Trong quá trình phát triển, việc tìm ra vật liệu mới thay thế vật liệu truyền thống làmột bước tiến của khoa học mà công nghệ nano được hứa hẹn như là một điển hình. Vậtliệu Graphene c độ bền phá k lục được d ng để thiết kế nh ng linh kiện c cấu tr c nanovà kết cấu tổ hợp nano.Kể từ khi vật liệu Graphene – đơn lớp nguyên t cacbon p ếp theo cấu tr c lụcgiác được khám phá ra vào n m 2004 n đ t ra là vật liệu tiên tiến c rất nhiều tính chấthoá học và vật lí đ c biệt: là một vật liệu rất bền – bền hơn th p 200 l n và là một chất d nđiện cực kì tốt – c khả n ng truyền tải điện n ng gấp 1 triệu l n hơn đ ng. o đ Graphene c thể được ứng dụng rộng r i trong các lĩnh vực điện t , bán d n và nghiên cứucơ bản về cách thức electron biểu hiện trong không gian hai chiều.Tuy nhiên Graphene là vật liệu bán d n c v ng cấm hẹp, nên kh n ng ứng dụngcủa ch ng trong lĩnh vực điện t và cảm biến còn hạn chế. Để hạn chế nhược điểm này,vật liệu tổ hợp nano trên cơ sở Graphene đ được nghiên cứu, trong đ tổ hợp nano gi aGraphene và các ô ít kim loại bán d n luôn là đề tài n ng thu h t các nghiên cứu và ứngdụng thực tiễn bởi nh ng đ c tính ưu việt của n . C nhiều loại vật liệu ô ít kim loại bánd n khác nhau c thể chế tạo tổ hợp nano với Graphene như WO3, ZnO, SnO2 . . . . Tuynhiên vật liệu WO3 c đ c điểm nổi bật là điện trở của n c thể thay đổi được t ng ho cgiảm khi hấp thụ các ph n t khí t y thuộc vào loại khí ph n tích. o đ vật liệu WO3 c thể ứng dụng làm cảm biến phát hiện một số chất khí như NO2, NH3, H2S . . . .Việc kết hợp gi a Graphene và WO3 trong tổ hợp nano còn c thể tận dụng các đ ctính tiếp c d thể gi a Graphene và WO3 nhằm t ng cường tính nhạy khí của vật liệu.Cho đến nay, c khá nhiều phương pháp đ được ứng dụng để chế tạo vật liệu tổ hợp nanoGrapheneWO3, bao g m cả phương pháp phối trộn từ hợp ph n ban đ u là bột Graphenevà bột WO3. Tuy nhiên cho đến nay v n còn các thách thức trong công nghệ chế tạo vậtliệu tổ hợp nano GrapheneWO3 với các thành ph n khác nhau để ứng dụng trong lĩnh vựccảm biến khí.
TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN KHOA VẬT LÝ - VẬT LÝ VẬT LIỆU NANO Chuyên Đề: CÁC CẤU TRÚC LAI NANO GIỮA GRAPHENE VÀ WO3: CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG Giảng Viên Hƣớng Dẫn: GS.TS NGUYỄN VĂN HIẾU Học Viên: LỚP: HỒ THỊ KIM SON VẬT LÝ CHẤT RẮN K19 Quy nhơn, tháng năm 2017 Trang MỤC LỤC Mở đầu trang Chƣơng I: Tổng quang cấu trúc lai nano graphene wo3 trang 1.1 Tổng quan vật liêu Graphene trang 1.1.1 Giới thiệu vật liệu Graphene trang 1.1.2 Các tính chất vật liệu Graphene trang 1.1.3 Cảm biến dựa tiếp xúc Graphene bán dẫn .trang 1.2 Vật liệu Vonfram oxit(WO3) .trang 1.2.1 Giới thiệu vật liệu WO3 .trang 1.2.2 Các tính chất oxit WO3 trang 1.3 Vật liệu tổ hợp nano Graphene/ WO3 trang 11 Chƣơng II Chế tạo vật liệu nano Grapene/ WO3 trang 12 2.1 Các phương pháp tổng hợp vật liệu tổ hợp nano Graphene/WO3 .trang 12 2.2 Chế tạo vật liệu tổ hợp nano Graphene/ WO3 phương pháp thủy nhiệt .trang 13 2.2.1 Thiết bị hóa chất trang 13 2.2.2 Tổng hợp vật liệu trang 13 2.3 Kết chế tạo vật liệu tổ hợp Graphene/ WO3 trang 16 Chƣơng III Ứng dụng vật liệu Graphene/WO3 trang 21 3.1 Ứng dụng chế tạo cảm biến từ vật liệu tổ hợp nano Graphene/WO3 trang 21 3.2 Phương pháp khảo sát tính chất nhạy khí vật liệu tổ hợp nano Graphene/ WO3 trang 22 3.2.1 Cấu tạo hệ đo nhạy khí trang 22 3.2.2 Các bước khảo sát tính chất nhạy khí trang 23 Kết luận trang 24 Tài liệu tham khảo trang 25 Trang MỞ ĐẦU Trong trình phát triển, việc tìm vật liệu thay vật liệu truyền thống bước tiến khoa học mà công nghệ nano hứa hẹn điển hình Vật liệu Graphene c độ bền phá k lục d ng để thiết kế nh ng linh kiện c cấu tr c nano kết cấu tổ hợp nano Kể từ vật liệu Graphene – đơn lớp nguyên t cacbon p ếp theo cấu tr c lục giác khám phá vào n m 2004 n đ t vật liệu tiên tiến c nhiều tính chất hố học vật lí đ c biệt: vật liệu bền – bền th p 200 l n chất d n điện tốt – c khả n ng truyền tải điện n ng gấp triệu l n đ ng o đ Graphene c thể ứng dụng rộng r i lĩnh vực điện t , bán d n nghiên cứu cách thức electron biểu không gian hai chiều Tuy nhiên Graphene vật liệu bán d n c v ng cấm hẹp, nên kh n ng ứng dụng ch ng lĩnh vực điện t cảm biến hạn chế Để hạn chế nhược điểm này, vật liệu tổ hợp nano sở Graphene đ nghiên cứu, đ tổ hợp nano gi a Graphene kim loại bán d n đề tài n ng thu h t nghiên cứu ứng dụng thực tiễn nh ng đ c tính ưu việt n C nhiều loại vật liệu kim loại bán d n khác c thể chế tạo tổ hợp nano với Graphene WO3, ZnO, SnO2 Tuy nhiên vật liệu WO3 c đ c điểm bật điện trở n c thể thay đổi t ng ho c giảm hấp thụ ph n t khí t y thuộc vào loại khí ph n tích o đ vật liệu WO c thể ứng dụng làm cảm biến phát số chất khí NO2, NH3, H2S Việc kết hợp gi a Graphene WO3 tổ hợp nano c thể tận dụng đ c tính tiếp c d thể gi a Graphene WO3 nhằm t ng cường tính nhạy khí vật liệu Cho đến nay, c nhiều phương pháp đ ứng dụng để chế tạo vật liệu tổ hợp nano Graphene/WO3, bao g m phương pháp phối trộn từ hợp ph n ban đ u bột Graphene bột WO3 Tuy nhiên v n thách thức cơng nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp nano Graphene/WO3 với thành ph n khác để ứng dụng lĩnh vực cảm biến khí Trang CHƢƠNG I: TỔNG QUANG VỀ CẤU TRÚC LAI NANO GIỮA GRAPHENE VÀ WO3 1.1 Tổng quan vật liệu Graphene 1.1.1 Giới thiệu vật liệu Graphene Graphene dạng th hình bon c thể thu cách b c tách từ Graphite thành đơn lớp nguyên t Graphene vật liệu đơn lớp nguyên t cacbon s p ếp ch t chẽ tinh thể hình lục giác kiểu tổ ong , với chiều dài liên kết cacbon-cacbon cỡ 0,14 nm Hình 1.1 Ba dạng thù hình cacbon: Fulơren, ống Nano Cacbon, Graphene Các nhà khoa học đ b t đ u phát triển lớp graphene phòng thí nghiệm từ nh ng n m thập niên 1970 Tuy nhiên lớp graphene tạo phòng thí nghiệm q nh nên khơng thể em t Cho đến n m 2004, hoàn toàn bất ngờ Ander Geim, Konstantin Novoselov cộng họ trường Đại học anchester Anh Quốc Viện Công Nghệ Vi điện t Chernogolovka Nga đ thành công việc tạo cacbon đơn lớp c cấu tạo vô c ng đ c biệt, đơn lớp cacbon đ gọi Graphene Từ đ tới nay, họ đ cố g ng nghiên cứu dạng màng m ng này, bao g m nghiển cứu tìm hiểu tính chất vật liệu khả n ng ứng dụng n Họ đ c bước tiến mới, với hàng loạt khám phá, nh ng cách thức nh ng hiểu biết tảng Trang để c thể tạo nh ng màng graphene rộng biến ch ng thành nh ng thiết b Các nhà khoa học cho tương lai graphene ứng dụng rộng r i vào sống Đ lí n thu h t quan t m nghiên cứu nhiều nhà khoa học giới Hiện nay, Graphene chủ đề nghiên cứu n ng b ng nghành điện t bán d n n c tính d n điện cao, hết theo ph ng đốn với kích thước nh , hiệu hoạt động n cao Ứng dụng graphene lĩnh vực cảm biến cảm biến khí cảm biến sinh học đ nhà khoa học quan t m nghiên cứu Tuy nhiên nh ng nhược điểm graphene ứng dụng cảm biến khí đ độ đáp ứng khí chưa cao thời gian h i phục chậm Chính nghiên cứu g n đ y tập trung cải thiện tính nhạy khí loại vật liệu phương pháp pha tạp, biến tính ho c s dụng vật liệu tổ hợp 1.1.2 Các tính chất vật liệu Graphene - Graphene vật liệu mỏng tất loại vật liệu Graphene c bề dày ch ph n triệu loại giấy in báo thông thường 1/200000 sợi t c t thường khơng nhìn thấy màng graphene ch c kính hiển vi điện t tối t n nhận độ dày ưới kính hiển vi, màng graphite dày gấp 100 l n nguyên t cacbon c màu vàng, 30-40 lớp màu anh lơ, 10 lớp c màu h ng graphene mang màu h ng nhạt, màng graphene suốt ch dày ngun t - Graphene có tính chất dẫn điện nhiệt tốt Ở dạng tinh khiết, graphene d n điện nhanh chất khác nhiệt độ bình thường Graphene c thể truyền tải điện n ng tốt đ ng gấp1 triệu l n Hơn n a, electron qua graphene h u khơng g p điện trở lên sinh nhiệt ản th n graphene chất d n nhiệt, cho ph p nhiệt qua phát tán nhanh Graphene dự đoán c thể truyền nhiệt lên tới 6000 W/mK - Đặc tính học Graphene Graphene vật liệu cực k cứng, cứng kim cương, độ bền cao th p 200 l n ột sợi d y th p dài 28 km tự đứt n treo theo phương thẳng đứng, sợi d y graphene ch đứt điều kiện tương tự độ dài 1000 km Trong giới khoa học, c người tính chuyện làm “thang máy” vật liệu graphene nối liền trái đất với vệ tinh Trang - Graphene dễ chế tạo dễ thay đổi hình dạng Graphene c cấu tr c mềm dẻo màng chất dẻo c thể bẻ cong, gập hay cuộn lại N c nhiều đ c tính ống nano, graphene dễ chế tạo thay đổi ống nano; c thể s dụng nhiều việc chế tạo vật dụng c n chất liệu tinh vi, dẻo, dễ uốn n n Các nhà Vật đ b t đ u s dụng graphene phòng thí nghiệm để chế tạo chất d n để th nghiệm tượng lượng t nhiệt độ bình thường 1.1.3 Cảm biến dựa tiếp xúc Graphene bán dẫn Graphene với đ c điểm vốn c n , c thể em bán d n c độ rộng v ng cấm không Tuy nhiên cách pha tạp ho c biến tính người ta c thể chế thu graphene dạng bán d n loại n ho c loại p Trong số trường hợp, graphene c thể em kim loại o độ rộng v ng cấm graphene nh so với v ng cấm bán d n ô kim loại, ta quan t m đến tiếp Khi kim loại tiếp c với bán d n, v ng giáp ranh gi a kim loại bán d n hiệu ứng tiếp mà tiếp c gi a kim loại bán d n ảy c T y thuộc vào loại bán d n cơng kim loại, bán d n c tiếp c mở tiếp c Ohmic hay tiếp c đ ng tiếp c Schottky) Tiếp xúc kim loại bán dẫn loại n Trường hợp cơng bán d n Фs lớp cơng kim loại Фm Hình 1.2 a) Hình 1.2 Sơ đồ tiếp xúc kim loại – bán dẫn loại n a) Trường hợp Фs > Фm b) trường hợp Фs < Фm Trang Khi tiếp c dòng điện t từ kim loại sang bán d n lớn dòng ngược lại, kim loại tích điện dương bán d n tích điện m Gi a kim loại bán d n hình thành hiệu điện tiếp c ngoài: Uk s m Thế n ng điện t bán d n n ng cao lên mức Fermi o n ng độ hạt tải kim loại lớn nhiều so với n ng độ hạt tải bán d n nên điện trường tiếp c ch m nhập vào lớp giáp ranh phía bán d n o điện tích đ a phương lớp giáp ranh mang dấu m nên v ng n ng lượng b cong uống, lớp bề m t trở nên giàu điện t , hạt tải bản, độ d n bán b n lớp giáp ranh t ng lên Khi đ tiếp c coi tiếp c Ohmic Trường hợp công bán d n Фs nh cơng kim loại Фm Hình 1.2b Khi tiếp c dòng điện t từ bán d n sang kim loại lớn dòng ngược lại, d n đến kim loại tích điện m, bán d n tích điện dương Hiệu điện tiếp c ác đ nh công thức mang dấu m so với trường hợp Điện tích đ a phương v ng giáp ranh phía bán d n c dấu dương nên v ng n ng lượng cong lên, lớp nghèo hạt tải điện, hạt tải bản, hay n i cách khác đ y hình thành rào làm giảm độ d n điện v ng giáp ranh Tiếp c gọi tiếp c đ ng tiếp c Schottky) Tiếp xúc kim loại bán dẫn loại p Khi cơng bán d n Фs b tiếp c Ohmic Khi Фs lớn Фm tiếp cơng kim loại Фm tiếp c tiếp c c Schottky Hình 1.3) Hình 1.3 Sơ đồ tiếp xúc kim loại bán dẫn loại p a )trường hợp Фs > Фm b) trường hợp Фs < Фm Trang 1.2 Vật liệu volfram ôxit 1.2.1 Giới thiệu vật liệu WO3 Oxit volfram chất bán d n loại n c độ rộng v ng cấm thay đổi từ 2,8eV tới 3,2eV WO3 lí tưởng c cấu tr c perovskit, volfram kết hợp với o y dạng hợp thức cao với h a tr VI, ion W 6+ t m kết hợp với sáu ion O 2- sáu đ nh tạo thành khối bát diện t m nguyên t W nguyên t O chung đ nh Hình 1.4 , cấu tr c mạng tinh thể l tưởng này, độ dài liên kết W=O không đổi, g c liên kết W-O-W 180 C Khoảng cách g n gi a W-O ấp 0,2 nm gi a W-W ấp 0,37- 0,44 nm Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể WO3 pha lập phương không biến dạng Vật liệu WO3 đa dạng cấu tr c điểm đ c biệt cấu tr c vật liệu thay đổi theo nhiệt độ ảng 1.1 thể dạng cấu tr c tinh thể vật liệu WO tương ứng với v ng nhiệt độ khác Trong thực tế hình thành WO3 khơng đạt hợp thức cao mà t n v trí khuyết o y, biểu diễn dạng: WO3-y đ y hệ số khuyết o y o đ hợp thức mang cấu tr c bát diện chung cạnh WO2 Hình 1.5) Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể WO2 (A) WO3 (B) Trang Sự s p ếp d n đến thay đổi g c liên kết W-O-W độ dài liên kết W=O Vì cấu tr c tinh thể uất nh ng sai h ng hình thành kênh ng m d n rộng với thiết diện lục giác hay ngũ giác Chính sai h ng mạng kênh ng m d n rộng tạo khoảng trống d n đến m nhập ion c kích thước nh b t gi ion bên cấu tr c tinh thể d n đến vonfram o it c tính chất h a l khác nhau, phụ thuộc vào n ng độ tạp chất 1.2.2 Các tính chất oxit WO3 - Tính chất lý hóa oxit WO3 WO3 c màu vàng chanh, nhiệt độ n ng chảy: 1470 C, nhiệt độ sôi: 1837 C khối lượng riêng: 7200 kg/m3 Đ y bán d n loại n khuyết thiếu ô y mạng tinh thể Sơ đ cấu tr c v ng n ng lượng vonfram oxit (WO3 WO2 thể Hình 1.6 Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc vùng lượng tinh thể WO3, WO2 ên trái biểu diễn WO3, o y nằm v ng h a tr với opitan 2s, 2p vonfram nằm v ng d n với opitan 5d, 6s 6p Đối với WO c 24 điện t điền đ y v ng h a tr Khe n ng lượng hình thành từ đáy v ng t2g đ nh v ng pπ 3,2eV Khi đ mức fecmi nằm gi a khe n ng lượng ức fecmi d ch chuyển lên opitan 5d v ng d n áp thích hợp Hình bên cạnh biểu diễn cấu tr c n ng lượng WO Trong WO2 c 16 điện t điền đ y v ng h a tr mức fecmi nằm đáy v ng d n Cấu tr c tinh thể vonfram o it c nhiều dạng khác nhau: tetragonal, orthorhombic, monoclinic, triclinic phụ thuộc vào nhiệt độ chuyển pha t ph n gi a vonfam o y Sự thay đổi cấu tr c tinh thể, thay đổi t ph n vonfram o y ảnh hưởng đến đ c tính h a l o it vonfram Hàm lượng o y thay đổi làm cho cấu tr c v ng n ng Trang lượng tinh thể o it vonfram biển đổi Đ y nguyên nh n d n đến thay đổi tính chất h a l vật liệu - Tính chất nhạy khí vật liệu WO3 Cơ chế nhạy o it kim loại n i chung chủ yếu cho lỗ khuyết o y bề m t o it tiếp c gi a hạt nano với tạo hàng rào thể Hình 1.7 Hình 1.7 Mơ hình thay đổi độ dẫn điện vật liệu hấp phụ oxy bề mặt Khi đ t mơi trường khí quyển, lớp vật liệu b bao phủ lượng lớn ph n t o y, trình hấp phụ bề m t ảy ph n t khí o y chuyển đổi theo sơ đ sau t y thuộc vào nhiệt độ mơi trường: O2 khí ↔ O2 hấp phụ ↔ O2 hấp phụ) ↔ ־2 Ohấp phụ) ↔ ־Ohấp phụ)2↔ ־ (Omạng)2־ ־ Ở nhiệt độ phòng, trạng thái O2 hấp phụ) đạt từ trạng thái khí O2 ảy chậm Khi nhiệt độ t ng, O2 hấp phụ) ־chuyển thành Ohấp phụ) ־ho c Ohấp phụ)2־ tương ứng với việc lấy ho c hai electron từ o it, từ đ d n đến gia t ng mật độ điện tích bề m t tương ứng với bẻ cong dải n ng lượng thay đổi độ d n bề m t Trang 10 Đối với bán d n loại n WO3, c khí kh tiếp c với vật liệu ví dụ CO ảy q trình nhường điện t lại cho vật liệu: ־ ־ CO hấp phụ + O hấp phụ CO2 + e Quá trình làm t ng n ng độ hạt tải, giảm độ rộng v ng nghèo nên điện trở d y nano giảm đi, đ y trường hợp nhạy bề m t Ngoài hai d y nano tiếp hình thành hàng rào thế, tiếp c c với khí kh ch ng nhận điện t từ khí kh làm giảm độ rộng v ng nghèo chiều cao hàng rào o đ hạt tải dễ dàng vượt qua hàng rào tiếp c gi a hai d y nano Ngược lại, khí c tính o i h a tiếp c với d y nano ch ng r t e ־ ־ o i hấp phụ h a học, o i e c khuynh hướng r t tiếp e từ màng ־ y nano thêm điện t giảm độ d n điện, điện trở d y t ng NO hấp phụ + O־2 hấp phụ + e → ־NO־2 hấp phụ + O ־hấp phụ NO2 hấp phụ + O־2 hấp phụ + 2e → ־NO־2 hấp phụ + 2O ־hấp thụ 1.3 Vật liệu tổ hợp nano Graphene/WO3 Hiện việc tổng hợp vật liệu tổ hợp nano graphen/WO3 c nhu c u lớn c nhiều khả n ng ứng dụng lĩnh vực khác quang c tác cảm biến khí Sự phát triển vật liệu tổ hợp nano graphen/WO3 đ ng vai trò quan trọng cải thiện ứng dụng nano o it lĩnh vực khác n ng lượng, thiết b chuyển đổi ghi nhớ, nano điện t , thiết b nano quang d y d n v.v Ngoài ứng dụng vật liệu lĩnh vực c tác đ phát triển vượt bậc nh ng n m vừa qua với việc s dụng vật liệu tổ hợp nano dựa graphen ứng dụng làm c tác quang học ột kh kh n quan trọng việc tổng hợp vật liệu nano o it kim loại dựa graphene việc để hạt o it kim loại ph n tán đ ng graphene Để kh c phục hạn chế số kĩ thuật đ đưa g t hái thành công cao, đ bao g m phương pháp nghiền trộn phương pháp chế tạo trực tiếp Các nghiên cứu vật liệu tổ hợp nano Graphene/WO3 đ nhà nghiên cứu quan t m Trang 11 CHƢƠNG 2: CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO GRAPHENE/WO3 2.1 Các phương pháp tổng hợp vật liệu tổ hợp nano Graphene/WO3 Vật liệu tổ hợp nano graphen/WO3 c thể chế tạo nhiều phương pháp l h a khác nhau, phương pháp c nh ng ưu nhược điểm riêng n i chung s dụng chế mọc d hướng từ m m tinh thể ho c hạt c tác ban đ u để hình thành nên dạng d y ho c C hai hướng để chế tạo vật liệu nano WO3 đ phương pháp vật l bốc bay nhiệt phương pháp h a học sol-gel, phản ứng thủy nhiệt, o i h a nhiệt - Phương pháp vật lý: phương pháp tạo vật liệu nano từ nguyên t ho c chuyển pha phương pháp bốc bay nhiệt,công nghệ nguội nhanh Trong đ bốc bay nhiệt phương pháp ứng dụng nhiều để mọc trực tiếp d y nano WO lên điện cực Tuy nhiên phương pháp đòi h i hệ ch n không, vật liệu đế ho c kim loại qu làm c tác, đ không ph hợp để chế tạo số lượng lớn vật liệu - Phương pháp hoá học: phương pháp tạo vật liệu nano từ biến đổi h a học, c thể hình thành vật liệu từ pha l ng phương pháp kết tủa, sol- gel… từ pha khí phương pháp nhiệt ph n flame pyrolysis Đối với chế tạo vật liệu tổ hợp nano graphen/WO3 phương pháp thủy nhiệt s dụng nhiều Phương pháp thủy nhiệt phương pháp s dụng nh ng phản ứng h a học ảy với c m t dung môi thích hợp thường nước nhiệt độ nhiệt độ phòng, áp suất cao atm hệ thống kín Phương pháp thủy nhiệt c số ưu điểm so với phương pháp khác như: dễ dàng kiểm soát thành ph n chất tham gia phản ứng, sản ph m thu c độ tinh khiết cao không d ng c tác , kích thước đ ng đều, quy trình đơn giản, rẻ tiền, tiết kiệm thời gian c thể chế tạo khối lượng lớn vật liệu Trong nghiên cứu lựa chọn phương pháp thủy nhiệt để chế tạo khối lượng lớn hình thái tổ hợp nano graphen/WO3 nhằm ứng dụng chế tạo cảm biến khí Vật liệu Graphene o ide chế tạo phương pháp Hummer c điều ch nh để ph hợp với điều kiện Việt Nam Vật liệu graphene o ide sau đ s dụng để chế tạo graphene/WO3 Vật liệu graphene/WO3 chế tạo từ Graphene o ide muối sodium tungstate hydrate (Na2WO4.2H2O , phương pháp thủy nhiệt Ch ng thay đổi t ph n gi a graphene o ide sodium tungstate hydrate để đạt vật liệu tổ hợp nano graphene/WO3 với thành ph n khác Tính chất nhạy khí vật liệu graphene/WO3 nghiên cứu cách c hệ thống theo nhiệt độ khác Trang 12 2.2 Chế tạo vật liệu tổ hợp nano Graphene/WO3 phƣơng pháp thủy nhiệt 2.2.1 Thiết bị hóa chất Các vật liệu ngu n dung môi s dụng cho trình tổng hợp vật liệu tổ hợp nano Graphene/WO3 phương pháp thủy nhiệt g m c : Hóa chất: Graphite, muối NaNO3, axit H2SO4, KMnO4 , H2O2, a it HCl, bột sodium tungstate hydrate (Na2WO4.2H2O , muối NaCl, a it C6H8O6, ethanol (C2H5OH , nước kh ion Các h a chất s dụng c độ 99,9% Thiết bị dụng cụ: C n điện t , máy khuấy từ, lò ủ nhiệt, máy quay li t m, bình thủy nhiệt, tất c phòng thí nghiệm Hình 2.1 Hình 2.1 Hóa chất bình thủy nhiệt sử dụng để chế tạo vật liệu 2.2.2Tổng hợp vật liệu * Quy trình tổng hợp Graphene Oxide (GO) Vật liệu Graphene o ide chế tạo phương pháp Hummer c thay đổi để ph hợp với điều kiện chế tạo phòng thí nghiệm Nguyên t c chế tạo vật liệu Graphene o ide trình bày Hình 2.2 Cụ thể, quy trình chế tạo vật liệu Graphene o ide sau: ước 1: 2±0.01 g NaNO3 c ng 94±2 ml H2SO4 bình dung tích 1000 ml ước 2: Khuấy từ 300 rpm hỗn hợp b n lạnh 10 ph t Sau đ lấy 10±0.01 g K nO4 cho từ từ vào hỗn hợp vòng 20 ph t Khuấy từ 200 rpm tiếp vòng 45 ph t nhiệt độ phòng ước 3: Chuyển qua b n nước 30±5oC) khuấy (200 rpm) tiếp vòng tiếng tạo thick paste ước 4: Thêm 160±2 ml H2O vào khuấy 200rpm tiếp 40 ph t đ cộng them 10 Trang 13 ph t gia nhiệt tổng cộng đun cách nhiệt o C ước 5: Tiếp tục thêm 200±2 ml H2O cho từ từ 12 ml H2O2 30% vào thấy dung d ch chuyển từ màu n u tối sang màu vàng ước 6: Đến khơng bọt tạo dung d ch lọc r a với 500 ml HCl 10% HCl 37% 135 ml pha với 365 ml H2O ] sau đ r a lại nước kh ion s dụng máy quay li t m đến pH=7 o ước 7: Sấy khô ph n m u 60±5 C qua ngày đêm để đo SEM, Raman FTIR Sau chế tạo, vật liệu Graphene o ide ph n tán nước kh ion để dung d ch với n ng độ gram/100 ml Hình 2.2 Nguyên tắc chế tạo graphene oxide: phương pháp Hummers * Quy trình tổng hợp vật liệu tổ hợp nano Graphene/WO3 phương pháp thủy nhiệt - Chu n b bình thủy nhiệt c l i làm teflon c thể ch u phản ứng h a học nhiệt độ, ph n v ống th p khơng g hình trụ - C n l n lượt 1,5 g Na2WO4.2H2O, g muối NaCl 0,25 g C6H8O6 r i hòa tan hồn toàn 80 ml nước kh ion - Tiếp đ cho 8000 μl dung d ch g/ 100 ml GO - Nh từ từ a HCl vào vào hỗn hợp để điều ch nh độ pH dung d ch Trang 14 khoảng từ 1-2 - Cho dung d ch vào bình thủy nhiệt tiến hành ủ 180oC 12 h -Sau ủ 12 h lò ủ nhiệt, d ng máy quay li t m quay tốc độ 4000 rpm để thu lại vật liệu r i tiến hành r a ion, tạp chất nước kh ion ethanol (C2H5OH) o - Cuối c ng kết tủa sấy lò sấy nhiệt độ 58 C 24h Hình 2.3 Sơ đồ chế tạo vật liệu tổ hợp nano Graphene/WO3 phương pháp thủy nhiệt Trang 15 2.3 Kết chế tạo vật liệu tổ hợp Graphene/WO3 - Kết phân tích hình thái cấu trúc vật liệu SEM Hình 2.4 ảnh SE m u với hàm lượng Graphene/WO3 tính tốn theo hợp ph n ban đ u 0,667% Chụp ảnh SE với độ ph n giải khác Hình 2.4 A, , ta thấy r các nano WO3 h u không quan sát lớp Graphene hàm hượng GO nh so với WO3 C nhiều nano WO3 tách rời với đường kính khoảng 150 nm chiều dài khoảng 2µm Các nano WO3 p ếp hỗn độn tạo thành nhiều khoảng trống lỗ ốp b vật liệu tạo nên bề m t riêng lớn Chính điều đ làm cho ph n t khí khuếch tán dễ dàng hấp thụ bề m t nano làm t ng độ nhạy giảm thời gian đáp ứng h i phục cảm biến khí Nhưng chụp độ ph n giải cao Hình 2.4-C, ta quan sát thấy lớp Graphene m ng c thể nhìn un thấu qua, ta quan sát chủ yếu nano WO3 Với chiều dày ước lượng thông qua ảnh SE cỡ