i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là các kết quả nghiên cứu của tôi được thực hiện tại trường Đại học Quy Nhơn dưới sự hướng dẫn của TS Hoàng Nhật Hiếu Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong đề tài[.]
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu thực trường Đại học Quy Nhơn hướng dẫn TS Hoàng Nhật Hiếu Các số liệu kết nghiên cứu đề tài trung thực Các nguồn tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ Học viên Nguyễn Lệ Hiền ii LỜI CẢM ƠN Để hồn thành q trình nghiên cứu hồn thiện đề tài “Chế tạo nghiên cứu thuộc tính quang điện hóa tách nước vật liệu ZnO/CdS/ZnFe2O4 có cấu trúc xốp”, lời xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tới TS Hồng Nhật Hiếu cơng tác Khoa Khoa học tự nhiên, trường Đại học Quy Nhơn Thầy trực tiếp hướng dẫn, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm, động viên, giúp đỡ tơi nhiều suốt q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy, cô công tác Khoa Khoa học tự nhiên, trường Đại học Quy Nhơn truyền đạt kiến thức quý báu, quan tâm tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận văn Cuối cùng, tơi xin dành tình cảm đặc biệt để cảm ơn gia đình, bạn bè, người thân yêu động viên, quan tâm, hỗ trợ mặt để tơi hồn thành luận văn Học viên Nguyễn Lệ Hiền iii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG viii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài 3 Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 5 Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài NỘI DUNG CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu vật liệu oxit kẽm (ZnO) 1.1.1 Cấu trúc vật liệu ZnO 1.1.2 Tính chất vật liệu ZnO 10 1.1.3 Ứng dụng vật liệu ZnO 13 1.2 Giới thiệu vật liệu cadimium sulphide (CdS) 14 1.2.1 Cấu trúc vật liệu CdS 14 1.2.2 Tính chất vật liệu CdS 16 1.2.3 Ứng dụng vật liệu CdS 16 iv 1.3 Giới thiệu vật liệu ZnFe2O4 17 1.3.1 Cấu trúc vật liệu ZnFe2O4 17 1.3.2 Tính chất vật liệu ZnFe2O4 19 1.3.3 Ứng dụng vật liệu ZnFe2O4 19 1.4 Hiệu ứng quang điện hóa tách nước 20 1.4.1 Nguyên lý cấu trúc tế bào quang điện hóa 20 1.4.2 Cơ chế phản ứng tách nước 21 1.4.3 Mơ hình dải tế bào quang điện hóa 23 1.4.4 Hiệu suất tế bào quang điện hóa tách nước 25 1.4.5 Các yêu cầu vật liệu làm điện cực quang 26 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU 28 2.1 Thiết bị chế tạo mẫu 28 2.2 Các dụng cụ hóa chất sử dụng 28 2.2.1 Dụng cụ 28 2.2.2 Hóa chất 29 2.3 Quy trình chế tạo mẫu 29 2.3.1 Chuẩn bị điện cực đế ITO 29 2.3.2 Lắng đọng cầu PS lên đế ITO 30 2.3.3 Quy trình chế tạo điện cực ZnO cấu trúc xốp phương pháp lắng đọng điện hóa 30 2.3.4 Quy trình chế tạo điện cực ZnO-P/CdS 31 2.3.5 Quy trình chế tạo điện cực ZnO-P/CdS/ZnFe2O4 32 2.4 Một số phương pháp khảo sát mẫu 32 2.4.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 32 v 2.4.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 34 2.4.3 Đo phổ hấp thụ UV – Vis 36 2.4.4 Phương pháp phổ tán sắc lượng (EDS) 38 2.4.5 Phương pháp đo phổ tổng trở điện hóa (EIS) 39 2.4.6 Đo thuộc tính quang điện hóa tách nước 41 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43 3.1 Hình thái cấu trúc vi mô 43 3.2 Thuộc tính cấu trúc tinh thể 45 3.3 Thuộc tính hấp thụ quang 48 3.4 Thuộc tính quang điện hóa tách nước 49 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CHỮ VIẾT TẮT TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT CB Conduction band Dải dẫn CE Counting electrode Điện cực đếm CV Voltammetry cyclic Qt vịng tuần hồn ECSA Electrochemically active Diện tích bề mặt hoạt động điện hóa surface area EDS Energy dispersive X-ray Phổ tán sắc lượng spectrometer EIS Phổ tổng trở điện hóa Electrochemical impedance spectroscopy Eg Band gap energy Năng lượng dải trống PEC Photoelectrochemical Cell Tế bào quang điện hóa PS Polystyrene Vật liệu polystyrene RE Reference electrode Điện cực tham chiếu SEM Scanning electron Kính hiển vi điện tử quét microscope UV - Vis Ultraviolet - Visible - Phổ tử ngoại - khả kiến Spectroscopy VB Valence band Dải hóa trị vii vs Versus Đối với XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X ITO Indium Tin Oxide Kính phủ lớp dẫn điện suốt ITO WE Working electrode Điện cực làm việc viii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Các thông số vật lí vật liệu ZnO dạng khối 11 Bảng 1.2 Các thông số vật lí vật liệu CdS dạng khối 16 Bảng 2.1 Hóa chất sử dụng chế tạo mẫu 29 Bảng 3.1 Thành phần ngun tố tính tốn từ phổ EDS cấu trúc ZnOP/CdS/ZnFe2O4 47 Bảng 3.2 Bảng xác định điện dung vi phân diện tích bề mặt hoạt động điện hóa 53 ix DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Trang Hình 1.1 Cấu trúc lục giác Wurzite Hình 1.2 Cấu trúc lập phương đơn giản kiểu NaCl (rocksalt) ZnO Hình 1.3 Cấu trúc lập phương giả kẽm (cubic zinc blende) 10 Hình 1.4 Giản đồ mức khuyết tật ZnO 12 Hình 1.5 Cấu trúc CdS: (a) lập phương (zincblende) (b) lục giác (wurtzite) 15 Hình 1.6 Cấu trúc mạng spinel 18 Hình 1.7 Cấu trúc hệ quang điện hóa tách nước ba điện cực 20 Hình 1.8 Cơ chế phản ứng quang điện hóa 21 Hình 1.9 Sơ đồ dịch chuyển mức lượng Fermi chất bán dẫn 23 Hình 1.10 Sự hình thành tương tác chất bán dẫn với dung dịch điện phân 24 Hình 1.11 Sơ đồ lượng hệ điện hóa điện cực bán dẫn - kim loại có ảnh hưởng chiếu sáng 24 Hình 1.12 Giản đồ cho thấy khe lượng vật liệu xít khác so sánh với mức chân không mức điện cực hydrogen chất điện phân pH = 27 Hình 2.1 Các thiết bị chụp phịng thí nghiệm vật lí chất rắn trường Đại học Quy Nhơn: (a) Cân phân tích điện tử, (b) Máy rung rửa siêu âm, (c) Tủ sấy, (d) Bộ dụng cụ lắng đọng điện hóa, (e) Máy khuấy từ có gia nhiệt, (f) Lị nung, (g) Máy quay li tâm 28 x Hình 2.2 Cầu PS lắng đọng đế ITO phương pháp nhỏ phủ: a) Khuấy từ hỗn hợp ml PS + 22 ml ethanol C2H5OH, b) Cầu PS nhỏ phủ đế ITO 30 Hình 2.3 Tóm tắt quy trình chế tạo mẫu ZnO-P/CdS/ZnFe2O4 cấu trúc xốp 32 Hình 2.4 Sự phản xạ bề mặt tinh thể 33 Hình 2.5 Các xạ phát điện tử tương tác với mẫu 35 Hình 2.6 Nguyên lý cấu tạo máy đo SEM 36 Hình 2.7 Cấu tạo hệ đo phổ hấp thụ UV – Vis 38 Hình 2.8 Mạch điện tương đương với phản ứng điện cực đơn 40 Hình 2.9 Biểu diễn tổng trở phản ứng đơn theo kiểu Nyquist 40 Hình 2.10 Biểu diễn tổng trở theo kiểu giản đồ Bode 41 Hình 2.11 Cấu tạo hệ đo điện hóa ba điện cực 42 Hình 3.1 Ảnh SEM mẫu ZnO chế tạo phương pháp điện hóa với thời gian mọc phút: a,b) ảnh bề mặt mặt cắt ngang cấu trúc ZnO-F c, d) ảnh bề mặt mặt cắt ngang cấu trúc ZnO-P 44 Hình 3.2 a, b) Ảnh SEM bề mặt mặt cắt ngang cấu trúc ZnO-P/CdS c, d) Ảnh SEM bề mặt mặt cắt ngang cấu trúc ZnO-P/CdS/ZnFe2O4 45 Hình 3.3 Phổ XRD cấu trúc ZnO-P, ZnO-P/CdS, ZnOP/CdS/ZnFe2O4 46 Hình 3.4 Phổ EDS cấu trúc ZnO-P/CdS/ZnFe2O4 47 Hình 3.5 Phổ UV-Vis cấu trúc 49 ... thấy tách hạt tải điện tích hiệu - Khảo sát hiệu suất quang điện hóa tách nước (PEC) vật liệu chế tạo Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu ZnO/ CdS/ ZnFe2O4 có cấu trúc xốp. .. bày kết nghiên cứu chế tạo tính chất quang điện hóa tách nước vật liệu ZnO/ CdS/ ZnFe2O4 có cấu trúc xốp 7 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu vật liệu oxit kẽm (ZnO) Kẽm oxit (ZnO) cịn có tên gọi... phản ứng quang điện hóa tách nước 5 Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu - Chế tạo điện cực ZnO cấu trúc xốp - Kết cặp thêm điện cực ZnO vật liệu có khe lượng nhỏ CdS ZnFe2O4 giảm ăn mòn quang học CdS để