BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN VÕ THỊ MỸ PHƯỢNG KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ ĐỒNG PHA TẠP CÁC NGUYÊN TỐ Fe VÀ Sn ĐẾN TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU THANH NANO TiO2 Chuyên[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN VÕ THỊ MỸ PHƯỢNG KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ ĐỒNG PHA TẠP CÁC NGUYÊN TỐ Fe VÀ Sn ĐẾN TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN HĨA CỦA VẬT LIỆU THANH NANO TiO2 Chun ngành: Vật lí chất rắn Mã sớ: 8440104 Người hướng dẫn: TS TRẦN NĂM TRUNG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu đề tài trung thực, kết nghiên cứu thực Trường Đại học Quy Nhơn hướng dẫn TS Trần Năm Trung, tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ Học viên Võ Thị Mỹ Phượng LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành sâu sắc tới TS Trần Năm Trung - người thầy nhiệt huyết với công việc, ln hết lịng giúp đỡ, hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi để thực luận văn thông qua việc truyền dạy kiến thức kinh nghiệm bổ ích nghiên cứu khoa học Đó sở giúp tơi hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn quan tâm, giúp đỡ, ân cần bảo nhiệt tình giảng dạy thầy cô Bộ môn Vật lý – Khoa học vật liệu, Khoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn Những kiến thức mà thầy cô hết lòng truyền đạt tảng tri thức vững cho chúng tơi q trình học tập sau trường Bên cạnh cảm ơn đến tập thể lớp cao học VLCR K23 khóa 2020 - 2022, nguồn đợng viên to lớn để tơi hồn thành khóa học Xin cảm ơn tài trợ từ đề tài Nafosted (mã số: 103.02-2018.329) việc thực một số phép đo đạc luận văn Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến thành viên gia đình, bạn bè đồng nghiệp động viên tạo điều kiện thuận lợi để thực luận văn Học viên Võ Thị Mỹ Phượng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 TỔNG QUAN VẬT LIỆU TiO2 CẤU TRÚC NANO 1.1.1 Cấu trúc tinh thể TiO2 1.1.2 Mợt số tính chất vật liệu TiO2 1.1.3 Phương pháp tổng hợp vật liệu nano TiO2 11 1.1.4 Ứng dụng vật liệu nano TiO2 13 1.1.5 Vật liệu TiO2 pha tạp 14 1.2 TỔNG QUAN VỀ QUANG ĐIỆN HÓA TÁCH NƯỚC 20 1.2.1 Nguyên lý quang xúc tác tách nước 20 1.2.2 Nguyên lý tế bào quang điện hóa 22 1.2.3 Hiệu suất PEC 24 1.3 MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ TiO2 ỨNG DỤNG TRONG QUANG ĐIỆN HÓA TÁCH NƯỚC 26 CHƯƠNG KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 30 2.1 THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU 30 2.1.1 Hóa chất dụng cụ chế tạo mẫu 30 2.1.2 Thực nghiệm chế tạo mẫu 32 2.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU 39 2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 39 2.2.2 Phương pháp phổ tán sắc lượng tia X (EDX) 40 2.2.3 Phép đo phổ hấp thụ UV-Vis 41 2.2.4 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 43 2.2.5 Đo tḥc tính quang điện hóa tách nước (PEC) 44 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45 3.1 HÌNH THÁI VÀ CẤU TRÚC VẬT LIỆU 46 3.1.1 Hình thái bề mặt vật liệu 46 3.1.2 Cấu trúc vật liệu 49 3.2 TÍNH CHẤT HẤP THỤ QUANG CỦA VẬT LIỆU 51 3.3 TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN HĨA CỦA VẬT LIỆU 53 3.3.1 Đặc trưng quét tuyến tính LSV 53 3.3.2 Đặc trưng mật đợ dịng điện - thời gian (J – t) 56 3.3.3 Hiệu suất chuyển đổi quang điện hóa 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61 KẾT LUẬN 61 KIẾN NGHỊ 62 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 63 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (bản sao) DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT STT viết tắt ABPE Tên đầy đủ Applied Bias Photon-tocurrent Efficiency Nghĩa tiếng Việt Hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện tác dụng mạch CB Conduction Band Vùng dẫn CVD Chemical Vapor Deposition Lắng đọng hoá học Eg Band gap energy Năng lượng vùng cấm EDX Energy Dispersive X-ray Phổ tán sắc lượng tia Spectroscopy X FTO Fluorinated Tin Oxide Kính phủ lớp dẫn điện ơxít thiếc pha tạp flo Incident Photon-to-current Hiệu suất chuyển đổi dòng Conversion Efficiency photon tới thành dòng điện IPCE LSV Linear Sweep Voltammetry Quét tuyến tính PEC Photo Electrochemical Cell Tế bào quang điện hóa 10 QE Quantum Eficiency Hiệu suất lượng tử 11 SEM 12 STH Solar-to-hydrogen 13 UV Ultraviolet Bức xạ tử ngoại UV- Ultraviolet-Visible Quang phổ tử ngoại - khả Vis spectroscopy kiến 15 VB Valence Band Vùng hoá trị 16 XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X 14 Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét Hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành hydrogen DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một số thông số vật lý TiO2 hai dạng thù hình Bảng 2.1 Bảng tổng hợp mẫu vật liệu nano TiO2 pha tạp Fe Sn 38 Bảng 3.1 Bảng tổng hợp mẫu vật liệu nano TiO2 đồng pha tạp Fe Sn 45 Bảng 3.2 Bảng giá trị hiệu suất chuyển đổi quang điện hóa (ABPE) mẫu TiO2 đồng pha tạp Fe Sn với tỉ lệ nồng độ khác 59 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các dạng thù hình khác TiO2: (a) rutile, (b) anatase, (c) brookite [11] Hình 1.2 Khối bát diện TiO2 Hình 1.3 Các trình diễn chất bán dẫn chiếu sáng [60] Hình 1.4 Cơ chế quang xúc tác vật liệu TiO2 10 Hình 1.5 Sơ đồ minh họa pha tạp kim loại: (a) mức lượng tạp chất acceptor, (b) mức lượng tạp chất donor [33] 16 Hình 1.6 (a) Tiếp giáp Schottky xạ ánh sáng UV, (b) cộng hưởng plasmon bề mặt xạ ánh sáng nhìn thấy [33] 17 Hình 1.7 Sơ đồ minh họa hình thành hạt điện quang sinh [30] 22 Hình 1.8 (a) Mơ hình tế bào PEC tách nước [1], (b) Sơ đồ nguyên lý một tế bào PEC sử dụng chất bán dẫn làm điện cực quang chiếu sáng (các q trình chính: (I) hấp thụ ánh sáng; (II) chia tách vận chuyển điện tử; (III) phản ứng oxygen hoá khử bề mặt) [61] 23 Hình 2.1 Hóa chất (a) Titanium butoxide (C16H36O4Ti), (b) Hydrochloric acid (HCl) 30 Hình 2.2 Hóa chất (a) cồn tuyệt đối, (b) Iron (III) chloride (FeCl3) (c) Tin (IV) chloride pentahydrate (SnCl4.5H2O) 31 Hình 2.3 (a) Bình teflon, (b) Bình thép bảo vệ (c) Hệ thủy nhiệt 31 Hình 2.4 (a) Cân phân tích (b) Máy khuấy từ 32 Hình 2.5 (a) Máy rung siêu âm (b) Lò nung 32 Hình 2.6 Quy trình thuỷ nhiệt tổng hợp vật liệu nano TiO2 33 Hình 2.7 Quy trình tổng hợp vật liệu nano TiO2 pha tạp Fe 34 Hình 2.8 Quy trình tổng hợp vật liệu nano TiO2 pha tạp Sn 36 Hình 2.9 Quy trình tổng hợp vật liệu nano TiO2 đồng pha tạp Fe Sn 37 Hình 2.10 Sự phản xạ bề mặt tinh thể 39 Hình 2.11 Thu phổ nhiễu xạ tia X 40 Hình 2.12 Ngun lý phép phân tích EDX 41 Hình 2.13 Tương tác chùm điện tử vật rắn 43 Hình 2.14 Hệ CorrTest Electrochemical Workstation phịng Vật lý chất rắn 44 Hình 3.1 Ảnh chụp mẫu vật liệu sau tổng hợp đế FTO với nồng độ đồng pha tạp khác 46 Hình 3.2 Ảnh SEM chụp theo phương thẳng đứng phương cắt ngang mẫu TiO2 không pha tạp đồng pha tạp Fe Sn với tỉ lệ nồng độ khác nhau: (a,b) mẫu TiO2, (c,d) mẫu TF3S1 (e,f) mẫu TF1S3 47 Hình 3.3 (a) Ảnh SEM (b) ảnh SEM mapping tương ứng theo thành phần nguyên tố mẫu TiO2 đồng pha tạp Fe Sn (mẫu TF1S3) 49 Hình 3.4 Giản đồ XRD mẫu TiO2 pha tạp đơn nguyên tố Fe, Sn Các đỉnh phổ TiO2 FTO đánh dấu hình () () tương ứng Theo thẻ chuẩn PDF#898304 50 Hình 3.5 Giản đồ XRD mẫu TiO2 đồng pha tạp Fe Sn với tỉ lệ nồng độ khác Các đỉnh phổ TiO2 FTO đánh dấu hình () () tương ứng Theo thẻ chuẩn PDF#898304 51 Hình 3.6 (a) Phổ hấp thụ UV-vis (b) Đồ thị Tauc biểu diễn phụ thuộc (h) vào lượng photon mẫu TiO2 pha tạp đơn nguyên tố Fe, Sn 52 Hình 3.7 (a) Phổ hấp thụ UV-vis (b) Đồ thị Tauc biểu diễn phụ thuộc (h) vào lượng photon mẫu TiO2 đồng pha tạp Fe Sn với tỉ lệ nồng độ khác 53 Hình 3.8 Phổ mật đợ dịng điện – điện (J-V) mẫu TiO2 pha tạp đơn nguyên tố Fe, Sn 54 Hình 3.9 Phổ mật đợ dịng điện – điện (J-V) mẫu TiO2 đồng pha tạp Fe Sn với tỉ lệ nồng độ khác 55 Hình 3.10 Tỉ lệ giá trị mật đợ dịng quang điện điện V mẫu TiO2 pha tạp đồng pha tạp nguyên tố Fe Sn so với mẫu TiO2 không pha tạp 56 Hình 3.11 Phổ mật đợ dịng điện – thời gian (J-t) đo điện V mẫu TiO2 đồng pha tạp Fe Sn với tỉ lệ nồng độ khác 57 Hình 3.12 Phổ hiệu suất chuyển đổi quang điện hóa mẫu TiO2 pha tạp đồng pha tạp nguyên tố Fe Sn với tỉ lệ nồng độ khác 58 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Việc sử dụng lượng một nhu cầu to lớn thiết yếu giới để trì kinh tế, môi trường cuộc sống nhân loại Nó trở thành mợt thách thức lớn kỉ XXI việc sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch dầu mỏ, than đá, khí đốt,… nguồn nhiên liệu ngày cạn kiệt Hơn nữa, việc sử dụng rợng rãi nguồn nhiên liệu hóa thạch dẫn đến gia tăng khí CO2, mợt nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường biến đổi khí hậu tồn cầu Trước vấn đề trên, u cầu đặt cần tìm kiếm mợt nguồn lượng sạch, thân thiện, bền vững với môi trường để giảm thiểu việc sử dụng dần thay nguồn tài nguyên hóa thạch Đây vấn đề cấp bách thiết thực giới không riêng Việt Nam Một nguồn lượng sạch, bền vững, hydrogen một lựa chọn đầy hứa hẹn có ưu điểm sau: (i) nguyên tố nhiều tự nhiên tồn nước lẫn khí sinh học; (ii) hydrogen khí nhẹ (0,8988 g/L) nên có mật đợ lượng (~140 kJ/g) lớn loại nhiên liệu khác xăng (~40 kJ/g); (iii) thân thiện với mơi trường việc sử dụng khơng sinh chất nhiễm tác đợng xấu mơi trường; (iv) hydrogen lưu trữ dạng khí, lỏng kim loại hyđrua phân phối qua khoảng cách lớn đường ống phương tiện vận chuyển [1] Ngày nay, khoảng 500 tỷ m3 hydrogen sản xuất công nghiệp năm Tuy nhiên lượng tái tạo đóng góp khoảng 5% sản lượng hydrogen thương mại, cụ thể thơng qua q trình điện phân nước, 95% lại việc sản xuất hydrogen từ nhiên liệu hóa thạch, nên nguồn nhiên liệu hóa thạch nguồn sản xuất hydrogen [2] ... dẫn điện FTO phương pháp thủy nhiệt - Nghiên cứu pha tạp đồng pha tạp nguyên tố Fe Sn vào mẫu vật liệu nano TiO2 - Khảo sát ảnh hưởng nồng độ pha tạp nguyên tố Fe Sn lên hoạt tính quang điện hóa. .. nghiên cứu đề tài: ? ?Khảo sát ảnh hưởng đồng pha tạp nguyên tố Fe Sn đến tính chất quang điện hóa vật liệu nano TiO2? ?? Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo mẫu vật liệu TiO2 có cấu trúc dạng... dịng quang điện điện V mẫu TiO2 pha tạp đồng pha tạp nguyên tố Fe Sn so với mẫu TiO2 khơng pha tạp 56 Hình 3.11 Phổ mật đợ dịng điện – thời gian (J-t) đo điện V mẫu TiO2 đồng pha tạp Fe Sn