(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu chế tạo và khảo sát thuộc tính quang điện hóa tách nước của điện cực quang vật liệu zno cấu trúc hạt nano

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN HUỲNH THÁI HÒA NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT THUỘC TÍNH QUANG ĐIỆN HĨA TÁCH NƢỚC CỦA ĐIỆN CỰC QUANG VẬT LIỆU ZnO CẤU TRÚC HẠT NANO h Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Ngƣời hƣớng dẫn: TS HỒNG NHẬT HIẾU LỜI CAM ĐOAN Tơi 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 Huỳnh Thái Hòa h LỜI CẢM ƠN Để hồn thành q trình nghiên cứu hoàn thiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo khảo sát thuộc tính quang điện hóa tách nước điện cực quang vật liệu ZnO cấu trúc hạt nano”, xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới TS Hoàng Nhật Hiếu công tác khoa Vật lý trƣờng Đại học Quy Nhơn Thầy ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn, tận tình bảo tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn Ngoài ra, xin chân thành cảm ơn thầy, cô cơng tác phịng thí nghiệm khoa Vật lý hổ trợ tơi suốt q trình làm thực nghiệm Cuối cùng, tơi xin chân cảm ơn gia đình, bạn bè, ngƣời thân yêu động viên, quan tâm, hỗ trợ tơi mặt để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp h Học viên Huỳnh Thái Hòa MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH CHƢƠNG 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 1.1.2.1 Tính chất điện vật liệu ZnO 1.1.2.2 Tính chất quang vật liệu ZnO 1.1.3 Cấu trúc vùng lƣợng 10 h 1.1.3.1 Cấu trúc vùng lƣợng ZnO dạng lục giác Wurzite 10 1.1.3.2 Cấu trúc vùng lƣợng ZnO dạng lập phƣơng giả kẽm 12 1.1.4 Ứng dụng vật liệu ZnO 12 1.1.5 Vật liệu ZnO có kích thƣớc nano 14 1.1.6 Các dạng hình thái vật liệu nano ZnO 16 1.2 Kỹ thuật quang điện hóa tách nƣớc 20 1.2.1 Nguyên lý cấu trúc tế bào quang điện hóa 20 1.2.2 Cơ chế phản ứng 22 1.2.3 Mơ hình dải tế bào quang điện 23 1.2.4 Hiệu suất tế bào quang điện hóa tách nƣớc 25 1.2.5 Các yêu cầu vật liệu điện cực quang 26 1.3 Một số phƣơng pháp tổng hợp vật liệu nano 27 1.3.1 Nhóm phƣơng pháp vật lý bao gồm: 28 1.3.2 Nhóm phƣơng pháp hóa học bao gồm: 28 1.3.3 Nhóm phƣơng pháp kết hợp hố - lý: 28 1.3.4 Phƣơng pháp phủ trải (Doctor blade coating) 29 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU 31 2.1 Quy trình chế tạo mẫu 31 2.1.1 Thiết bị chế tạo mẫu 31 2.1.2 Các dụng cụ hóa chất sử dụng 33 2.1.3 Quy trình chế tạo mẫu 33 2.2 Một số phƣơng pháp khảo sát mẫu 35 2.2.1 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X(XRD) 35 2.2.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 37 2.2.3 Đo phổ hấp thụ UV-Vis 39 2.2.4 Đo thuộc tính quang điện hóa tách nƣớc (PEC) 40 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42 3.1 Kết phân tích hình thái bề mặt ảnh SEM 42 3.2 Kết phân tích cấu trúc đo phổ XRD 44 h 3.3 Kết phân tích phổ hấp thụ UV-Vis 45 3.4 Kết đo thuộc tính quang điện hóa tách nƣớc 46 KẾT LUẬN CHUNG 50 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 QUYẾT ĐỊNH GIAO TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (bản sao) DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ZnO Kẽm Oxít (Zinc Oxide) ITO Kính phủ lớp dẫn điện suốt ITO (Indium Tin Oxide) FTO Kính phủ lớp dẫn điện suốt FTO (Fluorine-doped Tin Oxide) PEC Tế bào quang điện hóa (Photo Electrochemical Cell) SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) UV-Vis Phổ tử ngoại - khả kiến (Ultraviolet - Visible -Spectroscopy) XRD Nhiễu xạ tia X (X - Ray diffraction ) TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua (Tranmission Electron Microcope) STH Hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành hiđrô (Solar – To - h Hydrogen) EDS Phổ nhiễu xạ điện tử (Energy Dispersive Spectroscopy) IPCE Hiệu suất chuyển đổi dòng photon tới thành dòng điện (Incidentphoton-to-current conversion efficiency) DBC Phƣơng pháp phủ trải (dao bác sĩ) (Doctor blade coating) DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Các thơng số vật lí vật liệu ZnO dạng khối Bảng 1.2 Bảng độ dài đặc trƣng số tính chất vật liệu 16 h DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc kiểu wurtzite lục giác xếp chặt Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể ZnO dạng lập phƣơng rocksalt Hình 1.3 Cấu trúc lập phƣơng giả kẽm Blend Hình 1.4 Cấu trúc đối xứng vùng lƣợng ZnO 11 Hình 1.5 Cấu trúc vùng lƣợng ZnO với kiểu mạng Wurtzite 11 Hình 1.6 Vùng Brilouin cấu trúc lục giác Wurzite 11 Hình 1.7 Các hình dạng mọc điển hình cấu trúc nano chiều mặt phẳng tƣơng ứng 17 Hình 1.8 Hình ảnh hình thái khác nhau: (a) Nanowire dạng lƣợc (nanocomb); (b) nanowire dạng cƣa (nanosaw); (c) dải nano (nanobelt); (d) vòng nano (nanoring); (e) nano (nanotree); (f) nano(nanorods); (g) dây nano(nanowire); h (i) hạt nano(nanoparticles) 18 Hình 1.9 Ảnh TEM cấu trúc nanowires, nanotips theo mặt phẳng cắt 19 Hình 1.10 Mơ hình vành nano có mặt cực – dƣới ±(0001), lực tĩnh điện gây nên hình thành nanorings, nanospiral, nanobelts nanosprings 20 Hình 1.11 Cấu trúc hệ quang điện hóa tácnh nƣớc ba điện cực 21 Hình 1.12 Cơ chế phản ứng quang điện hóa 22 Hình 1.13 Sơ đồ dải lƣợng hệ điện hóa điện cực bán dẫn - kim loại; (a) chƣa tiếp xúc, (b) tiếp xúc nhƣng chƣa chiếu ánh sáng, (c) ảnh hƣởng chiếu sáng (d) ảnh hƣởng chiếu sáng goài 25 Hình 1.14 Giản đồ cho thấy khe lƣợng vật liệu xít khác so sánh với mức chân không mức điện cực hydrogen chất điện phân pH = 27 Hình 1.15 Sự thay đổi độ dày phƣơng pháp Doctor blade 29 Hình 2.1 Các thiết bị đƣợc chụp phịng thí nghiệm vật lí chất rắn trƣờng Đại học Quy Nhơn: (a) Cân phân tích, (b) Máy khuấy từ có gia nhiệt, (c) Máy rung siêu âm, (d) Tủ sấy, (e) Lò nung 32 Hình 2.2 Sự phản xạ bề mặt tinh thể 36 Hình 2.3 Cấu tạo máy đo SEM 39 Hình 2.4.a Cấu tạo hệ đo điện hóa ba điện cực 41 Hình 2.4.b Hệ điện hóa ba điện cực DY2300 phịng Vật lý chất rắn 41 Hình 3.1 Ảnh SEM cấu trúc ZnO (a) hạt nano (b) nano 42 Hình 3.2 Ảnh SEM điện cực quang cấu trúc ZnO hạt nano với bề dày thay đổi; (a) lớp, (b) lớp, (c) lớp (d) lớp 43 Hình 3.3 Ảnh SEM điện cực quang ZnO với hàm lƣợng nano thay đổi; (a) 0wt%, 6.7wt%, 20wt% 50wt% 44 Hình 3.4 Phổ XRD mẫu ZnO hạt nano ZnO nano 45 h Hình 3.5 Phổ hấp thụ UV-Vis mẫu điện cực ZnO hạt nano với nhiệt độ ủ khác hàm lƣợng nano pha trộn thay đổi 46 Hình 3.6 Thuộc tính PEC điện cực màng hạt nano ZnO ủ nhiệt độ khác nhau; (a) mật độ dòng quang (b) hiệu suất chuyển đổi quang tƣơng ứng 47 Hình 3.7 Thuộc tính PEC điện cực màng hạt nano ZnO với bề dày thay đổi; (a) mật độ dòng quang (b) hiệu suất chuyển đổi quang tƣơng ứng 48 Hình 3.8 Thuộc tính PEC điện cực màng với hàm lƣợng nano thay đổi; (a) mật độ dòng quang (b) hiệu suất chuyển đổi quang tƣơng ứng 49 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Ngày nay, kinh tế phát triển, hydro trở thành xu đảo ngƣợc giới Bởi hydro nguồn nhiên liệu đƣợc sản xuất từ nƣớc lƣợng mặt trời có vơ tận khắp nơi hành tinh Ở Mỹ năm 2003, Tổng thống G Bush công bố chƣơng trình đƣợc gọi “Sáng kiến nhiên liệu hydro” (Hydrogen Fuel Initiative) với định dành 1,2 tỉ USD cho nghiên cứu phát triển nhằm mục tiêu đến năm 2020 ôtô chạy pin nhiên liệu hydro phải triển khai thƣơng mại hóa thành cơng vào thực tế Để thu đƣợc hydro nhờ lƣợng mặt trời, nhiều nghiên cứu cho thấy kỹ thuật quang điện hóa tách nƣớc giải pháp tối ƣu Cơ sở kỹ thuật quang điện hóa tách nƣớc phát minh tiếng mang tính khai phá, mở h đƣờng Honda – Fujishima (1972) [1], [2] Với hệ thống điện hóa gồm điện cực quang vật liệu xúc tác bán dẫn TiO2 điện cực đối Pt, hai điện cực đƣợc nhúng chìm dung dịch điện ly đƣợc nối với tạo thành mạch kín bên ngồi Khi chiếu nguồn sáng vào điện cực bán dẫn, xuất dòng điện mạch nối hai điện cực Trên điện cực Pt có khí H2 ra, điện cực TiO2 có khí O2 Trong kỹ thuật này, hiệu suất tách nƣớc sinh khí hydro đƣợc định vật liệu làm điện cực quang Để có hiệu suất cao điện cực quang phải có hoạt tính xúc tác cao, bền mặt hóa học sinh học, khơng bị ăn mịn ánh sáng Để có hoạt tính xúc tác cao, ngồi việc chọn hệ vật liệu xúc tác thiết kế cấu trúc nano làm tăng vùng hoạt động xúc tác nhờ vào diện tích bề mặt riêng lớn Trong số thiết kế cấu trúc nano cấu trúc nano dạng hạt thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu chúng có tỷ số diện tích bề mặt