(Luận văn thạc sĩ) chế tạo và nghiên cứu thuộc tính quang điện hóa tách nước của vật liệu zno agi có cấu trúc xốp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN ĐỖ TIẾN QUANG CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU THUỘC TÍNH QUANG ĐIỆN HĨA TÁCH NƢỚC CỦA VẬT LIỆU h ZnO/AgI CÓ CẤU TRÚC XỐP Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Ngƣời hƣớng dẫn: TS HOÀNG NHẬT HIẾU LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu đề tài trung thực Các kết nghiên cứu đƣợc thực Trƣờng Đại học Quy Nhơn, dƣới hƣớng dẫn thầy TS Hoàng Nhật Hiếu Các nguồn tài liệu tham khảo đƣợc trích dẫn đầy đủ Học viên Đỗ Tiến Quang h LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Hoàng Nhật Hiếu công tác khoa Khoa học Tự nhiên trƣờng Đại học Quy Nhơn Thầy ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn, bảo tận tình tơi suốt q trình học tập nghiên cứu để tơi hồn thành q trình nghiên cứu hồn thiện đề tài“Chế tạo nghiên cứu thuộc tính quang điện hóa tách nƣớc vật liệu ZnO/AgI/CdS” Ngồi ra, tơi xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô công tác phịng thí nghiệm khoa Vật lý hỗ trợ, giúp đỡ tơi suốt q trình làm thực nghiệm Cuối cùng, tơi xin chân cảm ơn gia đình, bạn bè, ngƣời thân yêu động viên, quan tuyâm, hỗ trợ tơi mặt để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp h Học viên Đỗ Tiến Quang MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài 3 Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 5 Phƣơng pháp nghiên cứu CHƢƠNG TỔNG QUAN h 1.1 GIỚI THIỆU VẬT LIỆU OXIT KẼM (ZnO) 1.1.1 Cấu trúc vật liệu ZnO 1.1.1.1 Cấu trúc Rocksalt (lập phương đơn giản kiểu NaCl) 1.1.1.2 Cấu trúc Cubic Zinc Blende (lập phương giả kẽm) 1.1.1.3 Cấu trúc wurtzite 10 1.1.2 Tính chất vật liệu ZnO 10 1.1.2.1 Tính chất điện vật liệu ZnO 11 1.1.2.2 Tính chất quang vật liệu ZnO 12 1.1.3 Ứng dụng vật liệu ZnO 13 1.2 GIỚI THIỆU VẬT LIỆU BẠC IOT (AgI) 14 1.2.1 Cấu trúc vật liệu AgI 15 1.2.2 Tính chất vật liệu AgI 17 1.2.3 Ứng dụng vật liệu AgI 17 1.3 HIỆU ỨNG QUANG ĐIỆN HÓA TÁCH NƢỚC 18 1.3.1 Nguyên lý 18 1.3.2 Cơ chế phản ứng 20 1.3.3 Mơ hình dải tế bào quang điện hóa 21 1.3.4 Các yêu cầu vật liệu quang điện cực 23 1.3.5 Hiệu suất tế bào quang điện hóa tách nƣớc 24 1.4 Phƣơng pháp tổng hợp điện hóa 25 1.5 Lắng đọng bể hóa học 26 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU 27 2.1 THIẾT BỊ CHẾ TẠO MẪU 27 2.2 CÁC DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT SỬ DỤNG 27 2.2.1 Dụng cụ 28 2.2.2 Hóa chất 28 h 2.3 QUY TRÌNH CHẾ TẠO MẪU 28 2.3.1 Chuẩn bị điện cực đế ITO 28 2.3.2 Lắng đọng cầu PS lên đế ITO 29 2.3.3 Quy trình chế tạo điện cực ZnO cấu trúc xốp phƣơng pháp lắng đọng điện hóa 29 2.3.4 Quy trình chế tạo điện cực ZnO/AgI 30 2.4 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU 30 2.4.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 30 2.4.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 32 2.4.2.1 Định nghĩa 32 2.4.2.2 Cấu tạo 33 2.4.2.3 Nguyên lý chung phương pháp 34 2.4.3 Đo phổ hấp thụ UV-Vis 35 2.4.4 Đo thuộc tính quang điện hóa tách nƣớc (PEC) 36 2.4.5 Phƣơng pháp phổ tán sắc lƣợng (EDS) 37 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38 3.1 HÌNH THÁI CẤU TRÚC VI MÔ 38 3.2 THUỘC TÍNH CẤU TRÚC TINH THỂ 42 3.3 THUỘC TÍNH QUANG ĐIỆN HÓA TÁCH NƢỚC 47 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 h DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh CB Vùng dẫn Conduction Band AgI Bạc I-ốt Silver iodide Eg Năng lƣợng dải trống Bandgap energy ITO Kính phủ lớp dẫn điện suốt ITO Indium Tin Oxide PEC Tế bào quang điện hóa Photo Electrochemical Cell PS Vật liệu polystyrene Polystyrene SEM Kính hiển vi điện tử Scanning Electron Microscope h quét UV-Vis Phổ tử ngoại - khả kiến Ultraviolet - Visible -Spectroscopy VB Vùng hoá trị Valence Band XRD Nhiễu xạ tia X X-ray diffraction ZnO Kẽm Oxít Zinc Oxide CBD Lắng đọng bể hóa học Chemical bath deposition DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.Các thông số vật lý vật liệu ZnO dạng khối 11 Bảng 3.1 Thành phần ngun tố tính tốn từ EDS ZnO/AgI10 45 Bảng 3.2 Thành phần nguyên tố tính toán từ phổ EDS ZnO/AgI10/CdS 46 h DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể ZnO dạng lập phƣơng rocksalt Hình 1.2 Cấu trúc lập phƣơng giả kẽm Cubic Zinc Blende Hình 1.3 Cấu trúc kiểu wurtzite lục giác xếp chặt 10 Hình Cấu trúc tinh thể pha   AgI 16 Hình Cấu trúc tinh thể pha   AgI  a  ;   AgI  b  16 Hình Cấu trúc hệ tách nƣớc quang điện hóa ba điện cực 19 Hình Cơ chế phản ứng quang điện hóa 20 Hình Sơ đồ dải lƣợng hệ điện hóa điện hóa điện cực bán dẫn – kim loại: chƣa tiếp xúc (a), tiếp xúc nhƣng chƣa chiếu sáng (b), tiếp xúc chiếu sáng (c) tiếp xúc chiếu sáng ngồi (d) 22 h Hình Giản đồ cho thấy khe lƣợng vật liệu xít khác so sánh với mức chân không mức điện cực hydrogen chất điện phân 23 Hình Nhiễu xạ tia X mặt tinh thể 31 Hình 2 Sơ đồ nguyên lí cấu tạo máy XRD 32 Hình Sơ đồ hoạt động kính hiển vi điện tử quét (SEM) kính hiển vi điện tử quét (SEM) 33 Hình Tƣơng tác điện tử với mẫu 34 Hình Cấu tạo hệ đo điện hóa ba điện cực 37 Hình Ảnh SEM cấu trúc ZnO xốp với kích thƣớc cầu PS khác nhau: (a) 150 nm, (b) 250 nm, (c) 500 nm (d) 1000 nm 39 Hình Ảnh SEM cấu trúc ZnO xốp với thời gian lắng đọng điện hóa khác (a) phút, (b) phút, (c) phút (d) 11 phút 40 Hình 3.3 (a, c) Ảnh SEM bề mặt mặt cắt ngang cấu trúc xốp ZnO (b, d) cấu trúc ZnO/AgI10 41 Hình 3.4 Phổ XRD cấu trúc ZnO xốp ZnO/AgI với thời gian mọc AgI khác 43 Hình 3.5 Phổ EDS cấu trúc ZnO/AgI10 45 Hình 3.6 Thuộc tính PEC cấu trúc ZnO xốp với kích thƣớc cầu PS khác nhau: (a) mật độ dịng quang (b) hiệu suất chuyển đổi quang tƣơng ứng 47 Hình 3.7 Thuộc tính PEC ZnO xốp 250 nm với thời gian điện hóa khác nhau: (a) mật độ dòng quang, (b) hiệu suất chuyển đổi quang tƣơng ứng 49 Hình 3.8 Thuộc tính PEC cấu trúc ZnO/AgI với thời gian mọc AgI h khác nhau: (a) mật độ dòng quang, (b) hiệu suất chuyển đổi quang tƣơng ứng 51