Trang 1 TẠ THỊ MỸCHẾ TẠO VẬT LIỆU BiVO4 CẤU TRÚC NANO ỨNG DỤNG TRONGQUANG ĐIỆN HÓA TÁCH NƯỚCNgành: Vật lí chất rắnMã số : 8440104 Trang 2 cấu trúc nano ứng dụng trong quang điện hóa tác
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN TẠ THỊ MỸ CHẾ TẠO VẬT LIỆU BiVO4 CẤU TRÚC NANO ỨNG DỤNG TRONG QUANG ĐIỆN HÓA TÁCH NƯỚC Ngành: Vật lí chất rắn Mã số : 8440104 Người hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Nghĩa LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả của đề tài “Chế tạo vật liệu BiVO4 cấu trúc nano ứng dụng trong quang điện hóa tách nước” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Văn Nghĩa, tài liệu tham khảo đã được trích dẫn đầy đủ Tác giả đề án Tạ Thị Mỹ LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành đề án, tôi đã nhận được nhiều sự góp ý, hỗ trợ, chỉ bảo nhiệt tình của quý thầy cô giáo, đồng nghiệp và bạn bè Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Văn Nghĩa – người đã hướng dẫn trực tiếp tôi trong suốt quá trình học tập và tạo điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện hoàn thành đề án Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô Bộ môn Vật lý – Khoa học vật liệu, Khoa Khoa học tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn Những kiến thức mà các thầy cô đã truyền đạt là nền tảng tri thức vững chắc cho tôi trong quá trình học tập cũng như sau khi ra trường Tôi đã nhận được nhiều sự quan tâm, giúp đỡ và giảng dạy nhiệt tình của quý thầy cô Tôi xin được gửi lời cảm ơn tới cán bộ, giảng viên Phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Trường Đại học Quy Nhơn, đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm thí nghiệm, khảo sát, hoàn thành đề án Cuối cùng, tôi xin cảm ơn những người thân của mình đã luôn bên cạnh, động viên để tôi hoàn thành đề án tốt nghiệp Cảm ơn tập thể lớp Cao học Vật lý chất rắn Khóa 24B đã đồng hành cùng tôi trong hai năm học vừa qua Xin trân trọng cảm ơn! Học viên Tạ Thị Mỹ MỤC LỤC MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3 DANH MỤC CÁC BẢNG 4 DANH MỤC CÁC HÌNH 5 MỞ ĐẦU 1 1.1 Giới thiệu về vật liệu BiVO4 4 1.1.1 Cấu trúc tinh thể 4 1.1.2 Cấu trúc vùng năng lượng của BiVO4 7 1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tách nước của BiVO4 8 1.2 Các phương pháp tổng hợp BiVO4 12 1.2.1 Phương pháp phản ứng pha rắn 12 1.2.2 Phương pháp sol-gel 12 1.2.3 Phương pháp thủy nhiệt 13 1.3 Ứng dụng của BiVO4 14 1.4 Cơ chế quang xúc tác của vật liệu BiVO4 15 1.5 Công nghệ quang điện hóa tách nước 15 1.5.1 Nguyên lý và cấu trúc của PEC 15 1.5.2 Cơ chế của phản ứng tách nước 17 1.5.3 Các tham số đánh giá phẩm chất vật liệu làm điện cực quang 18 1.5.4 Vật liệu làm điện cực quang 22 1.6 Tình hình nghiên cứu 24 1.6.1 Trong nước 24 1.6.2 Tình hình nghiên cứu thế giới 25 KẾT LUẬN 27 CHƯƠNG 2 28 2.1 Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm 29 2.1.1 Hóa chất .29 2.1.2 Dụng cụ thí nghiệm 29 2.2 Tổng hợp vật liệu 29 2.2.1 Chuẩn bị đế FTO .29 2.2.2 Tổng hợp BiOI trên đến FTO bằng phương pháp dung môi nhiệt .30 2.2.3 Tổng hợp BiVO4 trên đến FTO bằng phương pháp phản ứng pha rắn 31 2.3 Các phương pháp đặc trưng vật liệu .32 2.3.1 Nhiễu xạ tia X 32 2.3.2 Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – khả kiến (UV-Vis- DRS) 32 Phổ UV-Vis-DRS của các mẫu vật liệu được xác định trên máy Jasco-V770 tại Phòng thí nghiệm thuộc khoa Khoa học tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn 33 2.3.4 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 33 2.3.5 Phương pháp quét thế tuyến tính (Linear sweep voltammetry: LSV) 33 2.3.6 Phương pháp phổ tổng trở điện hóa (Electrochemistry impedance spectrum: EIS) 34 KẾT LUẬN 35 CHƯƠNG 3 36 3.1 Thuốc tính cấu trúc của điện cực quang .36 3.1.1 Cấu trúc điện cực quang BiOI/FTO 36 3.1.2 Cấu trúc điện cực quang BiVO4/FTO 39 3.2 Hình thái của vật liệu 40 3.3 Thuộc tính quang học của điện cực BiVO4/FTO 43 3.4 Thuộc tính quang điện hóa điện cực BiVO4/FTO 44 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt DMSO Dimethylsulfoxide KI Potassium iodode Kali iotua FTO Fluorine doped tin oxide oxit pha tạp Fluorine EIS Electrochemistry impedance Quang phổ trở kháng điện LVS spectrum hóa SEM Linear sweep voltammetry Quét thế tuyến tính SPP Kính hiển vi quét điện tử SPR Scanning electron microscopy quét UV-Vis-DRS Surface plasmon polariton Phân cực bề mặt plasmon XRD Cổng hưởng plasmon bề K-M Surface Plasmon Resonance PEC mặt UltraViolet - Visible Spectroscopy Phổ phản xạ khuếch tán tử X-ray Diffraction ngoại – khả kiến Kubel kamuon Nhiễu xạ tia X Photoelectrochemical cell Tế bào quang điện hóa DANH MỤC CÁC BẢNG Kí hiệu Nội dug Trang Bảng độ dài liên kết Bi-O và V-O của BiVO4 dạng cấu 6 Bảng 1.1 trúc đơn tà Potassium iodode 6 Bảng 1.2 Hệ số TC ứng với các nồng độ khác nhau 37 Bảng 3.1 Giá trị Eg; EVB và ECB của BiVO4/FTO 43 Bảng 3.2 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Bột Bistmut vanadat (BiVO4) 5 Hình 1.2 Sơ đồ biểu diễn các cấu trúc BiVO4 6 Hình 1.4 Cấu trúc vùng năng lượng được tính toán của BiVO4 cấu trúc đơn tà .9 Hình 1.5 Mật độ dòng quang tại điện thế 1,23 V dưới mức kích thích đèn có cường độ 1 SUN, của các điện cực quang oxit kim loại khác nhau BiVO4, TiO2, Fe2O3 và WO3 10 Hình 1.6 Sơ đồ minh họa động lực học hạt mang điện trong BiVO4 12 Hình 1.7 Vị trí mức năng lượng giam giữ các điện tử trong vùng năng lượng BiVO4 13 Hình 1.8 Cấu trúc của hệ quang điện hóa tách nước ba điện cực 19 Hình 1.9 Cơ chế phản ứng quang điện hóa 20 Hình 1.10 Đặc trưng j - V của điện cực quang bán dẫn loại n khi được chiếu sáng .24 Hình 1.11 Giản đồ cho thấy khe năng lượng của các vật liệu ôxít khác nhau so sánh với mức chân không và mức điện cực hiđro trong chất điện phân pH = 1 26 Hình 1.12 Ảnh SEM và giản đồ XRD BiVO4 28 Hình 1.13 Ảnh SEM và mật độ dòng quang của điện cực BiVO4/FTO 28 Hình 2.1 Các điện cực BiOI trên đế FTO ở nhiệt độ phản ứng khác nhau .30 Hình 2.2 Các điện cực BiOI trên đế FTO ở các nồng độ khác nhau .30 Hình 2.3 Các điện cực BiVO4/FTO ở các nồng độ khác nhau 31 Hình 2.4 Qui trình tổng hợp điện cực BiVO4/FTO 32 Hình 2.5 Mô hình khảo sát PEC 33 Hình 3.1 Giản đồ XRD theo các nhiệt độ phản ứng 34 Hình 3.2 Giản đồ XRD của điện cực BiOI/FTO ở các nồng độ tiền chất khác nhau 35 Hình 3.3 Giản đồ XRD điện cực BiVO4/FTO 37 Hình 3.4 Hình thái của BiOI ở các nồng độ tiền chất khác nhau .38 Hình 3.5 Ảnh SEM các điện cực BiVO4/FTO 40 Hình 3.6 Phổ UV-Vis (a) và hàm K-M vs (hn) của các điện cực BiVO4/FTO 41 Hình 3.7 Phổ M-S các điện cực BiVO4/FTO .43 Hình 3.8 Sự phụ thuộc jp vào hiệu suất và vào thế ngoài .44 Hình 3.9 Jp của các điện cực tại chu kì bật – tắt ánh sáng kích thích và độ bền điện cực BiVO4/FTO 30 mM 45 Hình 3.10 Phổ EIS các điện cực BiVO4/FTO 46 1 MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài Theo số liệu Tổ chức khí tượng thế giới khí thải CO2 là 415,7 phần triệu; CH4 là 1,908 phần tỷ ; NO là 334,5 phần tỷ.Các giá trụ lần lượt cao hơn 149%,262% và 124% so với thời kì tiền công nghiệp Lượng khí thải này đến từ một phần con người sử dụng các nhiên liệu hóa thạch phục vụ cho mục đích liên quan đến năng lượng trong cuộc sống Nguồn nhiên liệu này vẫn đóng một vai trò chủ đạo trong nhu cầu năng lượng của thế giới hiện nay Trong tương lai nguồn năng lượng này sẽ cạn kiệt, do đó nguồn năng lượng tái tạo đã được phát triển để thay thế cho nguồn nhiên liệu hóa thạch như năng lượng gió, địa nhiệt, thủy điện và năng lượng mặt trời Đây là những nguồn năng lượng tương đối sạch và bền vững Nhưng đối với mỗi nguồn năng lượng đều mang lại những ưu và khuyết điểm Để khai thác và sử dụng nguồn năng lượng mà vẫn đảm bảo các tiêu chí: cải thiện chất lượng cuốc sống, môi trường sống và hạn chế phát thải các chất gây ô nhiễm mỗi trường, thực hiện các giải pháp xử lí chất thải hữu cơ gây độc hại đối với con người và môi trường đang được các nhà khoa học quan tâm nghiên cứu sâu rộng Tận dụng tối đa nguồn năng lượng dồi dào từ thiên nhiên, lựa chọn nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường là tiêu chí hàng đầu đối với các nhà nghiên cứu hiện nay và trong tương lai Trong đó, hydrogen được xem như là nguồn năng lượng lý tưởng bởi những lý do sau: Thứ nhất, nó là nguyên tố có nhiều nhất trong tự nhiên và tồn tại cả trong nước lẫn trong khí sinh học; Thứ hai, hydrogen rất nhẹ (0,89 g/L) nên nó có mật độ năng lượng (~140 kJ/g) lớn hơn bất kì loại nhiên liệu nào khác, chẳng hạn như xăng (~40 kJ/g); Thứ ba, nó thân thiện với môi trường bởi vì việc sử dụng nó không sinh ra các chất ô nhiễm cũng như bất kỳ tác động xấu nào đối với môi trường [1] Hydrogen là nguồn nhiên liệu sạch cung cấp chủ yếu cho quá trình tạo ra năng lượng điện từ pin nhiên liệu – Là một trong những nguồn năng lượng sạch có sẵn trong tự nhiên không gây hại với môi trường đặc biệt là tiết kiệm được năng lượng hóa thạch