(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano mos2 có cấu trúc lớp định hướng ứng dụng trong điện hóa và quang điện hóa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN THỊ HUYỀN THÙY NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO MoS2 CÓ CẤU TRÚC LỚP ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG ĐIỆN HÓA VÀ QUANG ĐIỆN HÓA h Chuyên ngành: VẬT LÍ CHẤT RẮN Mã số: 8440104 Người hướng dẫn: TS TRẦN NĂM TRUNG TS LÊ VIẾT THƠNG LỜI CAM ĐOAN Tơi 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 TS Lê Viết Thông, tài liệu tham khảo trích dẫn xác đầy đủ Học viên Nguyễn Thị Huyền Thùy 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, tơi xin bày tỏ kính trọng lịng 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 cô Bộ môn Vật lý – Khoa học vật liệu, Khoa Khoa học tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn Những kiến thức mà thầy hết h lịng truyền đạt tảng tri thức vững cho chúng tơi q trình học tập sau trường Tôi xin gửi lời cảm ơn tới cán bộ, giảng viên Phịng thí nghiệm 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 từ đề tài Nafosted (mã số: 103.02-2018.329) 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 Huyền Thùy 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 Lí chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4 Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Bố cục luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT h 1.1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU MoS2 1.1.1 Cấu trúc tinh thể MoS2 1.1.2 Một số tính chất vật liệu MoS2 1.1.3 Một số phương pháp tổng hợp vật liệu MoS2 14 1.1.4 Một số ứng dụng vật liệu MoS2 19 1.1.5 Triển vọng thách thức ứng dụng vật liệu MoS2 23 1.2 TỔNG QUAN VỀ QUANG ĐIỆN HÓA TÁCH NƯỚC (PEC) 24 1.2.1 Nguyên lý chung hệ tách nước sử dụng ánh sáng 24 1.2.2 Nguyên lý tế bào quang điện hóa 25 1.2.3 Hiệu suất hệ tách nước 27 1.3 MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ MoS2 ỨNG DỤNG TRONG ĐIỆN HÓA VÀ QUANG ĐIỆN HÓA 29 CHƯƠNG KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 32 2.1 HĨA CHẤT VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 32 2.1.1 Hóa chất nguyên liệu 32 2.1.2 Dụng cụ 32 2.1.3 Thiết bị 32 2.2 QUY TRÌNH CHẾ TẠO MẪU 33 2.2.1 Chuẩn bị đế FTO 33 2.2.2 Quy trình tổng hợp vật liệu nano MoS2 33 2.2.3 Bảng tổng hợp mẫu vật liệu nano MoS2 chế tạo 34 2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT VẬT LIỆU 35 2.3.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 35 2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 36 2.3.3 Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis) 38 2.3.4 Phương pháp phổ tán xạ Raman 39 2.3.5 Các phép đo tính chất điện hóa quang điện hóa 41 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42 3.1 HÌNH THÁI BỀ MẶT CỦA VẬT LIỆU NANO MoS2 42 3.2 CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU NANO MoS2 45 3.3 TÍNH CHẤT HẤP THỤ CỦA VẬT LIỆU NANO MoS2 47 h 3.4 KHẢO SÁT TÍNH CHẤT ĐIỆN HĨA VÀ QUANG ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU NANO MoS2 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54 KẾT LUẬN 54 KIẾN NGHỊ 55 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Ống nano cacbon CNTs Carbon nanotubes FTO Fluorinated Tin Oxide GO Graphene Oxide Graphen oxit RGO Reduced Graphene Oxide Graphen oxit dạng khử SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét UV Ultraviolet Bức xạ tử ngoại Ultraviolet-Visible thiếc pha tạp flo h UV-Vis Kính phủ lớp dẫn điện ơxít Spectroscopy Quang phổ tử ngoại - khả kiến XRD X-ray Diffraction Nhiễu xạ tia X HER Hydrogen Evolution Reaction Phản ứng tiến hóa hydro PEC Photo Electrochemical Cell Tế bào quang điện hóa PL Photoluminescence Quang phát quang DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tóm tắt ứng dụng cảm biến 20 Bảng 2.1 Hóa chất nguyên liệu 32 Bảng 2.2 Bảng tổng hợp mẫu vật liệu nano MoS2 34 h DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các cấu trúc tinh thể MoS2 Hình 1.2 Các trình tự phối trí xếp chồng khác ba cấu trúc MoS2 1T, 2H 3R [3] Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể tính chất quang học MoS2: (a) Hình minh họa sơ đồ hai chế độ phonon hoạt động điển hình Raman (E12g, A1g) (b) Phổ Raman màng mỏng màng MoS2 khối lượng lớn (c) Tần số chế độ Raman E12g A1g (trục tung bên trái) khác biệt chúng (trục tung bên phải) với độ dày lớp (d) Sự phụ thuộc độ dày cường độ tích hợp (trục tung bên trái) tỷ lệ cường độ tích hợp (trục tung bên phải) cho hai chế độ Raman (e) Phổ PL Raman MoS2 đơn lớp, hai lớp, hexalayer mẫu chung [5] 11 Hình 1.4 Sơ đồ tách nước [8] 23 Hình 1.5 (a) Mơ hình tế bào PEC tách nước [10], (b) Sơ đồ nguyên lý tế h bào PEC sử dụng chất bán dẫn làm điện cực quang chiếu sáng (các q trình chính: (I) hấp thụ ánh sáng; (II) chia tách vận chuyển điện tử; (III) phản ứng oxy hoá khử bề mặt) [11] 26 Hình 2.1 Sơ đồ mơ tả quy trình tạo dung dịch tiền chất thuỷ nhiệt để tổng hợp vật liệu nano MoS2 33 Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo kính hiển vi điện tử quét (SEM) [20] 36 Hình 2.3 Tương tác chùm điện tử vật rắn [20] 36 Hình 2.4 Sự phản xạ bề mặt tinh thể [21] 37 Hình 2.5 Thu phổ nhiễu xạ tia X [21] 38 Hình 2.6 Hệ thống máy quang phổ Raman [25] 40 Hình 2.7 Hệ Corr Test Electrochemical Workstation 41 Hình 3.1 Ảnh chụp mẫu M5, M10, M20 M30 tương ứng với mẫu vật liệu MoS2 tổng hợp đế FTO với nồng độ tiền chất AM khác mM, 10 mM, 20 mM 30 mM 42 Hình 3.2 Ảnh SEM chụp theo phương thẳng đứng (top view) mẫu vật liệu nano MoS2 tổng hợp đế FTO với nồng độ tiền chất AM khác (a) mM, (b) 10 mM, (c) 20 mM (d) 30 mM 44 Hình 3.3 Ảnh SEM chụp theo phương cắt ngang (cross-sectional view) mẫu vật liệu nano MoS2 tổng hợp đế FTO với nồng độ tiền chất AM khác (a) mM, (b) 10 mM, (c) 20 mM (d) 30 mM 45 Hình 3.4 Giản đồ XRD mẫu M10 M30 Các đỉnh phổ MoS2 FTO đánh dấu hình (◼) hình (*) tương ứng Theo thẻ chuẩn PDF#00-0060097 46 Hình 3.5 Phổ tán xạ Raman mẫu M10 M30 tổng hợp với nồng độ AM 10 mM 30 mM 47 Hình 3.6 (a) Phổ hấp thụ UV-Vis (b) Đồ thị Tauc biểu diễn phụ thuộc (h) vào lượng photon mẫu M10 49 Hình 3.7 Phổ dòng điện – điện (I – V) mẫu vật liệu MoS2 tổng hợp với nồng độ AM khác 51 h Hình 3.8 (a) Phổ mật độ dòng quang điện – điện (b) Giá trị mật độ dòng quang điện điện V mẫu vật liệu MoS2 tổng hợp với nồng độ AM khác 52 MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Do biến đổi khí hậu cạn kiệt nguồn tài nguyên, việc nghiên cứu phát triển nguồn lượng lượng gió, lượng nước, lượng mặt trời, lượng địa nhiệt, lượng sinh học,… mang ý nghĩa quan trọng cấp thiết tương lai Đặc biệt, ngành nghiên cứu mũi nhọn nhiều quốc gia, mang lại tiềm to lớn không phương diện kinh tế mà cịn cơng tìm nguồn lượng xanh, sạch, dễ sử dụng, không ô nhiễm môi trường cho nhân loại Tuy nhiên, nhược điểm lớn nguồn lượng việc sản xuất chúng không ổn định thay đổi vị trí, thời gian, thời tiết h yếu tố mơi trường khác Chính vậy, để hoàn toàn sử dụng điện từ nguồn lượng tái tạo, việc phát triển công nghệ thiết bị lưu trữ lượng trọng năm gần Một nguồn lượng sạch, dễ tái tạo không gây ô nhiễm môi trường nhiên liệu hydro (H2) oxy (O2) – sản phẩm trình tách nước (H2O) Hydro tạo từ trình tách nước giải pháp thay lý tưởng cho nguồn cung cấp lượng tương lai so với nhiên liệu hóa thạch dần bị cạn kiệt Trái Đất Việc phân tách nước thành hydro oxy q trình phức tạp, địi hỏi hai phản ứng riêng biệt - phản ứng tiến hóa hydro phản ứng tiến hoá oxy, phản ứng yêu cầu điện cực riêng biệt Đối với phản ứng tiến hóa hydro (HER: Hydrogen Evolution Reaction), chất xúc tác kim loại platin (Pt) công nhận chất xúc tác hiệu cao cho HER [8] Tuy nhiên, chất chịu ổn định hóa học mơi trường kiềm giá thành