(Luận văn thạc sĩ) nâng cao hiệu suất xúc tác điện hóa của vật liệu cấu trúc nano xốp co3o4 thông qua hiện tượng cộng hưởng plasmon bề mặt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN THỊ MỸ PHƢỢNG NÂNG CAO HIỆU SUẤT XÚC TÁC ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU CẤU TRÚC NANO XỐP Co3O4 h THÔNG QUA HIỆN TƢỢNG CỘNG HƢỞNG PLASMON BỀ MẶT LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Bình Định - Năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN THỊ MỸ PHƢỢNG NÂNG CAO HIỆU SUẤT XÚC TÁC ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU CẤU TRÚC NANO XỐP Co3O4 h THÔNG QUA HIỆN TƢỢNG CỘNG HƢỞNG PLASMON BỀ MẶT Chuyên ngành : Vật lí chất rắn Mã số : 44 01 04 Ngƣời hƣớng dẫn thứ nhất: TS Nguyễn Thị Hồng Trang Ngƣời hƣớng dẫn thứ hai: TS Đồn Minh Thủy LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu đề tài trung thực, kết nghiên cứu đƣợc thực Trƣờng Đại học Quy Nhơn dƣới hƣớng dẫn TS Nguyễn Thị Hồng Trang TS Đoàn Minh Thủy tài liệu tham khảo đƣợc trích dẫn đầy đủ Học viên Nguyễn Thị Mỹ Phƣợng h LỜI CẢM ƠN Đề tài “NÂNG CAO HIỆU SUẤT XÚC TÁC ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU CẤU TRÚC NANO XỐP Co3O4 THÔNG QUA HIỆN TƢỢNG CỘNG HƢỞNG PLASMON BỀ MẶT” nội dung nghiên cứu làm luận văn tốt nghiệp sau hai năm theo học chƣơng trình Cao học chuyên ngành Vật lý chất rắn trƣờng Đại học Quy Nhơn Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Thị Hồng Trang, TS Đoàn Minh Thủy ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn tận tình, hỗ trợ, định hƣớng động viên tơi suốt q trình thực nghiệm, giúp thực tốt luận văn Trong q trình thực luận văn, tơi nhận đƣợc nhiều quan tâm tạo điều kiện tốt từ thầy cô giáo tổ môn Khoa học Vật liệu - khoa Khoa học tự nhiên Trung tâm thí nghiệm thực hành A6 – h Trƣờng Đại Học Quy Nhơn Đặc biệt, NCS Nguyễn Văn Nghĩa ngƣời đã nhiệt tình truyền dạy kiến thức, phƣơng pháp nghiên cứu công cụ hỗ trợ đắc lực cho trình nghiên cứu luận văn Tôi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy, Cô Cuối xin cảm ơn gia đình, ngƣời thân, bạn bè anh chị em lớp Vật lý Chất rắn – K21 động viên, giúp đỡ tơi suốt q trình học tập nghiên cứu khoa học Học viên Nguyễn Thị Mỹ Phƣợng MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu a Đối tƣợng nghiên cứu b Phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu h Cấu trúc đề tài CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU Co3O4 1.1.1 Giới thiệu phân loại dạng cấu trúc Co3O4 1.1.2 Tính chất vật liệu Co3O4 1.1.3 Một số phƣơng pháp tổng hợp vật liệu nano Co3O4 1.1.4 Ứng dụng vật liệu nano Co3O4 1.2 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU PLASMONIC NANO 1.2.1 Tổng quan tƣợng cộng hƣởng plasmon bề mặt (LSPR) 1.2.2 Tổng quan vật liệu vàng (Au) 1.2.2.1 Cấu trúc vật liệu vàng 1.2.2.2 Ứng dụng vật liệu vàng 10 1.3 MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO 13 1.3.1 Tổng hợp vật liệu 13 1.3.1.1 Phương pháp “khuôn” mềm 14 1.3.1.2 Phương pháp “khuôn” cứng 14 1.3.2 Một số phƣơng pháp tổng hợp vật liệu biến tính bề mặt 15 1.3.2.1 Phương pháp Polyol cấp nhiệt vi sóng 15 1.3.2.2 Phương pháp ngâm tẩm mao quản 16 1.3.2.3 Phương pháp chiếu tia tử ngoại (UV) 16 1.4 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH XÚC TÁC ĐIỆN HÓA 17 1.4.1 Các trình xúc tác điện hóa 17 1.4.1.1 Quá trình xúc tác cho phản ứng tiến hóa oxy (OER) 18 1.4.1.2 Q trình xúc tác cho phản ứng tiến hóa hydro (HER) 19 h 1.4.2 Ứng dụng hiệu ứng cộng hƣởng plasmon bề mặt việc tăng hiệu suất cho q trình điện hóa 20 1.5 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 22 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU 25 2.1 Thiết bị chế tạo mẫu 25 2.2 Các dụng cụ hóa chất sử dụng 26 2.2.1 Dụng cụ 26 2.2.2 Hóa chất 26 2.3 Quy trình chế tạo vật liệu Co3O4 có cấu trúc xốp nano biến tính bề mặt với hạt plasmonic nano Au 27 2.3.1 Chuẩn bị khuôn cứng (tổng hợp cầu PS) 27 2.3.2 Chế tạo vật liệu Co3O4 có cấu trúc xốp nano 28 2.3.3 Biến tính bề mặt vật liệu Co3O4 có cấu trúc xốp nano với hạt plasmonic nano Au 30 2.4 Một số phƣơng pháp khảo sát mẫu 32 2.4.1 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 32 2.4.2 Phƣơng pháp phổ tán xạ lƣợng tia X (EDX) 34 2.4.3 Phƣơng pháp quang phổ hấp thụ (UV-Vis) 34 2.4.4 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X 35 2.4.5 Phƣơng pháp đo thuộc tính điện hóa tách nƣớc 36 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38 3.1 HÌNH THÁI BỀ MẶT CỦA VẬT LIỆU 38 3.1.1 Hình thái bề mặt cầu polystyrene (PS) 38 3.1.2 Hình thái bề mặt vật liệu Co3O4 cấu trúc xốp nano (Co3O4 - IO) 38 3.1.3 Hình thái bề mặt vật liệu Co3O4 IO biến tính bề mặt hạt nano Au (Au-Co3O4 IO) phƣơng pháp chiếu tia UV 40 h 3.1.3.1 Ảnh hưởng thời gian chiếu UV lên hình thái bề mặt vật liệu Au-Co3O4 IO 40 3.1.3.2 Ảnh hưởng nồng độ muối HAuCl4 lên hình thái bề mặt vật liệu Au-Co3O4 IO 42 3.2 THUỘC TÍNH CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU 44 3.2.1 Kết EDX vật liệu Au-Co3O4 IO 44 3.2.2 Kết đo phổ UV-Vis 48 3.2.3 Kết đo phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 49 3.3 KHẢO SÁT THUỘC TÍNH XÚC TÁC ĐIỆN HĨA CỦA VẬT LIỆU 50 3.3.1 Đặc trƣng quét tuyến tính (LSV) vật liệu 51 3.3.1.1 Đặc trưng quét tuyến tính (LSV) cho trình OER vật liệu 51 3.3.1.2 Đặc trưng quét tuyến tính (LSV) cho trình HER vật liệu 57 3.3.2 Khảo sát độ bền vật liệu (đặc trƣng I – t) q trình xúc tác điện hóa 61 3.3.3 Đặc trƣng quét vịng tuần hồn (CV) vật liệu 63 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 h DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên đầy đủ Nghĩa tiếng Việt OER Oxygen evolution reaction Phản ứng tạo ôxi HER Hydrogen evolution reaction Phản ứng tạo hiđrô ORR Oxygen reduction reaction Phản ứng khử ôxi HOR Hydrogen oxidation reaction Phản ứng oxi hóa hydro SPR Surface plasmon resonance Cộng hƣởng plasmon bề mặt LSPR Local Surface plasmon Cộng hƣởng plasmon bề mặt resonance cục XRD X-ray Difraction Nhiễu xạ tia X SEM Scanning Electron Kính hiển vi điện tử quét Microscope Energy-dispersive X-ray h EDX Phổ tán xạ lƣợng tia X spectroscopy UV-Vis Ultraviolet - visible Phổ hấp thụ quang học vùng tử ngoại – khả kiến IO Inverse opal Vật liệu xốp nano (vật liệu mao quản) LSV Linear Sweep Voltage Thế quét tuyến tính CV Cyclic Voltammetry Thế qt vịng tuần hồn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một số phƣơng pháp tổng hợp vật liệu Co3O4 Bảng 1.2 Con đƣờng phản ứng tổng thể cho OER dung dịch axit kiềm 18 Bảng 1.3 Con đƣờng phản ứng tổng thể cho HER dung dịch axit kiềm 19 Bảng 2.1 Kí hiệu mẫu cần khảo sát luận văn 31 Bảng 3.1 Bảng tính điện E(V) cho mẫu mật độ dòng điện j = 30mA.cm-2 j = 250mA.cm-2 53 Bảng 3.2 Bảng tính q cho q trình OER vật liệu AuCo3O4IO biến tính với thời gian chiếu UV 30 phút , với nồng độ HAuCl4 khác không chiếu sáng (dark) chiếu sáng h đèn Xenon (light) 55 Bảng 3.3 Bảng tính cho trình HER vật liệu AuCo3O4IO biến tính với thời gian chiếu UV 30 phút , với nồng độ HAuCl4 khác không chiếu sáng (dark) chiếu sáng đèn Xenon (light) 60 Bảng 3.4 Bảng tính điện E(V) cho mẫu mật độ dòng điện j = -20mA.cm-2 j = 150mA.cm-2 60 Bảng 3.5 Giá trị mật độ dòng đỉnh anode (Ip,a), mật độ dòng đỉnh cathode (Ip,c), đỉnh anode (Ep,a), đỉnh cathode (Ep,c), điện cực vật liệu Au-Co3O4 IO biến tính với nồng độ HAuCl4 10mM thời gian chiếu UV khác (10 phút, 20 phút, 30 phút) đo 1M KOH 65