Nghiên cứu tăng cường hoạt tính quang điện hóa của vật liệu thanh nano fe2o3 đồng pha tạp các nguyên tố ti và sn

Trang 1 NGUYỄN TUẤN ANHNGHIÊN CỨU TĂNG CƯỜNG HOẠT TÍNH QUANG ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU THANH NANO Fe2O3 ĐỒNG PHA TẠP CÁC NGUYÊN TỐ Ti VÀ SnLUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Trang 2 NGUYỄN TUẤN ANH T

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN TUẤN ANH NGHIÊN CỨU TĂNG CƯỜNG HOẠT TÍNH QUANG ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU THANH NANO Fe2O3 ĐỒNG PHA TẠP CÁC NGUYÊN TỐ Ti VÀ Sn LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Bình Định – Năm 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN TUẤN ANH NGHIÊN CỨU TĂNG CƯỜNG HOẠT TÍNH QUANG ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU THANH NANO Fe2O3 ĐỒNG PHA TẠP CÁC NGUYÊN TỐ Ti VÀ Sn Ngành : Vật lý chất rắn Mã số : 8440104 Người hướng dẫn: TS TRẦN NĂM TRUNG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn về đề tài “Nghiên cứu tăng cường hoạt tính quang điện hoá của vật liệu thanh nano Fe2O3 đồng pha tạp các nguyên tố Ti và Sn” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi trong thời gian qua Các số liệu và kết quả trình bày trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và không sao chép từ bất kỳ nghiên cứu nào khác Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về tính trung thực trong thông tin sử dụng trong công trình nghiên cứu này Học viên Nguyễn Tuấn Anh LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập và thực hiện luận văn, tôi đã nhận được sự chỉ bảo tận tình và giúp đỡ từ các từ quý thầy cô giáo Khoa Khoa học tự nhiên Trường Đại học Quy Nhơn và sự ủng hộ, động viên từ đồng nghiệp, bạn bè, nguời thân Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ sự kính trọng và biết ơn sâu sắc TS Trần Năm Trung - Giảng viên hướng dẫn trực tiếp đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong suốt thời gian tôi thực hiện đề tài luận văn Tôi xin cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ và nhiệt tình chỉ bảo của quý thầy cô giáo Bộ môn Vật lý – Khoa học Vật liệu, Khoa Khoa học tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn Tất cả những kiến thức và phương pháp mà các thầy cô truyền đạt đã giúp tôi có được nền tảng lý thuyết và nắm vững phương pháp nghiên cứu thực hiện đề tài 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 việc thực hiện các phép đo để đóng góp vào kết quả của luận văn này Cuối cùng, tôi xin cảm ơn những người thân của mình đã luôn bên cạnh, giúp đỡ, động viên và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp Học viên Nguyễn Tuấn Anh MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 1 1 Lý do chọn đề tài 1 2 Mục tiêu nghiên cứu 4 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4 4 Phương pháp nghiên cứu 4 5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 5 6 Cấu trúc luận văn 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 6 1.1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU Fe2O3 6 1.1.1 Cấu trúc của Fe2O3 6 1.1.1.1 α-Fe2O3 (hematite) 6 1.1.1.2 γ-Fe2O3 (maghemite) 8 1.1.1.3 ε-Fe2O3 9 1.1.1.4 β-Fe2O3 9 1.1.2 Một số tính chất của vật liệu Fe2O3 9 1.1.2.1 Tính chất từ của α-Fe2O3 9 1.1.2.2 Tính chất điện của α-Fe2O3 10 1.1.2.3 Tính chất quang của α-Fe2O3 10 1.1.2.4 Tính chất quang xúc tác 11 1.1.3 Một số phương pháp chế tạo vật liệu nano Fe2O3 13 1.1.3.1 Phương pháp sol – gel 13 1.1.3.2 Phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học 14 1.1.3.3 Phương pháp thủy nhiệt 15 1.1.4 Ứng dụng của vật liệu nano Fe2O3 16 1.1.4.1 Ứng dụng làm cảm biến khí 16 1.1.4.2 Ứng dụng trong xúc tác quang xử lý môi trường 16 1.1.4.3 Ứng dụng sản xuất nguồn năng lượng sạch hydro 17 1.1.5 Vật liệu Fe2O3 pha tạp 17 1.1.5.1 Pha tạp kim loại 18 1.1.5.2 Pha tạp phi kim 19 1.1.5.3 Đồng pha tạp 19 1.2 TỔNG QUAN VỀ QUANG ĐIỆN HÓA TÁCH NƯỚC (PEC) 20 1.2.1 Nguyên lý chung của hệ tách nước sử dụng ánh sáng 20 1.2.2 Nguyên lý của tế bào quang điện hóa 21 1.2.3 Hiệu suất của hệ tách nước 23 CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 26 2.1 HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM 26 2.1.1 Hóa chất 26 2.1.2 Dụng cụ 26 2.1.3 Thiết bị 26 2.2 QUY TRÌNH CHẾ TẠO MẪU 27 2.2.1 Tổng hợp vật liệu nano Fe2O3 pha tạp Ti 27 2.2.2 Tổng hợp vật liệu nano Fe2O3 đồng pha tạp Ti và Sn 29 2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT VẬT LIỆU 31 2.3.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 31 2.3.2 Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis) 33 2.3.3 Phương pháp phổ Raman 34 2.3.4 Đo thuộc tính quang điện hóa tách nước (PEC) 36 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37 3.1 HÌNH THÁI BỀ MẶT CỦA VẬT LIỆU 37 3.1.1 Hình thái bề mặt của vật liệu Fe2O3 pha tạp Ti 37 3.1.2 Hình thái bề mặt của vật liệu Fe2O3 đồng pha tạp Ti và Sn 39 3.2 CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU 41 3.2.1 Phổ tán xạ Raman 41 3.3.3 Đặc trưng mật độ dòng điện – thời gian (J-t) 48 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 50 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 51 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI ĐỀ ÁN THẠC SĨ (Bản sao) DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Hiệu suất chuyển đổi ánh 1 ABPE Applied Bias Photon-to- sáng thành dòng điện dưới current Efficiency tác dụng của thế mạch ngoài 2 CB Conduction Band Vùng dẫn 3 CVD Chemical Vapor Lắng đọng hơi hoá học Deposition 4 Eg Band gap energy Năng lượng vùng cấm 5 EDX Energy Dispersive X-ray Phổ tán sắc năng lượng tia Spectroscopy X 6 FTO Fluorinated Tin Oxide Kính phủ lớp dẫn điện ôxít thiếc pha tạp flo Incident Photon-to-current Hiệu suất chuyển đổi dòng 7 IPCE Conversion Efficiency photon tới thành dòng điện 8 LSV Linear Sweep Quét thế tuyến tính Voltammetry 9 PEC Photo Electrochemical Cell Tế bào quang điện hóa 10 QE Quantum Eficiency Hiệu suất lượng tử 11 SEM Scanning Electron Kính hiển vi điện tử quét Microscope 12 STH Solar-to-hydrogen Hiệu suất chuyển đổi ánh sáng thành hydrogen 13 UV Ultraviolet Bức xạ tử ngoại 14 UV-Vis Ultraviolet-Visible Quang phổ tử ngoại - khả spectroscopy kiến 15 VB Valence Band Vùng hoá trị 16 XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Bảng tổng hợp mẫu vật liệu thanh nano Fe2O3 pha tạp Ti 28 Bảng 2.2 Bảng tổng hợp mẫu vật liệu nano Fe2O3 đồng pha tạp Ti và Sn 30 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu trúc tinh thể hematite (α-Fe2O3) [9] 7 Hình 1.2 Minh họa sơ đồ cấu trúc tinh thể của hematit [11] 8 Hình 1.3 Các quá trình diễn ra trong chất bán dẫn khi được chiếu sáng [14] 11 Hình 1.4 Cơ chế quang xúc tác của vật liệu Fe2O3 13 Hình 1.5 (a) Mô hình của tế bào PEC tách nước [32], (b) Sơ đồ nguyên lý của một tế bào PEC sử dụng chất bán dẫn làm điện cực quang dưới sự chiếu sáng (các quá trình chính: (I) hấp thụ ánh sáng; (II) chia tách và vận chuyển điện tử; (III) phản ứng oxi hoá khử bề mặt) [33] 22 Hình 2.1 Sơ đồ mô tả quy trình tổng hợp vật liệu thanh nano Fe2O3 pha tạp Ti 28 Hình 2.2 Sơ đồ mô tả quy trình tổng hợp vật liệu nano Fe2O3 đồng pha tap Ti và Sn 30 Hình 2.3 Tương tác của chùm điện tử và vật rắn [60] 32 Hình 2.4 Sơ đồ cấu tạo của kính hiển vi điện tử quét (SEM) [60] 32 Hình 2.5 Hệ đo phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis) 34 Hình 2.6 Hệ thống máy quang phổ Raman 35 Hình 2.7 Hệ micro Raman UR1207J 35 Hình 2.8 Hệ khảo sát tính chất quang điện hóa 3 điện cực sử dụng CorrTest Electrochemical Workstation 36 Hình 3.1 Ảnh chụp các mẫu Fe2O3 không pha tạp (mẫu F) và pha tạp Ti với các nồng độ khác nhau: 0,125% (mẫu FT125), 0,25% (mẫu FT250) và 0,5% (mẫu FT500) sau khi được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt trên đế FTO 37 Hình 3.2 Ảnh SEM của các mẫu thanh nano (a) Fe2O3 không pha tạp và (b) pha tạp Ti với nồng độ 0,25% (mẫu FT250) 38