(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu chế tạo vật liệu nano oxit kim loại định hướng ứng dụng khử co2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN VÕ THỊ THU HÀ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO ĐỒNG (Cu) ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG KHỬ CO2 h LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN Bình Định - năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN VÕ THỊ THU HÀ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO ĐỒNG (Cu) ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG KHỬ CO2 h Chuyên ngành: VẬT LÝ CHẤT RẮN Mã số: 8440104 Người hướng dẫn 1: TS Phan Thanh Hải Người hướng dẫn 2: PGS.TS Nguyễn Thị Diệu Cẩm i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano đồng (Cu) định hướng ứng dụng khử CO2” kết nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình nghiên cứu Tác giả luận văn Võ Thị Thu Hà h ii LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Quỹ Đổi sáng tạo Vingroup mã số VINIF.2019.ThS.40 Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Quỹ đổi sáng tạo Vingroup (VINIF) tạo điều kiện, hỗ trợ học bổng với số tiền lớn để tơi hồn thành khóa học cao học thuận tiện chuyên tâm công việc nghiên cứu đề tài Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Phan Thanh Hải PGS.TS Nguyễn Thị Diệu Cẩm tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, bảo động viên tơi hồn thành tốt luận văn Trong trình thực luận văn nhận nhiều quan tâm tạo điều kiện Thầy, Cô khoa Khoa học Tự nhiên - Trường Đại học Quy Nhơn Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành tới quý Thầy, Cô Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè tập thể lớp Cao học Vật h lý chất rắn K22 ln động viên, khích lệ tinh thần suốt trình học tập nghiên cứu khoa học Mặc dù cố gắng thời gian thực luận văn cịn hạn chế kiến thức thời gian ảnh hưởng đại dịch Covid – 19, kinh nghiệm nghiên cứu nên khơng tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận thông cảm ý kiến đóng góp quý báu từ q Thầy, Cơ để luận văn hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT VI DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ VII MỞ ĐẦU 1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4.1 Đối tượng nghiên cứu 4.2 Phạm vi nghiên cứu h PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5.1 Phương pháp tổng hợp vật liệu 5.2 Phương pháp đặc trưng vật liệu BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ CO2 1.2 CƠ CHẾ KHỬ ĐIỆN HÓA CO2 1.3 CÁC PHẢN ỨNG ĐIỆN HÓA TẠI BỀ MẶT 1.3.1 Phản ứng oxi hóa – khử 1.3.2 Điện cực oxi hóa – khử 1.3.3 Thế điện cực chuẩn chiều diễn phản ứng oxi hóa – khử 10 1.4 PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN HÓA 13 1.5 GIỚI THIỆU VỀ ĐỒNG 13 1.5.1 Giới thiệu sơ lược đồng kim loại 13 iv 1.5.2 Vật liệu xúc tác đồng 17 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 22 2.1 HÓA CHẤT 22 2.2 THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ 22 2.3 QUY TRÌNH CHẾ TẠO HỆ VẬT LIỆU MÀNG HOPG – CU BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN HÓA 23 2.3.1 Chuẩn bị dung dịch làm việc 23 2.3.2 Chuẩn bị tế bào điện hóa điện cực làm việc 23 2.3.3 Quy trình tạo mẫu phương pháp lắng đọng điện hóa 24 2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU 26 2.4.1 Phương pháp qt vịng tuần hồn (CV) 26 2.4.2 Nghiên cứu khả xúc tác khử CO2 hệ vật liệu HOPG – Cu hệ vật liệu ITO – Cu phương pháp quét tuyến tính (LSV) 31 h 2.4.3 Phương pháp hiển vi lực nguyên tử (AFM) 32 2.4.4 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 33 2.4.5 Phương pháp nhiễu xạ X – ray (XRD) 36 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 38 3.1 CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG XÚC TÁC KHỬ CO2 CỦA HỆ VẬT LIỆU HOPG – CU CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN HÓA 38 3.1.1 Tính chất điện hóa hệ vật liệu HOPG – Cu 39 3.1.2 Hình thái học bề mặt hệ vật liệu HOPG – Cu 40 3.1.3 Đặc tính xúc tác hệ vật liệu HOPG – Cu 41 3.2 CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT KHẢ NĂNG XÚC TÁC KHỬ CO2 CỦA HỆ VẬT LIỆU NANO CU KHỐI LẬP PHƯƠNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA 43 3.2.1 Chế tạo hệ vật liệu nano Cu khối lập phương 43 v 3.2.2 Khả xúc tác hệ vật liệu nano Cu khối lập phương 45 3.3 HỆ VẬT LIỆU ITO – CU CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN HĨA VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT XÚC TÁC CỦA CHÚNG 46 3.3.1 Cấu trúc tinh thể hệ vật liệu 47 3.3.2 Hình thái học bề mặt hệ vật liệu ITO – Cu 48 3.3.3 Đặc tính xúc tác khử CO2 49 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 h vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU TÊN TIẾNG ANH AFM Atomic force microscopy CV Cyclic voltammetry SEM Scanning Electron TÊN TIẾNG VIỆT Kính hiển vi lực ngun tử Phương pháp qt vịng tuần hồn Kính hiển vi điện tử quét Microscope Highly oriented pyrolytic Graphite nhiệt phân tính định graphite hướng cao LSV Linear sweep voltammetry Phương pháp quét tuyến tính FCC Face centered cubic Lập phương tâm diện ITO Indium Tin Oxide Ôxit bán dẫn thiếc indi HOPG Điện điện cực làm việc so E h với điện cực so sánh Ag/AgCl (CKCl = 3M) CO2RR Phản ứng điện khí hóa CO2 vii DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ kỹ thuật lắng đọng điện hóa 13 Hình 1.2 Mơ hình minh họa cấu trúc mạng tinh thể fcc 16 Hình 1.3 Mặt phẳng (111) mạng tinh thể Cu 17 Hình 1.4 SEM cho ba bề mặt: (a) Mẫu A (bề mặt điện kết), (b) Mẫu B (Bề mặt phủ hạt nano Cu (c) Mẫu C (Bề mặt phun Ar) Được in lại từ ref 21, Copyright (2012) với ion permiss từ Hiệp hội Hóa học Hồng gia 19 Hình 1.5: Biểu đồ hiệu suất faradaic cho sản phẩm điện tín CO2 ba bề mặt CO2-bão hòa 0,1 M KClO4 -1,1 V so với RHE, bao gồm Mẫu A (bề mặt điện kết), Mẫu B (bề mặt phủ hạt nano Cu) Mẫu C (bề mặt ẩm) [49] 20 Hình 2.1 Điện cực HOPG 24 Hình 2.2 Hệ tế bào điện hóa phép đo CV 25 h Hình 2.3 Thiết bị đo CV trường đại học Quy Nhơn 25 Hình 2.4 Nguyên tắc hoạt động hệ điện cực, CE: điện cực phụ trợ, WE: điện cực làm việc, RE: điện cực so sánh 27 Hình 2.5 Hệ tế bào điện hóa phép đo CV 28 Hình 2.6 Thiết bị đo CV đại học Quy Nhơn 28 Hình 2.7 Hệ tế bào điện hóa phép đo CV 29 Hình 2.8 Thiết bị đo CV đại học Quy Nhơn 30 Hình 2.9 Thơng số kỹ thuật phép đo CV 30 Hình 2.10 Đường cong thể mối quan hệ i-E có peak đặc trưng, ip,a ứng với Ep,a ip,c ứng với Ep,c 31 Hình 2.11 Hình ảnh sục khí oxi vào dung dịch mẫu 31 Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý làm việc kính hiển lực nguyên tử 33 Hình 2.13 Sơ đồ giải thích nguyên lý làm việc kính hiển vi điện tử quét (SEM) 34 viii Hình 2.14 Kính hiển vi điện tử quét Viện Hàn lâm khoa học Việt Nam 35 Hình 2.15 Sơ đồ nhiễu xạ tia X (XRD) 37 Hình 3.1 CV dung dịch mM CuSO4 + mM H2SO4 đế HOPG 38 Hình 3.2 CA dung dịch mM CuSO4 + mM H2SO4 đế HOPG 39 Hình 3.3 CV mơ tả tính chất điện hóa điện cực đồng (Cu foil) (màu đỏ) CV HOPG (màu đen) dung dịch 0.2M Na2SO4 40 Hình 3.5 Hình ảnh kết đo SEM hệ vật liệu HOPG – Cu sau lắng đọng E = -0.8V với Ag/AgCl thời gian 60s 41 Hình 3.6 LSV hệ vật liệu HOPG HOPG – Cu dung dịch có sục khí CO2 khơng sục khí CO2 42 Hình 3.7 Hình ảnh AFM hệ vật liệu HOPG – Cu dung dịch điện h phân Na2SO4 có sục khí CO2 43 Hình 3.8 Hình ảnh SEM bề mặt đồng nguyên chất bề mặt đồng xử lý điện hóa 44 Hình 3.9 Cấu trúc vi mơ bề mặt vật liệu đồng qua xử lý điện hóa đo phương pháp AFM 44 Hình 3.10 CV mơ tả tính xúc tác khử CO2 với Cu foil chưa xử lý điện hóa (đường màu đen) Cu foil sau xử lý điện hóa (đường màu đỏ) 45 Hình 3.11 (A) Tính chất điện hóa điện cực ITO dung dịch mM CuSO4; (B) Đường CA mơ tả q trình lắng động điện hóa cation Cu0 lên bề mặt điện cực HOPG 46 Hình 3.12 Phổ nhiễu xạ tia X hệ vật liệu 60Cu/ITO, 120Cu/ITO, 240Cu/ITO 480Cu/ITO 48 Hình 3.13 Hình ảnh SEM mơ tả hình thái học bề mặt đo hệ vật liệu 60Cu/ITO, 120Cu/ITO, 240Cu/ITO 480Cu/ITO 49