL) hấp thu ZnO nanorods [43] Hình 2.3 Pho XPS ZnO nanorods theo nhiệt độ nung thay đối [43] Hình 2.4 Cơ chế quang xúc tác ZnO 10 Hình 2.5 Biểu đồ ơxy hóa-khử ôxyt bán dần 11 Hình 2.6 Đèn uv 13 Hình 2.7 Lị sấy 13 Hình 2.8 Cân sartorious TE 214S 13 Hình 2.9 Máy khuấy từ 13 Hình 2.11 Dụng cụ hóa chất thí nghiệm 13 Hình 2.12 Sơ đồ hệ điện hóa 15 Hình 2.13 Q trình chuyển có hướng ion dương kim loại có dịng điện đế trở thành nguyên tử trung hòa kim loại mạ vào cathode 16 Hình 2.14 Sơ đồ khối hệ đo truyền qua 19 Hình 2.15 Máy chụp phổ ƯV - Vis 19 Hình 2.16 Sơ đồ cấu tạo cùa SEM 20 Hình 2.17.Giản đồ XRD TĨO2 có peak A(001) dùng để xác định 23 cấu trúc màng 23 IV Hình 2.18 Giản đồ chế quang phát quang vật liệu bán dần 24 Hình 3.1 (a)Hình SEM bề mặt; (b) mặt cắt ngang (c) cấu trúc tinh the cùa ZnO nanorods 26 Hình 3.2 Phổ phát quang (PL) ZnO nanorods theo nhiệt độ nung thay đổi 100 °C -500 °C 27 Hình 3.3 Biểu đồ diện tích vùng phát quang Vis (À= 500 nm - 800 nm) từ phổ PL hình 3.2 ZnO nanorods theo nhiệt độ nung thay đổi 100 °C - 500 °C 27 Hình 3.4 Biểu đồ diện tích vùng phát quang uv (1= 355 nm - 415 nm) từ phổ PL hình 3.2 ZnO nanorods theo nhiệt độ nung thay đổi 100 °C - 500 °C 27 Hình 3.5 Giản đồ mơ tả cấu trúc tinh the sai hỏng ZnO nanorods 28 Hình 3.6 Pho phát quang axit 2-hydrôxyl terephthalic sinh sau 90 phút chiếu ánh sáng ƯV-Vis ZnO nanorods 31 Hình 3.7 Giản đồ the thay đối C/Co dung dich MB theo thời gian chiếu ánh sáng UV-Vis ZnO nanorods 31 Hình 3.9 Giản đồ the thay đổi C/Co dung dich MB theo thời gian chiếu sáng chiếu ánh sáng ưv UV-Vis ZnO nanorods 32 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một số thông số ZnO đơn tinh thể V TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN củư Sán phẩn đăng ký thuyết minh Sản phẩm thực đạt Bảng phân tích đánh giả khả quang Bảng phân tích đánh giả khả quang xúc tác vật liệu ZnO nanorods xúc tác cùa vật liệu ZnO Bài báo khoa học hội nghị Vật lý chất Bài báo báo cáo khoa học rắn khoa học vật liệu toàn quốc lần X Thời gian đăng ký : từ ngày 01/2017 đến ngày 12/2017 Thòi gian nộp báo cáo: VI MỞ ĐẦU (ABSTRACT) Nhu cầu lượng trở thành vấn đề quan trọng hàng đầu giới Với gia tăng dân số phát triến công nghiệp nhu cầu sử dụng lượng toàn giới ngày tăng với cạn kiệt dần lượng hóa thạch lượng mặt trời the giới quan tâm, nghiên cứu Vật liệu ZnO có cấu trúc khơng gian chiều (1D) nhà khoa học giới Việt Nam đặc biệt quan tâm, với cấu trúc 1D có nhiều ứng dụng rộng rằi khoa học đời sống, ứng dụng PMT, LED, cảm biến khí, cảm biến sinh học, thiết bị phát xạ trường đặc biệt làm vật liệu quang xúc tác [14,15,16,17,18,19], Vật liệu ZnO nanorods có ưu điểm diện tích bề mặt lớn phù họp ứng dụng làm vật liệu quang xúc tác Tuy nhiên vật liệu có độ rộng vùng cấm lớn (3.4 eV), chủ yếu hấp thụ xạ cực tím ánh sáng mặt trời (chiếm 4% quang pho) dần đến hiệu suất không cao Từ kết nghiên cứu số cơng trình gần cho thấy vùng hấp thu vật ZnO nanorods có the mở rộng vùng ánh sáng nhìn thấy mặt trời cách hoạt hóa be mặt ZnO [8], pha tạp [6] điều khiển tối ưu khuyết tật bên vật liêu ZnO nanorods cách ủ nhiệt độ khác [3, 5, 9, 10] tốc độ tăng trưởng cấu trúc nano chế tạo [7], Những sai hỏng có the vị trí khuyết, vị trí xen kè thay thế, tạo mức lượng trung gian vùng hóa trị vùng dần, cho phép hình thành cặp quang điện tử - lồ trống, dịch chuyển vùng hấp thu vật liệu vùng ánh sáng nhìn thấy [4] Với mục tiêu: Nghiên cứu mở rộng vùng hấp thu vật liệu ZnO nanorods phía vùng ánh sáng khả kiến Đe tài thực cách xừ lý nhiệt vật liệu ZnO nanorods sau chế tạo nhằm tối ưu nồng độ khuyết tật oxi cấu trúc giải pháp có khả mạng lại hiệu cao Cụ the kết đề tài đạt được: thông qua khả phản ứng với dung dịch axit terephthalic (AT) phân hủy methylene blue (MB) chiếu ánh sáng khả kiến (ƯV-Vis) tử ngoại (UV) vật liệu ZnO nanorods sau hoạt hóa khuyết tật bề mặt nhiệt độ 300 °C vật liệu ZnO nanorods có khả quang xúc tác tạo thành axit 2-hydrôxyl terephthalic phân hủy 76% dung dịch MB chiếu ánh sáng UV-Vis; 91% chiếu ánh sáng uv ... ? ?ánh giá khả quang xúc tác vật liệu ánh sáng giả mặt trời phịng thí nghiệm Quang xúc tác trình xúc tác phản ứng vật liệu có ánh sáng chiếu vào Dưới tác dụng ánh sáng số vật liệu bán dần có khả tham... tích ? ?ánh giả khả quang Bảng phân tích ? ?ánh giả khả quang xúc tác vật liệu ZnO nanorods xúc tác cùa vật liệu ZnO Bài báo khoa học hội nghị Vật lý chất Bài báo báo cáo khoa học rắn khoa học vật liệu. .. trường đặc biệt làm vật liệu quang xúc tác [14,15,16,17,18,19], Vật liệu ZnO nanorods có ưu điểm diện tích bề mặt lớn phù họp ứng dụng làm vật liệu quang xúc tác Tuy nhiên vật liệu có độ rộng vùng