(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố pha tạp lên hoạt tính quang điện hoá của vật liệu thanh nano tio2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN THỊ MINH THỤC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA YẾU TỐ PHA TẠP LÊN HOẠT TÍNH QUANG ĐIỆN HĨA h CỦA VẬT LIỆU THANH NANO TiO2 Chuyên 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 Nguyễn Thị Minh Thục h LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập hồn thành luận văn, tơi nhận ủng hộ, giúp đỡ quý báu từ thầy cô giáo, đồng nghiệp, bạn bè người thân Lời đầu tiên, xin bày tỏ kính trọng biết ơn sâu sắc tới TS Trần Năm Trung - người hướng dẫn trực tiếp, tận tình giúp đỡ, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian thực đề tài luận văn Tôi xin cảm ơn quan tâm, giúp đỡ, ân cần bảo nhiệt tình giảng dạy thầy Bộ mơn Vật lý – Khoa học vật liệu, Khoa Khoa học tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn Những kiến thức mà thầy hết lịng truyền đạt tảng tri thức vững cho trình học tập sau trường Tôi xin gửi lời cảm ơn tới cán bộ, giảng viên Phịng thí nghiệm h Vật lý chất rắn, Trường Đại học Quy Nhơn hỗ trợ giúp đỡ nhiều việc thực phép đo để đóng góp vào kết luận văn Xin cảm ơn tài trợ đề tài Nafosted (mã số: 103.02-2018.329) dự án SI (mã số: VN2018SIN239A101) việc thực số phép đo đạc luận văn Cuối cùng, xin cảm ơn người thân ln bên cạnh, giúp đỡ, động viên tạo điều kiện để hoàn thành luận văn tốt nghiệp Học viên Nguyễn Thị Minh Thục 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 h 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 VỀ VẬT LIỆU NANO TiO2 1.1.1 Cấu trúc tinh thể dạng thù hình TiO2 1.1.2 Một số tính chất vật liệu TiO2 10 1.1.3 Một số phương pháp chế tạo vật liệu nano TiO2 19 1.1.4 Ứng dụng vật liệu nano TiO2 24 1.2 VẬT LIỆU TiO2 PHA TẠP 27 1.2.1 Mục đích pha tạp 27 1.2.2 Các hình thức pha tạp 28 1.2.3 Một số chiến lược khác 30 1.3 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU GẦN ĐÂY VỀ TiO2 VÀ TiO2 PHA TẠP ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ QUANG ĐIỆN HÓA TÁCH NƯỚC (PEC) ……………………………………………………………………… 38 1.4 TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ QUANG ĐIỆN HĨA TÁCH NƯỚC (PEC) 41 1.4.1 Nguyên lý chung hệ tách nước sử dụng ánh sáng 41 1.4.2 Nguyên lý tế bào quang điện hóa 42 1.4.3 Hiệu suất hệ tách nước 44 h CHƯƠNG KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 46 2.1 HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 46 2.1.1 Hóa chất 46 2.1.2 Dụng cụ 46 2.1.3 Thiết bị 47 2.2 QUY TRÌNH CHẾ TẠO MẪU 47 2.2.1 Chuẩn bị đế FTO 47 2.2.2 Tổng hợp vật liệu nano TiO2 47 2.2.3 Tổng hợp vật liệu nano TiO2 pha tạp 48 2.3 CÁC KĨ THUẬT KHẢO SÁT TÍNH CHẤT MẪU 52 2.3.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 53 2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 54 2.3.3 Phương pháp phổ tán sắc lượng tia X (EDX) 55 2.3.4 Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại- khả kiến (UV-Vis) 57 2.3.5 Đo thuộc tính quang điện hóa tách nước (PEC) 58 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 59 3.1 ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ PHA TẠP Sn 59 3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ TỔNG HỢP KHI PHA TẠP Sn……63 3.3 ẢNH HƯỞNG CỦA YẾU TỐ ĐỒNG PHA TẠP CÁC NGUYÊN TỐ C h VÀ Sn 66 3.4 ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH QUANG ĐIỆN HĨA …………………… 71 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76 KẾT LUẬN 76 KIẾN NGHỊ 77 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ………………………………78 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Việt Hiệu suất chuyển đổi ánh ABPE sáng thành dòng điện tác dụng mạch Tiếng Anh Applied Bias Photon-tocurrent Efficiency CB Vùng dẫn Conduction Band CVD Lắng đọng hoá học Chemical Vapor Deposition Eg Năng lượng vùng cấm Band gap energy EDX Phổ tán sắc lượng tia X FTO thiếc pha tạp flo Hiệu suất chuyển đổi dòng spectroscopy Fluorinated Tin Oxide Incident Photon-to-current h IPCE Kính phủ lớp dẫn điện ơxít Energy-dispersive X-ray photon tới thành dịng điện Conversion Efficiency LSV Qt tuyến tính Linear Sweep Voltammetry PEC Tế bào quang điện hóa Photo Electrochemical Cell QE Hiệu suất lượng tử Quantum Eficiency SEM STH UV Kính hiển vi điện tử quét Hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành hyđrô Scanning Electron Microscope Solar-to-hydrogen Bức xạ tử ngoại Ultraviolet Quang phổ tử ngoại - khả Ultraviolet-Visible kiến spectroscopy VB Vùng hoá trị Valence Band XRD Nhiễu xạ tia X X-ray diffraction UV-Vis DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Một số thông số vật lý pha rutile, anatase brookite TiO2……………9 Bảng 2.1 Bảng tổng hợp mẫu nano TiO2 pha tạp Sn……… 50 Bảng 2.2 Bảng tổng hợp mẫu nano TiO2 pha tạp Sn, C……………………….52 Bảng 3.1 Bảng tổng hợp mẫu TiO2 pha tạp Sn với nồng độ khác nhau…………… 59 Bảng 3.2 Bảng giá trị mật độ dòng điện hiệu suất chuyển đổi quang điện hóa mẫu TiO2 pha tạp Sn với nồng độ pha tạp khác nhau……………… …… 62 Bảng 3.3 Bảng tổng hợp mẫu TiO2 pha tạp Sn với nhiệt độ tổng hợp khác nhau…….63 Bảng 3.4 Bảng giá trị mật độ dòng điện hiệu suất chuyển đổi quang điện hóa mẫu TiO2 pha tạp Sn nhiệt độ tổng hợp khác nhau…………………….66 Bảng 3.5 Bảng tổng hợp mẫu TiO2 đồng pha tạp C Sn……………………………67 Bảng 3.6 Bảng giá trị mật độ dòng điện hiệu suất chuyển đổi quang điện hóa mẫu TiO2 đồng pha tạp………………………………………………………….71 Bảng 3.7 Bảng tổng hợp mẫu vật liệu nano TiO2 pha tạp đồng pha tạp……… 71 h Bảng 3.8 Bảng giá trị mật độ dòng điện hiệu suất chuyển đổi quang điện hóa mẫu TiO2 pha tạp với nguyên tố khác nhau………………………………………… 73 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các dạng thù hình khác TiO2: (A) rutile, (B) anatase, (C) brookite… Hình 1.2 Khối bát diện TiO2………………………………………………………… Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể TiO2: (A) rutile, (B) anatase……………………………….7 Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể TiO2: brookite…………………………………………… Hình 1.5 Cơ chế xúc tác quang chất bán dẫn…………………………………………14 Hình 1.6 Giản đồ lượng pha anatase pha rutile…………………………… 17 Hình 1.7 Sự hình thành gốc OH* O2-………………………………………………….17 Hình 1.8 Cơ chế quang xúc tác vật liệu TiO2……………………………………… 19 Hình 1.9 (a) Mơ hình tế bào PEC tách nước, (b) Sơ đồ nguyên lý tế bào PEC sử dụng chất bán dẫn làm điện cực quang chiếu sáng (các trình chính: (I) hấp thụ ánh sáng; (II) chia tách vận chuyển điện tử; (III) phản ứng ơxi hố khử bề mặt)……………………………………………………………………………………… 43 Hình 2.1 Sơ đồ khối mơ tả quy trình tạo dung dịch tiền chất thuỷ nhiệt tổng hợp vật liệu nano TiO2……………………………………………………………… 47 h Hình 2.2 Sơ đồ khối mơ tả quy trình tạo dung dịch tiền chất thuỷ nhiệt tổng hợp vật liệu nano TiO2 pha tạp Sn…………………………………………………….49 Hình 2.3 Sơ đồ khối mơ tả quy trình tạo dung dịch tiền chất thuỷ nhiệt tổng hợp vật liệu nano TiO2 pha tạp Sn, C…………………………………………… .50 Hình 2.4 Sơ đồ cấu tạo kính hiển vi điện tử qt (SEM)…………………………… 53 Hình 2.5 Tương tác chùm điện tử vật rắn…………………………………………54 Hình 2.6 Sự phản xạ bề mặt tinh thể…………………………………………………54 Hình 2.7 Thu phổ nhiễu xạ tia X………………………………………………………….55 Hình 2.8 Nguyên lý phép phân tích EDX……………………………………………… 56 Hình 3.1 Ảnh SEM chụp theo phương thẳng đứng phương cắt ngang mẫu vật liệu nano TiO2: (a-b) không pha tạp (c-d) pha tạp Sn với nồng độ pha tạp 10 mM (mẫu Sn-T10)……………………………………………………60 Hình 3.2 Giản đồ XRD mẫu vật liệu nano TiO2 không pha tạp pha tạp Sn với nồng độ pha tạp 10 mM (mẫu Sn-T10) Các đỉnh phổ TiO2 FTO đánh dấu hình vng () hình trịn () tương ứng…………………… 60 Hình 3.3 Phổ mật độ dòng – (J-V) (b) phổ hiệu suất chuyển đổi quang điện hóa () mẫu vật liệu nano TiO2 pha tạp Sn với nồng độ pha tạp khác nhau: mM (mẫu Sn-T5), 10 mM (mẫu Sn-T10) 20 mM (mẫu Sn-T20)… 61 Hình 3.4 Ảnh SEM mẫu vật liệu nano TiO2 pha tạp Sn nhiệt độ tổng hợp khác nhau: (a) 140 oC (mẫu Sn-T140), (b) 160 oC (mẫu Sn-T160), (c) 180 oC (mẫu Sn-T180) (d) ảnh chụp theo phương cắt ngang mẫu Sn-T180……64 Hình 3.5 (a) Phổ hấp thụ UV-Vis (b) đồ thị biểu diễn phụ thuộc (h)2 vào lượng photon mẫu vật liệu nano TiO2 không pha tạp pha tạp Sn tổng hợp nhiệt độ 180 oC (mẫu Sn-T180)………………………………… 65 Hình 3.6 (a) Phổ mật độ dịng – (J-V) (b) phổ hiệu suất chuyển đổi quang điện hóa () mẫu vật liệu nano TiO2 pha tạp Sn nhiệt độ tổng hợp khác nhau: 140 oC (mẫu Sn-T140), 160 oC (mẫu Sn-T160) 180 oC (mẫu SnT180)………………………………………………………………………… 66 Hình 3.7 Ảnh SEM với độ phóng đại khác mẫu vật liệu nano TiO2 đồng pha tạp C Sn với nồng độ tiền chất Urea 500 mM (mẫu CSn-T500) h ………………………………………………………………………………….68 Hình 3.8 Phổ EDX mẫu vật liệu nano TiO2 đồng pha tạp C Sn với nồng độ tiền chất Urea 500 mM (mẫu CSn-T500)……………………………………68 Hình 3.9 (a) Phổ mật độ dịng – (J-V) (b) phổ hiệu suất chuyển đổi quang điện hóa () mẫu vật liệu nano TiO2 đồng pha tạp C Sn với nồng độ tiền chất Urea khác nhau: 250 mM (mẫu NCSn-T250), 500 mM (mẫu NCSnT500) 1000 mM (mẫu NCSn-T1000)………………………………………70 Hình 3.10 (a) Phổ mật độ dòng – (J-V) (b) phổ hiệu suất chuyển đổi quang điện hóa mẫu vật liệu nano TiO2 pha tạp nguyên tố: 10 mM Sn (mẫu Sn-T180), 500 mM C (mẫu C-T500) đồng pha tạp 10 mM Sn 500 mM C (mẫu CSn-T500)…………………………………………………………… 72 Hình 3.11 (a) Phổ mật độ dịng điện – thời gian (J-t) đóng – ngắt ánh sáng mẫu TiO2 pha tạp nguyên tố khác nhau: 10 mM Sn (mẫu Sn-T180), 500 mM C (mẫu C-T500) đồng pha tạp 10 mM Sn 500 mM C (mẫu CSn-T500) (b) Phổ mật độ dòng điện – thời gian (J-t) chiếu sáng liên tục mẫu CSnT500…………………………………………………………………………….73