Nghiên cứu thuộc tính quang điện hóa tách nước của vật liệu bivo4 có cấu trúc nano bằng phương pháp lắng đọng điện hóa

Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN VĂN MINH NGHIÊN CỨU THUỘC TÍNH QUANG ĐIỆN HÓA TÁCH NƯỚC CỦA VẬT LIỆU BiVO4 CÓ CẤU TRÚC NANO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN VĂN MINH NGHIÊN CỨU THUỘC TÍNH QUANG ĐIỆN HÓA TÁCH NƯỚC CỦA VẬT LIỆU BiVO4 CÓ CẤU TRÚC NANO BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮNG ĐỌNG ĐIỆN HÓA Ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Người hướng dẫn: TS HOÀNG NHẬT HIẾU LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng Đề án “Nghiên cứu thuộc tính quang điện hóa tách nước của vật liệu BiVO4 có cấu trúc nano bặng phương pháp lắng đọng điện hóa” là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Hoàng Nhật Hiếu và được thực hiện tại trường Đại học Quy Nhơn Những kết quả này chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác Các kết quả thu được là chính xác và hoàn toàn trung thực Bình Định, ngày 30 tháng 09 năm 2023 Học viên Nguyễn Văn Minh LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo TS Hoàng Nhật Hiếu – người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu để tôi có thể hoàn thành tốt Đề án này Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô Bộ môn Vật lý-KHVL, Khoa Khoa học tự nhiên và Trường Đại học Quy Nhơn đã tạo mọi điều kiện cho tôi được học tập và nghiên cứu tại trường Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè và tập thể lớp Cao học Vật lý Chất rắn K24B đã luôn động viên, khích lệ tinh thần tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu khoa học Mặc dù đã rất cố gắng trong thời gian thực hiện luận văn nhưng vì còn hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm cũng như thời gian nghiên cứu nên không tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự thông cảm và những ý kiến đóng góp quý báu từ quý Thầy, Cô để đề án được hoàn thiện hơn Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả Nguyễn Văn Minh MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU 1 1 Lí do chọn đề tài 1 2 Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài: 2 3 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu: 4 4 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 4 5 Phương pháp nghiên cứu 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5 1.1 Hiệu ứng quang điện hóa tách nước 5 1.1.1 Nguyên lý và cấu trúc của tế bào quang điện 5 1.1.2 Cơ chế của phản ứng tách nước 6 1.1.3 Hiệu suất của PEC 7 1.1.4 Yêu cầu của vật liệu làm điện cực quang 8 1.2 Giới thiệu vật liệu BiVO4 10 1.2.1 Cấu trúc vật liệu BiVO4 10 1.2.2 Khe năng lượng của BiVO4 12 1.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất tách nước của vật liệu BiVO412 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 14 2.1 Quy trình chế tạo mẫu 14 2.1.1 Dụng cụ thí nghiệm .14 2.1.2 Hóa chất sử dụng 15 2.1.3 Chế tạo điện cực vật liệu BiVO4 15 2.2 Một số phương pháp khảo sát mẫu 17 2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 17 2.2.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy, SEM) 18 2.2.3 Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – khả kiến (UV-Vis-DRS)18 2.2.4 Đo thuộc tính quang điện hóa tách nước (PEC) của các cấu trúc chế tạo với các điều kiện chế tạo thay đổi 19 2.3 Một số phương pháp chế tạo vật liệu 19 2.3.1 Phương pháp lắng đọng điện hóa 19 2.3.2 Phương pháp hóa 20 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 21 3.1 Hình thái cấu trúc vi mô bằng ảnh SEM: 21 3.2 Kết quả phân tích cấu trúc bằng phổ XRD 26 3.3 Kết quả đo phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại khả kiến UV-vis-DRS 27 3.4 Thuộc tính quang điện hóa tách nước (PEC) 27 KẾT LUẬN CHUNG 33 1 Kết quả đạt được 33 2 Những đóng góp mới 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT UV-Vis Tử ngoại và khả kiến (Ultraviolet – Visible) FTO Kính phủ lớp dẫn điện trong suốt FTO (Fluoirnated Tin Oxide) XRD Nhiễu xạ tia X (X- Ray Diffraction) SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy) PEC Tế bào quang điện hóa ( Photo Electrochemical Cell) EDS Phổ nhiễu xạ điện tử (energy dispersive spectroscopy) IPCE Hiệu suất chuyển đổi dòng photon DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.2: Sơ đồ tách nước PEC sử dụng chất bán dẫn loại n, loại p và kết hợp n và p 6 Hình 2.1 Các thiết bị được chụp tại phòng thí nghiệm vật lí chất rắn tại trường Đại học Quy Nhơn: (a) Cân phân tích điện tử,( b) Máy khuấy từ gia nhiệt, (c) Máy rung rửa siêu âm, (d) Bộ thí nghiệm tạo Hydro từ nước sử dụng năng lượng quang, (e) Tủ sấy, (f) Lò nung ……………………………… 14 Hình 2.2: Ảnh quang của mẫu điện cực BiOI và BiVO4 17 Hình 3.1: Ảnh SEM mẫu BiOI với các độ phóng đại khác nhau, điện hóa 7 phút với nồng độ Bi(NO3) 0,04 M 21 Hình 3.2: Ảnh SEM mẫu BiOI với các độ phóng đại khác nhau, điện hóa 7 phút với nồng độ Bi(NO3) 0,02 M 22 Hình 3.3: Ảnh SEM các mẫu BiVO4 chuyển đổi từ các BiOI 0,04 M với các thời gian điện hóa thay đổi (a, b) 5 phút, (c, d) 7 phút, (e, f) 10 phút và (g, h) tương ứng với BiOI 0,02 M điện hóa 7 phút 24 Hình 3.4: Phổ EDS của mẫu BiVO4 chuyển đổi từ BiOI 0,02 M, 7 phút điện hóa 25 Hình 3.5: Giản đồ XRD của mẫu BiOI và BiVO4 26 Hình 3.6: Phổ UV-Vis DRS và vẽ Tauc để xác định khe năng lượng 27 Hình 3.7: Thuộc tính PEC các mẫu BiOI 0,04 M với thời gian và thế điện hóa thay đổi 28 Hình 3.8: Mật độ dòng quang và hiệu suất chuyển đổi quang của (a, b) các mẫu BiVO4-0,04 M với thời gian điện hóa BiOI thay đổi (c, d) so sánh hai mẫu BiVO4 với hai nồng độ khác nhau 0,02 M và 0,04 M 29 Hình 3.9: Phổ Mott-schottky của BiVO4 0,04 M (a) và 0,02 M (b) 31 Hình 3.10: Độ hồi đáp mật độ dòng theo thời gian với các vòng bật/tắt ánh sáng của điện cực BiVO4 32 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Hóa chất sử dụng 15 Bảng 3.1 Thành phần các nguyên tố tính toán của mẫu vật liệu BiVO4 25 1 MỞ ĐẦU 1 Lí do chọn đề tài Với nhu cầu năng lượng toàn cầu liên tục gia tăng gây áp lực lên môi trường và trữ lượng nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, nhu cầu cấp thiết phải chuyển sang các nguồn năng lượng sạch và tái tạo [1] Ánh sáng mặt trời là nguồn năng lượng tự nhiên dồi dào nhất của chúng ta Nó đã có thể được chuyển đổi thành điện năng một cách kinh tế bằng cách sử dụng công nghệ quang điện dựa trên silicon hiện có [2], nhưng nguồn điện khả dụng phụ thuộc vào cường độ ánh sáng tới, rõ ràng là chịu sự dao động hàng ngày và theo mùa Thu năng lượng mặt trời và lưu trữ dưới dạng nhiên liệu hóa học, đặc biệt là khí hydro, được công nhận rộng rãi là một phương pháp lý tưởng để khắc phục hạn chế này và cung cấp năng lượng theo yêu cầu cho nền kinh tế trong tương lai [3–5] Quá trình tách nước bằng ánh sáng sử dụng các tế bào quang điện hóa (Photoelectrochemical cell (PEC)) để sản xuất nhiên liệu hydro, lần đầu tiên được nghiên cứu bởi Honda và Fujishima đạt được với một điện cực quang làm bằng vật liệu bán dẫn TiO2 vào năm 1972 [6], là một cách hiệu quả để đạt được mục tiêu này và hiện đang là chủ đề nóng của các nhà nghiên cứu cho ứng dụng thực tế Vật liệu bán dẫn BiVO4 với pha đơn tà có độ rộng vùng cấm ~2,4 eV, và vị trí biên dải dẫn và dải hóa trị phù hợp cho các phản ứng oxy hóa và khử nước, tính ổn định hóa học tốt đã trở thành vật liệu điện cực quang ứng dụng phổ biến cho các tế bào quang điện hóa tách nước (PEC) [7,8] Chất bán dẫn này cũng không độc hại và bao gồm các nguyên tố dồi dào trên trái đất, khiến nó khả thi cho sản xuất thương mại quy mô lớn; thật vậy, BiVO4 đã là một vật liệu lâu đời trong ngành bột màu [9] Mặc dù BiVO4 có mật độ dòng quang lý thuyết là 7,5 mA.cm-2 và hiệu suất chuyển hóa năng lượng mặt trời thành hydro là ~9% dưới bức xạ của ánh sáng Mặt trời AM1,5G [7,10,11], nhưng 2 vật liệu này vẫn bị hạn chế bởi chiều dài khuếch tán lỗ trống ngắn [12,13], khả năng vận chuyển điện tử nghèo [14–17] và động học oxy hóa nước chậm [15,18] Để vượt qua những giới hạn này, nhiều nỗ lực khác nhau của các nhà nghiên cứu đã được thực hiện như: Xử lý bề mặt với các chất xúc tác để giảm sự tái hợp bề mặt, doping để tăng cường khả năng vận chuyển hạt tải điện, kết cặp với các vật liệu có khe năng lượng thấp để tăng cường khả năng hấp thụ quang và đồng thời hình thành lớp tiếp giáp khác loại giúp cải thiện khả năng tách và vận chuyển hạt tải…Trong số đó, việc thiết kế những cấu trúc nano để vượt qua chiều dài khuếch tán hạt tải là một cách hiệu quả để cải thiện hiệu suất tách nước quang điện hóa Đặc biệt hơn, những cấu trúc nano chế tạo với những phương pháp khác nhau cũng ảnh hưởng quyết định đến hiệu suất, nhờ vào sự cải thiện chất lượng tinh thể của sản phẩm dẫn đến cải thiện chiều dài khuếch tán của hạt tải Với những lý do đó, tôi chọn đề tài “Nghiên cứu thuộc tính quang điện hóa tách nước của vật liệu “BiVO4 có cấu trúc nano bằng phương pháp lắng đọng điện hóa” để nghiên cứu 2 Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài: Thuộc tính PEC của BiVO4, phần lớn phụ thuộc vào phương pháp tổng hợp được sử dụng Rất nhiều tài liệu đề cập đến các kỹ thuật tổng hợp bột được sử dụng để điều chế BiVO4 Sau đó, bột tổng hợp được lắng đọng trên các điện cực dẫn điện thông qua kỹ thuật phủ spin, phủ nhúng hoặc doctor black Đây là những kỹ thuật đơn giản có thể dễ dàng thực hiện với chi phí rẻ Tuy nhiên, bột BiVO4 được tổng hợp bằng các phương pháp này thường có diện tích bề mặt rất thấp, thường có giá trị nhỏ hơn 10 m2/g [19] Tính đồng nhất trong màng điện cực được tạo ra bằng phương pháp này cũng là một vấn đề để nhân rộng Mặt khác, màng mỏng BiVO4 mọc trực tiếp trên đế dẫn bằng