nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposite mos2 go bằng phương pháp thủy nhiệt và hướng tới ứng dụng trong siêu tụ điện

- Nắm bắt được công nghệ chế tạo nanocomposite MoS2/GO - Tổng hợp vật liệu nanocomposite MoS2/GO bằng phương pháp thủy nhiệt - Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian lên cấu trúc, hình thái

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2023NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANOCOMPOSITE MoS2/GO

BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT VÀ HƯỚNG TỚI ỨNG DỤNG TRONG SIÊU TỤ ĐIỆN

SKL011837

GVHD: PGS TS TRẦN VĂN KHẢI SVTH: TRẦN THANH QUÂN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANOCOMPOSITE MoS2/GO BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT VÀ

HƯỚNG TỚI ỨNG DỤNG TRONG SIÊU TỤ ĐIỆN

SVTH: TRẦN THANH QUÂN MSSV: 19128065

GVHD: PGS.TS TRẦN VĂN KHẢI

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2023

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP NANOCOMPOSITE MoS2/GO BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT VÀ

HƯỚNG TỚI ỨNG DỤNG TRONG SIÊU TỤ ĐIỆN

SVTH: TRẦN THANH QUÂN MSSV: 19128065

GVHD: PGS.TS TRẦN VĂN KHẢI

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2023

i

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả các thầy cô thuộc khoa công nghệ Hóa Học và Thực Phẩm nói chung và các thầy cô thuộc bộ môn công nghệ Hóa Học nói riêng vì đã giảng dạy, hỗ trợ và giúp đỡ em trong các môn học cơ sở ngành và chuyên ngành, từ đó đã tạo một nền tảng vững chắc để em có thể tự tìm tòi và học hỏi thêm trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy PGS TS Trần Văn Khải , đã giới thiệu và định hướng đề tài luận văn tốt nghiệp cho em Cảm ơn thầy đã luôn đồng hành, giúp đỡ hỗ trợ em cả về mặt kiến thức cả về chi phí cơ sở vật chất, tạo điều kiện cho em hoàn thiện luận văn một cách thuận lợi nhất

Em xin gửi lời cảm ơn đến cô Nguyễn Thị Mỹ Lệ, đã nhiệt tình giúp đỡ về mặt trang thiết bị, hóa chất, máy móc tương ứng để em có thể thực hiện các thí nghiệm một cách an toàn và hiệu quả Tạo điều kiện cho chúng em được chủ động thời gian làm việc ở phòng thí nghiệm, để luận văn được hoàn thành đúng thời hạn

Xin cảm ơn quý thầy cô khoa Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học & Thực Phẩm Đã giảng dạy, truyền đạt kiến thức trong suốt 4 năm vừa qua Đã hỗ trợ giúp đỡ tạo điều kiện cho em được thực hiện và hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Đặc biệt, là lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình đã luôn tin tưởng, hỗ trợ, tạo động lực là chỗ dựa vững chắc cho em suốt 4 năm đại học và hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Do thời gian thực hiện luận văn có hạn cũng như kiến thức bản thân em còn hạn hẹp nên không tránh khỏi những thiếu sót trong lúc nghiên cứu và báo cáo Vì vậy, em kính mong nhận được những ý kiến đóng góp và sửa chữa từ quý thầy cô, quý anh chị để bài báo cáo được hoàn thiện hơn

Một lần nữa, em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất và chúc quý thầy cô, thật nhiều sức khỏe Em xin chân thành cảm ơn!

ii

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan toàn bộ nội dung nghiên cứu này được thực hiện bởi chính em dưới sự cố vấn và hướng dẫn của thầy Trần Văn Khải Những kết quả thực nghiệm được trình bày trên đây hoàn toàn là trung thực Toàn bộ tài liệu tham khảo được thu thập từ những nguồn đáng tin cậy và được liệt kê đầy đủ

Tp Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 07 năm 2023

Sinh viên thực hiện

Trần Thanh Quân

1.6.1 Giới thiệu về siêu tụ điện 17

1.6.2 Phân loại siêu tụ điện 17

1.6.3 Tiêu chí đánh giá siêu tụ điện 18

1.6.4 Nhiệm vụ đặt ra khi thực hiện đề tài 19

1.6.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 19

1.6.6 Phương pháp tiến hành 19

2.2.1 Tổng hợp graphene oxide bằng phương pháp Hummer cải tiến 23

2.2.2 Quy trình tổng hợp nanocomposite MoS2/GO bằng phương pháp thủy nhiệt 27

2.3 Xử lý và chuẩn bị mẫu phân tích 31

2.3.1 Mẫu được sử dụng để phân tích bằng XRD, phổ Raman 31

2.3.3 Chuẩn bị điện cực làm việc 33

2.4 Phương pháp phân tích và thiết bị 36

2.4.1 Các phương pháp phân tích 36

2.4.1.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X 37

2.4.1.2 Phổ tán xạ raman và phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier 38

2.4.1.3 Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường ( FESEM) và phổ tán xạ năng lượng (EDS) 39

2.4.1.4 Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn ( CV – Cyclic Voltametry ) 40

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 44

3.1 Kết quả Graphene oxide tổng hợp được 44

3.1.1 Kết quả đo XRD 44

3.1.2 Kết quả đo bằng Raman 45

v

3.1.3 Kết quả phân tích hình ảnh bằng SEM 47

3.2 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ tổng hợp lên cấu trúc của nanocomposite MoS2/GO 49

3.2.1 Kết quả đo XRD 49

3.2.2 Kết quả đo Raman của nanocomposite MoS2/GO 50

3.2.3 Kết quả đo FESEM của nanocomposite MoS2/GO 54

3.2.4 Kết quả đo TEM của nanocomposite MoS2/GO 57

3.2.5 Kết quả đo FTIR của nanocomposite MoS2/GO 58

3.2.6 Kết quả đo EDS của nanoomposite MoS2/GO 59

3.3 Khảo sát tính chất điện hóa của nanocomposite MoS2/GO bằng phương pháp đo quét thế vòng (Cyclic voltammetry–CV) 62

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

vi

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 Cấu trúc và tính chất của vật liệu graphite và graphene 7

Bảng 1 2 Hằng số mạng và các tính chất vật lý của ba pha MoS2 được tham khảo từ bài nghiên cứu của nhóm tác giả Samy [22] 11

Bảng 2 1 Các hóa chất sử dụng trong quá trình thí nghiệm 21

Bảng 2 2 Các thiết bị sử dụng trong quá trình thí nghiệm 22

Bảng 2 3 Các thí nghiệm được phân chia theo thời gian khác nhau 31

Bảng 2 4 Phân loại và tiêu chí các loại điện cực 41

Bảng 3 1 Hiệu số vị trí của đỉnh A1g và 𝐸2𝑔1và dự đoán số lớp 53

Bảng 3 2 Khảo sát điện dung ở mẫu tổng hợp trong 4h và tốc độ quét khác nhau 64

Bảng 3 3 Khảo sát điện dung ở mẫu tổng hợp trong 8h và tốc độ quét khác nhau 64

Bảng 3 4 Khảo sát điện dung ở mẫu tổng hợp trong 12h và tốc độ quét khác nhau 65

Bảng 3 5 Khảo sát điện dung ở mẫu tổng hợp trong 4, 8 và 12hError! Bookmark not

defined.

vii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 Các loại tụ điện và siêu tụ điện 2

Hình 1 2 Các dạng cấu trúc của vật liệu cacbon với kiểu lai hóa khác nhau: (a) kim cương (sp3); (b) graphite (sp2); (c) carbide (sp) [10] 5

Hình 1 3 Cấu trúc của graphite, hằng số mạng lần lượt là 0.2456 nm và 0.6708 nm 5

Hình 1 4 Một số ứng dụng tiêu biểu của graphene 9

Hình 1.5 Ba kiểu cấu trúc MoS2: 1T, 2H và 3R [22] 10

Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể của MoS2 11

Hình 1 7 Một số ứng dụng tiêu biểu của MoS2 14

Hình 1.8 (a) Cấu trúc tinh thể của MoS2, (c) graphene và (d) nanocomposite MoS2/GO; (b) hai pha tinh thể của MoS2 [32]. 15

Hình 1 9 Phân loại siêu tụ điện 18

Hình 2 1 Quy trình tổng hợp graphene oxide bằng phương pháp Hummer cải tiến 24

Hình 2 2 Dung dịch GO trước và sau khi thêm H2O2 25

Hình 2 3 Dung dịch GO trước và sau khi lắng 25

Hình 2 4 a) Dung dịch GO sau khi đạt PH ~ 6-7, b) Đánh siêu âm dung dịch GO 26

Hình 2 5 Định lượng dung dịch GO 26

Hình 2 6 Quy trình tổng hợp nano composite MoS2/GO bằng phương pháp thủy nhiệt 28

Hình 2 7 a) Hỗn hợp dung dịch được đánh siêu âm trong 1 giờ, b) Khuấy hỗn hợp dung dịch trong 1 giờ 29

Hình 2 8 Bộ Autoclave và Teflon dùng trong thí nghiệm 29

viii Hình 2 9 a) Mẫu nano composite MoS2/GO sau khi lấy ra từ bình thủy nhiệt b) Mẫu nano

composite MoS2/GO được rửa sạch 30

Hình 2 10 Trước và sau khi sấy mẫu ở 55 oC 32

Hình 2 11 Mẫu được phủ lên lam kính dùng để do XRD 32

Hình 2 12 Hỗn hợp chất kết dính 33

Hình 2 13 Vật liệu điện cực được khuấy liên tục trong 24 giờ 34

Hình 2 14 Quy trình chế tạo vật liệu điện cực 34

Hình 2 15 Làm sạch tấm Nickel xốp 35

Hình 2 16 Hỗn hợp vật liệu được phủ trên các tấm nickel xốp 36

Hình 2 17 Máy nhiễu xạ tia X (D8-Adavance) 37

Hình 2 18 Thiết bị đo phổ tán xạ Raman 38

Hình 2 19 a) Hệ ba điện cực điển hình từ công ty Pineresearch [38]; b) Cấu tạo cơ bản của hệ ba điện cực khi kết nối với máy potentialstat 40

Hình 2 20 Một số thông tin thu được từ đồ thị CV 42

Hình 2 21 Thiết bị đo điện hóa ( Viện công nghệ Nano) 43

Hình 3 1 Kết quả đo XRD của graphite và graphene oxide 44

Hình 3 2 Kết quả đo Raman của graphite và graphene oxide 46

Hình 3 3 Hình ảnh bột graphite ban đầu được bằng ảnh kỹ thuật số 47

Hình 3 4 Ảnh đo SEM bột graphite (bề ngang khoảng 3-6 µm) 47

Hình 3 5 Hình ảnh đo SEM ở độ phóng đại a) 10k; b) 40k; c) 300k; d) 600k của GO 48

Hình 3 6 Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu GO và nanocomposite MoS2/GO tổng hợp ở: 4, 8 và 12 h; và thẻ nhiễu xạ tiêu chuẩn của 2H-MoS2 49

ix Hình 3 7 Phổ Raman của mẫu MoS2 tinh khiết (tổng hợp ở 200 oC vời thời gian 12 h không có sự hiện diện của GO) và của nancomposite MoS2/GO tổng hợp ở: 4, 8, 12 h 51Hình 3 8 Phổ Raman trong vùng tần số (150-600 cm-1) a) Mẫu 4h; b) Mẫu 8h; c) Mẫu 12h; d) Mẫu MoS2 tinh khiết (tổng hợp ở 200 oC vời thời gian 12 h không có sự hiện diện của GO) 52Hình 3 9 Ảnh FESEM của nanocomposite MoS2/GO tổng hợp ở 4h, 8h, 12h dưới độ phóng đại 5k 54Hình 3 10 Ảnh FESEM của nanocomposite MoS2/GO tổng hợp ở 4h, 8h, 12h dưới độ phóng đại 30k và 60k 56Hình 3 11 Hình ảnh a) TEM và b) HRTEM của MoS2/GO (12 h) 57Hình 3 12 Kết quả FTIR của GO, MoS2 và các mẫu composite tổng hợp ở: 4h, 8h, 12h 59Hình 3 13 Kết quả phân tích thành phần hóa mẫu composite MoS2/GO 60Hình 3 14 Sự phân bố của các nguyên tố C, O, Mo và S trong mẫu 61Hình 3 15 Đồ thị quét thế vòng tuần hoàn tại những tốc độ quét khác nhau của mẫu: a) MoS2/GO 4h ; b) MoS2/GO 8h ; c) MoS2/GO 12h ; d) Đồ thị CV của ba mẫu 4h, 8h và 12 h tại cùng tốc độ quét 50 mV.s-1 62

x

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt GO Graphene oxide Graphene ôxít rGO Reduced graphene oxide Reduced graphene ôxít MoS2 Molybdenum disulfide Molybdenum disulfide NMP N-Methyl-2-pyrrolidone N-Methyl-2-pyrrolidone PVDF Polyvinylidene fluoride Polyvinylidene fluoride TMDs Transition metal

Quang phổ chuyển đổi hồng ngoại

TEM/HRTEM Transmission electron

microscopy / High resolution Transmission Electron Microscopy

Kính hiển vi điện tử truyền qua / Hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao

SEM Scanning Electron

Microscopes

Kính hiển vi điện tử quét

FESEM Field emission scanning

electron microscop

Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường

xi EDX Energy-dispersive X-ray

spectroscopy

Phổ tán sắc năng lượng tia X

CV Cyclic voltammetry Quét thế vòng tuần hoàn

xii

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Luận văn đã tổng hợp thành công vật liệu nanocomposite MoS2/GO bằng phương pháp thủy nhiệt trong điều kiện phản ứng khác nhau về thời gian ( 4h, 8h và 12h) và cho thấy rằng chúng có khả năng ứng dụng làm vật liệu điện cực trong siêu tụ điện

- Tìm hiểu tổng quan về vật liệu nano hai chiều là graphene, graphene oxide và MoS2 - Nắm bắt được công nghệ chế tạo nanocomposite MoS2/GO

- Tổng hợp vật liệu nanocomposite MoS2/GO bằng phương pháp thủy nhiệt - Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian lên cấu trúc, hình thái và tính chất điện hóa của

vật liệu nanocomposite MoS2/GO đã tổng hợp bằng các phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM), phổ tán xạ năng lượng (EDS), kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải cao (HRTEM), phổ tán xạ Raman, phổ phát xạ hồng ngoại chuyển đổi Fourier (FTIR), đồ thị quét thế vòng tuần hoàn (CV)

- Kết phân tích chỉ ra rằng: Pha 1T-MoS2 đã dịch chuyển dần sang pha 2H-MoS2 với sự gia tăng thời gian phản thủy nhiệt (điều kiện tổng hợp: 200oC - 4h ÷ 12h) Khi thời gian phản ứng đạt 12h ta thu được MoS2 có pha tinh thể 2H và có dạng như là bông hoa phân tán đều trên nền GO

- Khảo sát điện hóa của vật liệu theo từng điều kiện tổng hợp Kết quả chỉ ra rằng vật liệu MoS2/GO có tiềm năng ứng dụng làm vật liệu điện cực trong siêu tụ điện

xiii

MỞ ĐẦU

Nhu cầu năng lượng trong sản xuất và đời sống ngày càng tăng của thế giới cùng với sự cạn kiệt các nguồn nhiên liệu hóa thạch đòi hỏi cần phải phát triển những nguồn năng lượng thay thế, tự nhiên, sạch và có thể tái tạo như năng lượng sinh học, năng lượng mặt trời, hydro, gió… nhằm giải quyết vấn đề thiếu hụt năng lượng,ô nhiễm môi trườngvà hiện tượng toàn cầu nóng dần lên [1] Sự phát thải CO2 và các hậu quả của ô nhiễm không khí có thể được giải quyết bằng cách chuyển đổi nhiên liệu cho các phương tiện giao thông từ nhiên liệu hóa thạch sang điện năng hay hỗn hợp xăng – điện Đồng thời, lĩnh vực công nghệ thông tin và điện tử viễn thông đang phát triển rất mạnh mẽ tạo điều kiện cho các thiết bị điện tử cầm tay như điện thoại, thiết bị theo dõi sức khỏe, đồng hồ thông minh, máy tính xách tay… được sử dụng phổ biến [2] [3] Những thiết bị này đòi hỏi phải có dung lượng lớn, thời gian sử dụng lâu, nạp điện nhanh, nhẹ, chu kỳ dài, chi phí thấp, an toàn cho thấy nhu cầu rất lớn về các thiết bị lưu trữ năng lượng cho các ứng dụng kể trên [4] [5]

Chính vì vậy các nhà nghiên cứu đã thấy được rằng vật liệu MoS2 khi kết hợp với graphene sẽ tạo thành các dạng cấu trúc mới trên cơ sở tương đồng về cấu trúc mạng tinh thể Khả năng tích điện đàn hồi nhưng độ dẫn điện kém của MoS2 dạng tấm kích thước nano sẽ được tăng cường và cải thiện bởi bề mặt riêng lớn và độ dẫn điện rất cao của gaphene Sự kết hợp hai loại vật liệu với các tính chất riêng biệt bằng kỹ thuật tổng hợp phù hợp sẽ tạo ra vật liệu mới với tính chất điện hóa độc nhất đáp ứng được các yêu cầu về hiệu năng của vật liệu điện cực cho siêu tụ điện

Vì vậy mục tiêu nghiên cứu đề tài này nhằm tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu thế hệ mới MoS2/GO với khả năng tăng cường điện dung và mật độ năng lượng của siêu tụ điện bằng quy trình đơn giản, phù hợp điều kiện kỹ thuật, thiết bị hiện tại nhằm hướng tới ứng dụng làm điện cực cho siêu tụ

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Các hiệu ứng lượng tử của graphene được khám phá ra sau đó chứng minh cho sự tương thích đối với các lý thuyết mà các nhà khoa học trước đây dùng để mô tả tính chất đặc biệt của graphite từ hàng chục năm trước Những kết quả và phát hiện mang tính ứng dụng cao này đã tạo ra nhiều hướng phát triển đầy triển trong các lĩnh vực điện, quang học, hóa học xuất phát từ vật liệu graphene cho đến hiện nay

Trong lĩnh vực điện tử và năng lượng, các thiết bị lưu trữ năng lượng sạch đang ngày càng được quan tâm như các loại pin thứ cấp, pin sơ cấp, pin nhiên liệu, Pin là một thiết bị có khả năng lưu trữ năng lượng nhờ vào các vật liệu điện cực được thiết lập bên trong; tuy nhiên, công suất phát thấp và tốc sạc chậm của các loại pin hay ắc quy là một trong những điểm hạn chế mặc dù chúng là các thiết bị có khả năng lưu trữ năng lượng nhiều nhất so với các thiết bị điện khác, thế nên việc tích hợp những chiếc pin kích thước nhỏ lại với nhau thành một cụm pin và được sử dụng trong các phương tiện như xe điện, trạm lưu trữ điện hay các hệ thống sử dụng điện năng khác sẽ tối ưu được công suất phát cho toàn hệ Mặt khác, tụ điện là một thiết bị có công suất phát lớn hơn pin cùng với tốc độ sạc-xả nhanh được sử dụng để kích hoạt các hệ thống điện, kích hoạt động cơ trong các phương điện chạy bằng điện như xe ô tô, xe buýt, tàu điện ngầm hay các hệ thống hàng không vũ trụ Tuy nhiên, tụ điện lại lưu trữ năng lượng ít hơn rất nhiều so với các loại pin sạc, chưa kể quá trình sạc-xả diễn ra nhiều thường xuyên khiến cho tuổi thọ của thiết bị này mau chóng suy giảm

2 Từ sự ra đời của vật liệu graphene, các tính chất được khám phá cho thấy sự ưu việt của vật liệu này như một dang vật liệu hai chiều đa dụng Đơn lớp graphene có các tính chất như: độ truyền qua cao với độ rộng vùng cấm 0 eV, độ dẫn nhiệt 3000-5000 W.m-1K-1 và thêm một vài thông số đặc biệt khác Chính vì thế các nhà khoa học và nghiên cứu ở nhiều lĩnh vực liên quan bắt đầu công cuộc nghiên cứu vật liệu hai chiều và chế tạo ra thêm rất nhiều loại vật liệu hai chiều khác mang những tính chất đặt biệt giúp đóng góp vào kho tàng những vật liệu hai chiều đầy tiềm năng ứng dụng Có thể thấy loại vật liệu này mang tính lôi cuốn trong việc nghiên cứu và ứng dụng chúng, điều này có thể thấy qua số lượng lớn với hơn 150 các loại vật liệu hai chiều khác nhau được nghiên cứu và chế tạo cho đến hiện nay [6]

Mỗi một loại vật liệu đều có ưu nhược điểm của chúng, tuy nhiên, bất kỳ một ứng dụng nào cũng phải đạt đủ các tiêu chí cần thiết Chẳng hạn như vật liệu điện cực dùng cho tụ điện kép làm từ carbon giúp thiết bị này có tốc độ nạp-xả nhanh hơn tụ điện truyền thống nhưng khả năng tích trữ năng lượng để sử dụng trong thời gian dài lại kém hơn các loại pin, ắc quy và vì thế để cải thiện nhược điểm này cho siêu tụ điện các nhà nghiên cứu đã cho ra đời một loại giả tụ điện là sự kết hợp giữa vật liệu điện cực được ứng dụng trong các loại pin như oxit kim loại, hợp kim hay polymer dẫn (tăng khả năng tích trữ năng lượng) và vật liệu carbon (tăng diện tích bề mặt riêng, tăng độ dẫn,…) Nổi bật trong số các vật liệu nano hai chiều hiện đại là vật liệu MoS2 có cấu trúc bán dẫn (2H), các tính chất riêng biệt của

Hình 1 1 Các loại tụ điện và siêu tụ điện

3 đơn lớp MoS2 bao gồm độ rộng vùng cấm trực tiếp (khoảng 1.8 eV) như các chất bán dẫn, độ linh động điện tử tương đối cao, tỉ lệ dòng điện đóng/ngắt cao khoảng 107-108, khả năng hấp thụ quang trải rộng (cỡ 107 m-1 trong vùng nhìn thấy) và phổ phát quang rộng bắt nguồn từ vùng cấm trực tiếp (1.8 eV) Chính vì lý do này, MoS2 được nghiên cứu rộng rãi cho các ứng dụng điện tử, quang-điện tử, chất xúc tác quang Bên cạnh đó, graphene lại là một bán kim loại đại điện cho các vật liệu tiên tiến có độ dẫn rất cao (10-6 Ω.cm, lớn hơn 100 lần so với đồng), diện tích bề mặt riêng lớn từ các tấm nano graphene kèm theo độ truyền suốt cao (97.7% tính theo đơn lớp) và độ dẫn nhiệt rất tốt (3000-5000 W.m-1.K-1, cao nhất trong các loại vật liệu hiện hành)

1.2 Tình hình nghiên cứu

Năm 2018, Guangyuan Xu, Shenyu Chen, Yu Liu và Weiquiang Fan đã tổng hợp ra nanocomposite MoS2/GO với cấu trúc các quả cầu rỗng MoS2 có kích thước nano xen kẽ giữa các tấm graphene Phương pháp chế tạo được nhóm tác giá thực hiện theo cách tiếp cận ex situ, đầu tiên các hạt cầu rỗng MoS2 được tạo ra từ quá trình hình thành lớp mỏng MoS2 bên ngoài hạt cầu nano MnCO3 sau đó phần lõi MnCO3 bên trong được rửa trôi bằng các hóa chất thêm vào, cuối cùng thu được các quả cầu rỗng MoS2 lơ lững trong dung dịch bảo quản Graphene oxide được trộn với hỗn hợp MoS2 vừa thu được, sau đó chắt lọc dung dịch bằng màng polycarbonate để thu được màng MoS2/GO cấu trúc lớp, màng này sau đó được nung ở 500oC trong 3 giờ bằng khí N thổi vào Từ hình ảnh SEM có thể thấy được các quả cấu nano MoS2 neo vào hai bên tấm graphene hình thành cấu trúc dạng “sandwich” chứa các lỗ xốp nano rất thuận lợi cho ion chuyển vận thuận nghịch trong quá trình nạp-xả Các phép đo điện hóa được thực hiện cho ra kết quả của vật liệu này với mật độ năng lượng và mật độ công suất lần lượt là 22.0 Wh.kg-1 ở 800 W.kg-1, điện dung riêng duy trì 89.8% đến tận 4000 chu kỳ nạp-xả, nhóm này còn phân tích thêm rằng sự thất thoát điện dung riêng chủ yếu do MoS2 bị phả hủy cấu trúc nhất định sau một thời gian hoạt động[7] Vào năm 2019, nhóm nghiên cứu của Mohammad cùng các cộng sự đã thực hiện phản ứng thủy nhiệt đồng thời các tiền chất để thu được nanocomposite MoS2/GO Vật liệu thu được là các tấm nano MoS2 có chiều dài từ 200 đến 300 nm và độ dày trung bình của tấm là từ 5 đến 6 nm (tương đương từ 6 đến 8 đơn lớp), chúng xếp thẳng đứng trên các tấm graphene

4 có kích thước micromet Nhóm nghiên cứu này tập trung phân tích quá trình hình thành nanocomposite và phân tích các yếu tố tác động trong quá trình tổng hợp trong đó thời gian, từ kết quả SEM họ đánh giá rằng thời gian phản ứng càng lâu thì các tấm MoS2 càng dày, nguyên nhân là do lực tương tác yếu van der waals giữa các đơn lớp nguyên tử MoS2 có thể dẫn tới xu hướng tự xếp chồng lên nhau trong quá trình phát triển kích thước vật liệu, điều này có thể làm suy giảm diện tích bề mặt hoạt động của các tấm MoS2 Họ kết luận rằng thời gian tổng hợp nên duy trì dưới 2 giờ để đạt cấu trúc nanocomposite MoS2/GO mong muốn [8]

Có rất nhiều yếu tố tác động trong quá trình tổng hợp nanocomposite MoS2/GO có thể do phương pháp tổng hợp và các thông số như hàm lượng tiền chất, tỉ lượng các tiền chất đưa vào, thời gian phản ứng và các chất hoạt động bề mặt Các yếu tố này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc, hình thái và sự phân bố kích thước hạt của vật liệu đầu ra [9] Để đạt được vật liệu có tính chất tối ưu cần phải kiểm soát các thông số này và thông thường các yếu tố ảnh hưởng liên quan đến hóa chất và tỉ lượng tiền chất có thể kiếm soát tốt được thông qua việc thực hiện nhiều mẫu thử nghiệm để tìm ra thông số tối ưu nhất Mặt khác, đối với các phương pháp bottom-up, đặc biệt là phương pháp thủy nhiệt thì nhiệt độ phản ứng và thời gian phản ứng là hai yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến kích thước, hình thái và cấu trúc vật liệu Việc nghiên cứu và tìm ra thông số nhiệt độ và thời gian phản ứng trong quá trình thủy nhiệt là xu hướng đang ngày càng được quan tâm nhằm đưa ra một quy trình tổng hợp

hiệu quả, ít tốn kém và nhanh chóng

1.3 Tổng quan về graphene

Nguyên tố cacbon có nhiều dạng thù hình được chia làm hai nhóm: cấu trúc tinh thể và vô định hình; trong đó, cacbon cấu trúc vô định hình bao gồm các loại than cốc, bụi than, than bã mía, than củi Dạng tinh thể của cacbon gồm có kim cương và graphite, ống nano cacbon, sợi nano cacbon, fullerene, graphene [10]

5 Hình 1 2 Các dạng cấu trúc của vật liệu cacbon với kiểu lai hóa khác nhau: (a) kim cương

(sp3); (b) graphite (sp2); (c) carbide (sp) [10] Cấu trúc: Ngoài kim cương thì các cấu trúc tinh thể carbon khác đều hình thành từ những đơn lớp nguyên tử carbon được gọi là graphene trên đó có các cấu trúc hình lục giác đều, từ các lớp này lần lượt các dạng tinh thể của carbon được cấu tạo nên Graphite là một vật liệu có cấu trúc lớp với vô số lớp graphene được xếp chặt vào nhau theo kiểu hình AB, giữa chúng là lực tương tác vật lý van der Waals Trên từng lớp graphene là tổ hợp các cấu trúc lục giác được tạo bởi sáu nguyên tử cacbon và hầu hết mỗi nguyên tử cacbon liên kết với ba nguyên tử lân cận bằng liên kết σ do sự xen phủ các orbital lai hóa sp2, độ dài liên kết khoảng 0,142 nm; trong khi đó theo phương vuông góc với mặt nguyên tử này, mỗi nguyên tử cacbon còn dư một orbital 2p tạo nên liên kết pi với những đơn vị cacbon lân cận [10]

Hình 1 3 Cấu trúc của graphite, hằng số mạng lần lượt là 0.2456 nm và 0.6708 nm

6 Tính chất: các tấm raphene lý tưởng (theo lý thuyết tính toán) có thể thu được từ phương pháp bóc tách cơ học có những đặc tính vượt trội như diện tích bề mặt riêng lớn đạt 2630 m2.g-1, module đàn hồi cao (1 TPa), độ dẫn nhiệt cao (5000 W.m-1.K-1), độ ổn định hóa học và linh động điện tử cao (2,5×105 cm2.V-1.s-1) [11], độ bền kéo đạt 150 GPa kết hợp với độ giãn dài 20% [12], vùng hóa trị và vùng dẫn đối xứng nhau qua mặt phẳng Fermi [13] Ở dạng lai hóa sp2, liên kết σ có độ dài khoảng 1,42 Å, phần quỹ đạo electron của orbital 2pz

còn lại được định hướng đồng trục với mặt phẳng của các nguyên tử cacbon và tập trung để tạo thành các băng điện tử π (hóa trị) và π∗ (dẫn) [14] Độ hấp thụ ánh sáng của đơn lớp và graphene hai lớp đã được đo đạc lần lượt là 2,3% và 4,6% trong vùng ánh sáng khả kiến với dãy bước sóng từ 450 nm đến 750 nm [15]

Số lớp của vật liệu này ảnh hưởng rất lớn đến tính chất điện, chẳng hạn như 2 lớp graphene lại không có năng lượng vùng cấm và chỉ chứa duy nhất một electron và một lỗ trống; Trong khi số lớp tăng dần lên các hạt mang điện khác bắt đầu xuất hiện đi kèm với hiện tượng xen phủ giữa vùng dẫn và vùng hóa trị trong cấu trúc của điện tử của vật liệu graphene [16]

Phương pháp chế tạo: Phương pháp đầu tiên giúp thu được graphene là bằng phương pháp bóc tách cơ học đơn giản bằng loại băng dính scot và sau đó đưa những lớp này lên trên một chất nền silicon Sự phát triển các phương pháp tổng hợp graphene ra đời như CVD, phân tách hóa học graphite trong dung môi hữu cơ, khử graphene oxit bằng các phương pháp chiếu tia laser, tổng hợp pha hơi trong lò phản ứng vi sóng plasma [17] Phương pháp phổ biến gần đây là thủy nhiệt để khử graphene oxide thành graphene oxide khử (rGO) [18]

Mốt số phương pháp tổng hợp graphene phổ biến như: - Phương pháp phân tách cơ học

- Phương pháp phân tách hóa học - Phương pháp tổng hợp hóa học - Phương pháp CVD

- Phương pháp nhiệt phân ( plasma, nhiệt ) - Phương pháp nhưng tụ vật lý…

7 Bảng 1 1 Cấu trúc và tính chất của vật liệu graphite và graphene

Graphite

So sánh Thông số

Lý thuyết Thực nghiệm

Hằng số mạng a = 0.2456, c = 0.6708 nm, d002 = 0.3354 nm Liên kết hóa học Liên kết sp2 ao = 0.141 nm

Đơn lớp graphene

Modul đàn hồi ~ 1 TPa (gấp 300

lần thép)

1 TPa [19]

Độ linh động điện tử

2.5x105 cm2.V-1.s-1[11]

230.000 cm2.V-1.s-1

[20] Độ dẫn nhiệt > 5000 W.m-1K-1 (5.30 ± 0.48) × 103

W.m-1.K-1 cao hơn SW-CNT (3500 W.m-

1.K-1) [21] Diện tích bề mặt

riêng

2630 m2.g-1 - Độ hấp thụ ánh

sáng

2.3% trong vùng ánh sáng 450–750 nm [15]

-

Một số ứng dụng tiêu biểu của graphene: Điện tử: Graphene có khả năng dẫn điện cực tốt, và nó được xem là một tiềm năng thay thế cho các vật liệu dẫn điện hiện tại như silic và đồng trong ngành công nghiệp điện tử Nó có thể được sử dụng để tạo ra vi mạch, cảm biến, màn hình cảm ứng và các thiết bị điện tử linh hoạt

8 Năng lượng: Graphene có thể được sử dụng trong các ứng dụng năng lượng, bao gồm pin lithium-ion, pin mặt trời và các thiết bị lưu trữ năng lượng Với khả năng dẫn điện tốt và khối lượng nhẹ, graphene có thể giúp tăng cường hiệu suất và dung lượng của các hệ thống năng lượng

Vật liệu siêu mỏng: Vì độ mỏng chỉ bằng một lớp nguyên tử, graphene được xem là một vật liệu siêu mỏng tiềm năng trong nhiều ứng dụng khác nhau Nó có thể được sử dụng trong lĩnh vực điện tử linh hoạt, màng lọc nước, chất liệu cảm biến, vật liệu cơ học và nhiều ứng dụng khác

Y học: Graphene có tính năng đặc biệt như khả năng chống oxy hóa và khả năng kết hợp với các phân tử khác Điều này mở ra cơ hội cho việc sử dụng graphene trong các ứng dụng y tế, như làm vật liệu trong việc chế tạo các bộ phận nhân tạo, thiết bị chẩn đoán và thuốc trị liệu

Vật liệu chịu lửa: Graphene có khả năng chịu nhiệt và chống cháy tốt Điều này làm cho nó trở thành một ứng dụng tiềm năng trong việc tạo ra vật liệu chịu lửa, bảo vệ chống cháy và các ứng dụng khác liên quan đến an toàn

Công nghệ thông tin: Graphene có khả năng xử lý tín hiệu điện tử với tốc độ cao hơn so với các vật liệu khác Điều này làm cho nó hứa hẹn trong lĩnh vực công nghệ thông tin, như vi mạch tốc độ cao, viễn thông quang và các ứng dụng liên quan đến truyền dẫn tín hiệu Quang học: Graphene có khả năng tương tác mạnh với ánh sáng và có thể được sử dụng trong các ứng dụng quang học như cảm biến ánh sáng, phát quang, màn hình và các thiết bị quang điện

Vật liệu chống ăn mòn: Graphene có tính chống ăn mòn và chống oxy hóa tốt, làm cho nó trở thành một vật liệu tiềm năng trong việc tạo ra các lớp phủ chống ăn mòn cho kim loại và các ứng dụng khác liên quan đến bảo vệ chống ăn mòn

Vật liệu composite: Graphene có thể được sử dụng như một thành phần của vật liệu nanocomposite để tăng cường độ cứng, độ bền và tính chất điện tử của vật liệu Các ứng

9 dụng tiềm năng bao gồm vật liệu xây dựng, vật liệu hàng không vũ trụ và các ứng dụng trong ngành ô tô

Môi trường và sự phục hồi: Graphene có thể được sử dụng trong các ứng dụng môi trường, như việc loại bỏ chất độc hại trong nước và không khí, xử lý nước thải và quá trình tái chế Nó cũng có thể được sử dụng để tạo ra các vật liệu hấp phụ và xúc tác cho quá trình xử lý môi trường

Hình 1 4 Một số ứng dụng tiêu biểu của graphene

1.4 Tổng quan về MoS 2

Cấu trúc: Mỗi một đơn lớp MoS2 được cấu thành từ các mặt phẳng nguyên tử S-Mo-S hình lục giác, các lớp này gắn kết hay xếp chồng lên nhau theo hướng trục c trong một ô cơ sở thông qua lực tương tác van der waals, tạo thành tinh thể MoS2 Những nguyên tử Mo và S

10 trong từng đơn lớp MoS2 liên kết ion hoặc liên kết công hóa trị với nhau, lớp nguyên tử Mo nằm giữa hai lớp S

Các dạng thù hình cơ bản của MoS2 bao gồm: 2H-MoS2, 1T-MoS2, 3R-MoS2 trong đó dạng 2H-MoS2 và 1R-MoS2 được tìm thấy trong tự nhiên dưới dạng muối molybdenite

Hình 1.5 Ba kiểu cấu trúc MoS2: 1T, 2H và 3R [22] MoS2 có các pha tinh thể chính là 1T, 2H và 3R 1T thuộc hệ trực thoi, cấu trúc này vừa mang tính chất như 1 kim loại vừa là một bán dẫn trong khi đó hai pha 2H (hệ sáu phương) và 3R (hệ ba phương) có tính chất bán dẫn, chi tiết về thông số mạng tinh thể và các tính chất cơ bản của ba kiểu cấu trúc được liệt kê trong (bảng 1.2)

11 Bảng 1 2 Hằng số mạng và các tính chất vật lý của ba pha MoS2 được tham khảo từ bài

nghiên cứu của nhóm tác giả Samy [22]

Pha Thông số

Hằng số mạng

a = 5.60 A c = 5.99 A

a = 3.15 A c = 12.30 A

a = 3.17 A c = 18.38 A

Tính chất

Tính thuận từ và bản chất như kim loại

Bán dẫn: Eg = 1.8 eV (Đơn lớp) Eg = 1.2 eV (Vật liệu khối)

Độ dẫn điện Cao hơn 10

5 lần so với pha 2H Thấp khoảng ~0.1 S/m

Đỉnh hấp thụ quang

Không có đỉnh tại 604 nm và 667 nm Cho đỉnh hấp thụ tại 604 nm và 667 nm

Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể của MoS2

12 Trong ba pha trên, 2H-MoS2 được xem là pha có cấu hình bền nhất, một lớp nguyên tử lưu huỳnh và một lớp nguyên tử Mo liên kết cộng hóa trị với nhau tạo thành một lớp nguyên tử có độ dày 0.65 nm

Tính chất đặc trưng: sự thay đổi năng lượng vùng cấm của MoS2 tùy thuộc vào kích thước, cấu trúc của chúng, ở kích thước nano vật liệu này cải thiện cường độ và tốc độ phát xạ thông qua tương tác với ánh sáng Đơn lớp MoS2 có độ bền cao và độ đàn hồi khá tốt tương với module Young là 0.33 ± 0.07 TPa, đơn lớp có khả năng linh hoạt hơn khi MoS2 ở dạng vật liệu khối khi mà module young là 0.24 TPa MoS2 đơn lớp chuyển hóa năng lượng vùng cấm trực tiếp sang năng lượng vùng cấm gián tiếp khi có ứng suất kéo tác động, nếu ứng suất kéo nếu đạt giá trị đủ lớn sẽ gây ra biến dạng cấu trúc và thay đổi bản chất MoS2 thành một kim loạI [22]

Tính chất điện: Từ vật liệu khối MoS2 ban đầu, nếu tiếp tục phân tách vật liệu này thành các vài lớp hay đơn lớp thì dần sẽ xuất hiện sự thay đổi trong cấu trúc điện tử; khi đó, vùng cấm gián tiếp sẽ bị thay đổi nhiều nhất do hiệu ứng giam hãm lượng tử dọc theo trục c trong khi vùng cấm trực tiếp không thay đổi đáng kể MoS2 đơn lớp mang tính bán dẫn với năng lượng vùng cấm bằng 1,9 eV

Phương pháp chế tạo: Có nhiều cách để chế tạo MoS2 Những cách dùng để chế tạo graphene cũng hiệu quả đối với chế tạo MoS2 do chúng có cùng cấu trúc; tuy nhiên, việc sản xuất MoS2 ở mức độ kích thước, độ dày có kiểm soát và sản xuất hàng loạt thì khó đạt được Hai cách tiếp cận chế tạo các vật liệu trên nền MoS2: top-down và bottom-up (hay còn được biết là phương pháp tách vật liệu trong pha lỏng, tổng hợp hóa học ướt)

- Phân tách cần sự hỗ trợ của dung môi là một trong các phương pháp top-down, chỉ đơn giản bằng việc nhúng vật liệu khối vào các dung môi hữu cơ sau đó đánh sóng âm Phương pháp này được xem là một phương pháp trực tiếp để chế tạo MoS2 Kết quả thực nghiệm của MoS2 đạt được từ phương pháp này được xem là phụ thuộc vào dung môi và sự ảnh hưởng do đánh sóng âm trong thời gian dài cũng được xem là ảnh hưởng đến kích thước mạng và sự phân bố kích thước chung Thế nhưng lại có 1-methyl-2-pyrrolidone là một trong những dung môi phù hợp nhất cho phương pháp

13 này Tuy vậy, những giới hạn của phương pháp này khiến nó khó đạt được vật liệu đầu ra mong muốn là do bị nhiễm độc (toxicity) và khó loại bỏ các tấm nano MoS2

khỏi nó Để vượt qua những giới hạn của1-methyl-2-pyrrolidone, một bài báo đã nói rằng sử dụng nước và ethanol như là dung môi thay thế, hiệu quả để đạt các tấm nano MoS2 [23] và các tấm nano vài lớp (few-layer) được chế tạo bằng việc sử dụng hỗn hợp chloroform bay hơi và acetonitrile [24] Gần đây, chế tạo các tấm nano MoS2 thay đổi từ các tấm nano nguyên bản thành các tấm nano xốp [25]

- Phân tách sử dụng chất hoạt động bề mặt cũng là một cách hiệu quả, sử dụng sodium cholate trong dung dịch sodium, phương pháp đánh sóng âm trong dung dịch với chất hỗ trợ alkylamine và các chất hoạt động bề mặt vừa giúp cố định cấu trúc vừa mang tính khử

- Phân tách bằng phương pháp xen kẽ ion với các nguồn ion xen kẽ khác nhau down)

(top Thủy nhiệt/dung nhiệt (hydrothermal/solvothermal) và đùn ép nóng (hot(top injection) là phương pháp thứ hai với các muối kim loại đóng vai trò như tiền chất, đây là cách tiếp cận bottom-up Thủy nhiệt là phương pháp tổng hợp MoS2 thu hút sự chú ý nhất do tính đơn giản và phạm vi ứng dụng rộng rãi [26] [27] [28] Nhìn chung, các quá trình thủy nhiệt xảy ra ở nhiệt độ và áp xuất cao, các tấm nano đạt được từ việc MoS2

tích tụ để tạo thành các cấu trúc cánh hoa nano và ống nano Còn phương pháp solvothermal tương ứng với phương pháp thủy nhiệt, đều hoạt động ở nhiệt độ và áp suất cao trong bình autoclave, ngoại trừ dung môi được thay bằng các dung môi hữu cơ [29]

- Đùn ép nóng: phương pháp này luôn được thực hiện trong hỗn hợp hữu cơ đang sôi, lúc đó quá trình tạo mầm và phát triển hạt bắt đầu Các ligands cơ bản được sử dụng để điều khiển hình thái và kích thước và cũng tăng độ phân tán của các tấm nano Bài báo này tổng hợp các tấm nano MoS2 lơ lửng trong dung dịch bằng cách phân hủy ammonium tetrathiomolybdate trong dung dịch oleyamine nhiệt độ cao (360oC) - CVD được xem là một trong các phương pháp thích hợp nhất để chế tạo ra MoS2

chất lượng cao, ưu việt và có thể kiểm soát được Tạo ra MoS2 diện tích bề mặt lớn

14 có độ đồng nhất cao sử dụng phương pháp CVD là phương pháp căn bản nhất trong quá trình chế tạo bán dẫn [30] [31]

Ứng dụng: Thiết bị điện tử: transistor hiệu ứng trường, cảm biến quang học, ứng dụng bộ nhớ linh hoạt

Do tính chất hóa học và tính tương thích sinh học của MoS2 chứng được ứng dụng làm chất dẫn truyền đánh dấu các vị trí có triệu chứng bệnh, chấm lượng tử MoS2 còn có khả năng giết chết tế bào ung thư với hiệu quả cao Ngoài ra nhờ vào tính chất quang học và độ nhạy của MoS2 mà vật liệu này còn được dùng trong các ứng dụng y sinh [22]

Cảm biến: cảm biến sinh học, cảm biến khí, cảm biến khúc xạ và cảm biến quang học

Hình 1 7 Một số ứng dụng tiêu biểu của MoS2

15

1.5 Vât liệu nanocomposite MoS 2 /GO

MoS2 là một vật liệu điện cực tiềm năng trong các hệ năng lượng vì cấu trúc lớp đặc trưng kết hợp với tính chất vật lý như độ dẫn điện cao và tính chất điện hóa liên quan đến tính oxy hóa khử rất tốt nhờ vào sự linh động của Mo khi chuyển trạng thái oxy hóa của nó từ +2 lên +6 Ngoài ra, việc tổng hợp dễ dàng và nguồn khai thác Mo dồi dào cũng là nguyên nhân khiến vật liệu này phổ biến Tuy nhiên, trong quá trình tổng hợp MoS2 dễ thấy được sự xếp chống các đơn lớp nguyên tử MoS2 lên nhau làm giảm diện tích hoạt động bề mặt Để vượt qua sự hạn chế này, việc kết hợp MoS2 với một vật liệu mang các tính chất bù đắp và tích hợp thành một nanocomposite sẽ là một giải pháp hiệu quả

Nanocomposite graphene có thể hạn chế sự xếp chống các đơn lớp MoS2 lại với nhau, vật liệu này là sự kết hợp giữa độ dẫn cao, độ bền cơ học cao của graphene cùng với tính chất điện hóa khá tốt của MoS2 cũng như diện tích hoạt động rất lớn của cả hai vật liệu này là ứng cử viên cho loại vật liệu điện cực được ứng dụng trong siêu tụ, pin sơ cấp, bình điện phân nước

Hình 1.8 (a) Cấu trúc tinh thể của MoS2, (c) graphene và (d) nanocomposite MoS2/GO;

(b) hai pha tinh thể của MoS2 [32].

16 Phương pháp tổng hợp: có đa dạng cách tổng hợp nanocomposite này như: CVD, phân tách trong pha lỏng, phân tách xen kẽ, thủy nhiệt, tổng hợp hóa học

Các phương pháp tổng hợp được vật liệu với cấu trúc tốt, chất lượng cao như phương pháp CVD tuy tổng hợp được vật liệu kết hợp MoS2/GO có độ tinh khiết cao, có thể kiểm soát tốt cấu trúc và các tính chất điện hóa nhưng quy trình kỹ thuật phức tạp, chi phí cao, khó áp dụng để tổng hợp với lượng lớn vật liệu, khó nhân rộng quy mô vào sản xuất

Lựa chọn phương pháp thủy nhiệt để tổng hợp vật liệu MoS2/GO vì những lý do dưới: - Là một trong những phương pháp phổ biến nhất hiện tại trong việc tổng hợp

nanocomposite MoS2/GO và được các nhóm nghiên cứu khắp thế giới thực hiện - Có quy trình tổng hợp đơn giản, phù hợp với điều kiện và máy móc hiện có ở phòng

thí nghiệm cũng như khả năng thực hiện các nghiên cứu sâu hơn và ứng dụng vào trong điều kiện sản xuất thực tế dễ hơn các phương pháp khác

- Dễ dàng khống chế được hàm lượng chất tham gia phản ứng, kiểm soát được chất lượng sản phẩm

- Chi phí thực hiện ít, hóa chất dễ tìm và giá thành phù hợp - Tuy nhiên, phương pháp này có một số khuyết điểm như: thời gian phản ứng dài (lên

đến 24h hoặc lâu hơn) cũng như độ tinh khiết, độ hoàn chỉnh của vật liệu và khả năng kiểm soát về mặt cấu trúc không bằng phương pháp CVD

Ứng dụng: - Siêu tụ: nhờ vào hoạt tính oxy hóa-khử tại bề mặt và tính ổn định cấu trúc của đơn

lớp MoS2, nó được sử dụng như vật liệu điện cực trong giả tụ Tuy vậy, độ dẫn điện và độ ổn định theo chu kỳ còn thấp so với tiêu chí của siêu tụ nên graphene sẽ là một vật liệu nền cho MoS2 để cải thiện hai vấn đề trên

- Pin sạc: pin lithium: Graphene có mật độ năng lượng cao hơn (669 mA.h.g-1), ổn định trong rất nhiều chù kỳ và lực liên kết yếu van der Waals giữa các đơn lớp tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình xen kẽ qua thoát ra của các ion chuyển vận nhu Li+, nanocomposite MoS2 rất phù hợp làm vật liệu anot

17 - Vật liệu điện cực cho bình điện phân nước: MoS2/GO có diện tích bề mặt lớn, độ ổn định cao và khả năng trao đổi electron rất nhanh giúp thúc đẩy hoạt tính khử hydro

1.6 Siêu tụ điện

1.6.1 Giới thiệu về siêu tụ điện

Tụ điện hóa lần đầu tiên được cấp bằng sáng chế cho Becker năm 1957 khi ông dùng carbon hoạt tính có diện tích bề mặt lớn phủ lên điện cực kim loại nhúng trong dung dịch axit sulfuric làm điện cực Siêu tụ điện được ứng dụng trong các hệ thống cần mật độ công suất lớn (ít nhất 10 kW.kg–1 ) như động cơ xe điện (hybrid cars), vận tải, cần trục, bộ lưu điện (UPS) cho các thiết bị điện tử và các nhà máy [33] Cho đến hiện nay, các ứng dụng mới của tụ điện hóa trong các lĩnh vực điện tử viễn thông, giao thông vận tải (xe hơi, xe tải, tàu điện, xe buýt), sản xuất năng lượng tái tạo và hàng không vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu mở rộng [34]

1.6.2 Phân loại siêu tụ điện

Phân loại: Siêu tụ được phân loại thành 3 dạng dựa trên cơ chế lưu trữ điện: - Siêu tụ lớp kép (Electronic double-layer capacitors – EDLCs) hoạt động dựa trên sự

lưu trữ điện tích đàn hồi tĩnh điện thông qua sự hấp phụ thuận nghịch các ion trong dung dịch diện ly trên bề mặt phân chia pha giữa vật liệu điện cực (có bề mặt riêng lớn, ổn định hóa học) và dung dịch điện ly;

- Siêu tụ giả điện dung (Pseudocapacitors) hoạt động dựa trên phản ứng Faraday có sự chuyển dịch điện tích thuận nghịch qua bề mặt phân chia pha giữa vật liệu điện cực và dung dịch điện ly

- Tụ điện lai (Hybrid Capacitors) hoạt động dựa trên sự kết hợp cả hai loại vật liệu điện cực theo cơ chế pin (nguồn năng lượng) và cơ chế điện dung (nguồn điện) trong cùng một một thiết bị