Đang tải... (xem toàn văn)
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN CAO VĂN DANH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN HÓA TÁCH NƢỚC CỦA VẬT LIỆU CdSe/ZnO/TiO2 Chuyên ngành Vật lý chất rắn Mã số 8440104 Ngƣ[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN CAO VĂN DANH NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN HĨA TÁCH NƢỚC CỦA VẬT LIỆU CdSe/ZnO/TiO2 Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Ngƣời hƣớng dẫn: TS ĐOÀN MINH THỦY LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng dƣới hƣớng dẫn TS Đồn Minh Thủy TS Nguyễn Văn Nghĩa Q trình thí nghiệm đƣợc thực Phịng thí nghiệm Vật lí Chất rắn, Khoa Khoa học Tự nhiên - Trƣờng Đại Học Quy Nhơn Các số liệu kết nghiên cứu đƣợc luận văn trung thực chƣa từng đƣợc cơng bố cơng trình nghiên cứu hay báo khác Bình Định, ngày 20 tháng năm 2022 Tác giả luận văn Cao Văn Danh LỜI CẢM ƠN Tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới cán bộ, giảng viên Bộ môn Vật l – Khoa học vật liệu Khoa Khoa học Tự nhiên Trƣờng Đại học Quy Nhơn trang bị cho tảng kiến thức vững trình học tập Trong trình học tập hồn thành luận văn tơi nhận đƣợc nhiều quan tâm giúp đỡ qu báu từ ngƣời thân đồng nghiệp qu thầy cô Trƣờng Đại học Quy Nhơn đặc biệt TS Đoàn Minh Thủy TS Nguyễn Văn Nghĩa ngƣời hƣớng dẫn trực tiếp, tận tình động viên tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn! Bình Định, ngày 20 tháng năm 2022 Tác giả luận văn Cao Văn Danh MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 1 L chọn đề tài Tổng quan tình hình nghiên cứu Mục đích đề tài 4 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 5 Phƣơng pháp nghiên cứu: Cấu trúc luận văn CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 CƠNG NGHỆ QUANG ĐIỆN HỐ TÁCH NƢỚC 1.1.1 Cấu tạo cua hệ quang điện hóa tách nƣớc 1.1.2 Cơ chế quang điện hóa tách nƣớc vật liệu bán dẫn 1.1.3 Các tham số đánh giá phẩm chất vật liệu làm điện cực quang 1.1.4 Mật độ dòng quang 11 1.2 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO TiO2 13 1.2.1 Cấu trúc tinh thể TiO2 13 1.2.2 Một số tính chất vật liệu TiO2 16 1.2.3 Ứng dụng vật liệu nano TiO2 20 1.3 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ZnO 21 1.3.1 Cấu trúc tinh thể vật liệu ZnO 21 1.3.2 Cấu trúc vùng lƣợng 24 1.3.3 Tính chất vật liệu ZnO 25 1.3.4 Ứng dụng vật liệu ZnO 27 1.4 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CdSe 28 1.4.1 Cấu trúc tinh thể vật liệu CdSe 28 1.4.2 Cấu trúc vùng lƣợng 29 1.4.3 Tính chất vật liệu CdSe 31 1.4.4 Ứng dụng vật liệu 33 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 34 2.1 Phƣơng pháp chế tạo 34 2.2 Thiết bị chế tạo mẫu 35 2.3 Các dụng cụ hóa chất sử dụng 35 2.3.1 Dụng cụ 35 2.3.2 Hóa chất 35 2.4 Quy trình chế tạo mẫu 36 2.4.1 Chuẩn bị đế FTO 36 2.4.2 Quy trình chế tạo điện cực quang TiO2 cấu trúc nano phƣơng pháp thuỷ nhiệt 36 2.4.3 Quy trình chế tạo điện cực quang ZnO/TiO2 cấu trúc phân nhánh37 2.4.4 Quy trình chế tạo điện cực quang CdSe/ZnO/TiO2/FTO 39 2.5 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU 40 2.5.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 41 2.5.2 Phƣơng pháp phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis) 44 2.5.3 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 45 2.5.4 Phƣơng pháp quét tuyến tính (Linear sweep voltammetry: LSV) 45 2.5.5 Phƣơng pháp phổ tổng trở điện hóa (Electrochemistry impedance spectrum- EIS) 46 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 51 3.1 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH CẤU TRÚC VÀ VI CẤU TRÚC 51 3.1.1 Kết đo nhiễu xạ tia X (XRD) 51 3.1.2 Kết ảnh hiển vi điện tử quét 53 3.1.3 Kết phổ hấp thụ Uv-Vis 55 3.2 THUỘC TÍNH QUANG ĐIỆN HĨA CỦA ĐIỆN CỰC QUANG 57 3.2.1 Thuộc tính quang điện hóa điện cực ZnO/TiO2/FTO 57 3.2.2 Thuộc tính quang điện hóa điện cực CdSe/ZnO/TiO2/FTO cấu trúc phân nhánh 59 3.3 CƠ CHẾ TRUYỀN ĐIỆN TÍCH TRONG MƠ HÌNH PEC CỦA ĐIỆN CỰC CdSe/ZnO/TiO2 63 KÊT LUẬN CHUNG 66 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt ABPE Tiếng Anh Applied bias photon to current efficiency Tiếng Việt Hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện dƣới tác dụng mạch CB Conduction Band Vùng dẫn CBD Chemical bath deposition Lắng đọng bể hóa học CdSe Cadmium Sulphide Cađimi (II) sunfua CVD Chemical Vapor Deposition Lắng đọng hoá học Eg Band gap energy Năng lƣợng vùng cấm EIS FTO Electrochemistry impedance spectrum Fluorinated Tin Oxide Phổ tổng trở điện hố Kính phủ lớp dẫn điện ơxít thiếc pha tạp flo Incident photon to current Hiệu suất chuyển đổi dòng conversion efficiency photon tới thành dịng điện PC photochemical Quang hóa PEC Photo Electrochemical Cell Tế bào quang điện hóa Qds Quantum dots Chấm lƣợng tử QE Quantum efficiency Hiệu suất lƣợng tử IPCE SEM Scanning Electron Microscope STH Solar-to-hydrogen TEM Transmission Kính hiển vi điện tử quét Hiệu suất chuyển đổi photon thành hidrô Kính hiển vi điện tử truyền Tên viết tắt TiO2 UV-Vis Tiếng Anh Tiếng Việt lectronmicroscope qua Titanium Dioxide Titan đioxit Ultraviolet - Visible Spectroscopy Phổ tử ngoại - khả kiến VB Valence Band Vùng hoá trị XPS X-ray photoelectron Phổ quang điện tử tia X spectroscopy XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X ZnO Zinc Oxide Kẽm Oxít DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Trang Bảng 1.1 Một số thông số vật l pha rutile anatase 15 brookite TiO2 Bảng 1.2 Các thơng số vật lí vật liệu ZnO dạng khối 25 Bảng 1.3 Các thông số vật lí vật liệu CdSe 32 Bảng 2.1 Kí hiệu mẫu phân nhánh ZnO/TiO2 theo thời gian 39 thủy nhiệt khác Bảng 2.2 Kí hiệu mẫu TiZn4-CdSe theo số chu kỳ khác 40 Bảng 3.1 Bảng so sánh mật độ dòng quang ứng với điện cực cấu 58 trúc ZnO/TiO2 số công trình với kết luận văn Bảng 3.2 Mật độ dòng quang điện CdS/TiO2 với thời gian 60 nhúng CdS khác nhiệt độ khác Bảng 3.3 Bảng so sánh mật độ dòng quang ứng với điện cực cấu trúc CdSe/TiO2 số cơng trình với kết luận văn 61 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo hệ tách nƣớc quang điện hóa ba điện cực Hình 1.2 Cơ chế phản ứng quang điện hóa .7 Hình 1.3 Đặc trƣng j-V điện cực quang bán dẫn loại n đƣợc chiếu sáng 12 Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể pha anatase, rutile, brookite TiO2 13 Hình 1.5 (a) Cấu trúc bát diện TiO6 xếp không gian chúng ô sở pha: (b) anatase (c) rutile (d) brookite 14 Hình 1.6 Các trình diễn chất bán dẫn đƣợc chiếu sáng .18 Hình 1.7 Cơ chế quang xúc tác vật liệu TiO2 19 Hình 1.8 Cấu trúc tinh thể ZnO dạng lập phƣơng rocksalt 22 Hình 1.9 Cấu trúc lập phƣơng giả kẽm Blend .22 Hình 1.10 Cấu trúc kiểu lục giác wurtzite tinh thể ZnO 23 Hình 1.11 Cấu trúc đối xứng vùng lƣợng ZnO: (a) l thuyết (b) thực nghiệm 24 Hình 1.12 Cấu trúc tinh thể lục giác wurtzite lập phƣơng zinc blende muối 28 Hình 1.13 Sơ đồ khuyết tật điểm mặt phẳng xếp chặt giải thích chuyển pha cấu trúc hai mơ hình ABCABC ABAB 29 Hình 1.14 Phổ hấp thụ QDs CdSe có kích thƣớc khác 31 Hình 1.15 Giản đồ q trình truyền điện tích sau đƣợc kích thích ánh sáng mặt phân cách chất bán dẫn CdSe-TiO2 [CB VB đề cập đến mức lƣợng vùng dẫn vùng hóa trị, tƣơng ứng CdSe TiO2] (Gan cộng sự, 2012) 32 Hình 2.1 Các thiết bị tạo mẫu đặt phịng thí nghiệm vật lí chất rắn Trƣờng Đại học Quy Nhơn: (a) Máy rung rửa siêu âm (b) Tủ sấy, 35 Hình 2.2 Điện cực TiO2/FTO đế FTO 37 Hình 2.3 Tạo mầm ZnO TiO2/FTO .38 ... liệu bán dẫn TiO2, ZnO, CdSe - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu chế tạo vật liệu ZnO/ TiO2 biến tính bề mặt hạt CdSe Khảo sát hình thái bề mặt tính chất vật liệu thuộc tính quang điện hóa tách nƣớc... tái tổ hợp cao [15] Với sở chọn đề tài luận văn ? ?Nghiên cứu tổng hơp khảo sát tính chất quang điện hóa tách nước vật liệu CdSe/ ZnO/ TiO2? ?? Tổng quan tình hình nghiên cứu Các cấu trúc chiều TiO2 đƣợc... - Khảo sát thuộc tính quang điện hóa điện cực chế tạo đƣợc nhằm tối ƣu hóa hiệu suất tách nƣớc điện cực CdSe/ ZnO/ TiO2 chế tạo đƣợc 5 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu: Vật liệu