Mục đích của luận án: Nghiên cứu chế tạo thành công màng mỏng Cu2O có cấu trúc tinh thể tốt. Chế tạo các lớp bảo vệ điện cực Cu2O khỏi ăn mòn quang. Nghiên cứu tính chất quang, điện – quang xúc tác phân tách nước của điện cực Cu2O. Mời các bạn tham khảo!
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - LÊ VĂN HỒNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT QUANG XÚC TÁC, ĐIỆN-QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU Cu2O VỚI CÁC LỚP PHỦ CẤU TRÚC NANÔ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU HÀ NỘI – 2019 VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ …… ….***………… LÊ VĂN HỒNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT QUANG XÚC TÁC, ĐIỆN-QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU Cu2O VỚI CÁC LỚP PHỦ CẤU TRÚC NANÔ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Chuyên ngành : Vật liệu quang học, quang điện tử quang tử Mã số : 9.44.01.27 Người hướng dẫn khoa học: GS TS Nguyễn Quang Liêm PGS TS Ứng Thị Diệu Thúy Hà Nội – 2019 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn GS TS Nguyễn Quang Liêm PGS TS Ứng Thị Diệu Thúy Các số liệu kết trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận án Lê Văn Hoàng LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn GS TS Nguyễn Quang Liêm, PGS TS Ứng Thị Diệu Thúy Tôi nghiên cứu sinh may mắn có tập thể thầy hướng dẫn nhà khoa học lớn, đầy đam mê nhiệt huyết với nghiên cứu khoa học giảng dạy đào tạo Các thầy, cô định hướng cho tư khoa học, truyền lửa đam mê nghiên cứu tận tình bảo, tạo nhiều thuận lợi cho tơi suốt q trình thực luận án Tơi cịn có may mắn nhận nhiều giúp đỡ, chia sẻ học thuật từ TS Trần Đình Phong – phụ trách nhóm nghiên cứu Khoa Khoa học ứng dụng – Trường Đại học Khoa học Cơng nghệ Hà Nội Ngồi ra, thời gian học tập nghiên cứu, nhận giúp đỡ nhiều anh, chị, em Viện Khoa học vật liệu, Trường Đại học Khoa học Công nghệ Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn cán nghiên cứu sinh phòng, khoa: phòng Vật liệu Quang điện tử (TS Trần Thị Thương Huyền, TS Nguyễn Thu Loan, ThS Nguyễn Thị Thu Hương, NCS Lê Văn Long, NCS Nguyễn Đình Phúc,…); phịng Cơng nghệ plasma (TS Đào Ngun Thuận, NCS Nguyễn Nhật Linh); phòng Hiển vi điện tử (TS Trần Thị Kim Chi, ThS Tạ Ngọc Bách, CN Bùi Thị Thu Hiền); Khoa Khoa học ứng dụng – Đại học Khoa học Công nghệ Hà Nội (NCS Nguyễn Thị Quyên, NCS Nguyễn Ngọc Đức, NCS Trần Đức Tiến, NCS Nguyễn Thị Chúc) – người ln giúp đỡ, khích lệ, động viên tơi suốt thời gian làm luận án Tôi xin chân thành cảm ơn TS Mai Văn Huy (Bộ mơn Khí tài quang – Khoa Vũ khí – Học viện Kĩ thuật Quân sự) giúp đỡ chế tạo vật liệu màng mỏng TiO2 phân tích AFM Tơi xin chân thành cảm ơn TS Trương Quang Đức (Viện nghiên cứu đa ngành cho vật liệu tiên tiến – Trường Đại học Tohoku – Nhật Bản) PGS TS Đỗ Danh Bích (Khoa Vật lý – Trường Đại học sư phạm Hà Nội) giúp thực phép đo XPS, UV – vis Raman Tôi xin gửi lời cảm ơn tới GS Myung Mo Sung hỗ trợ để tơi sang thực tập phịng thí nghiệm GS Khoa Hóa học – Trường Đại học Hanyang – Hàn Quốc Tôi xin trân trọng cảm ơn Khoa Khoa học Vật liệu lượng – Học viện Khoa học Công nghệ tạo điều kiện thuận lợi cho thời gian thực luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn tới cán bộ, giảng viên, lãnh đạo Khoa Vật lý & Công nghệ lãnh đạo Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái Nguyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi cho để thực tốt luận án Cuối tơi xin dành tình cảm đặc biệt biết ơn sâu sắc tới người thân gia đình: Bố, Mẹ, em gái vợ tơi Những người quan tâm chia sẻ khó khăn, thông cảm, động viên, hỗ trợ tôi, cho nghị lực tạo động lực để thực thành công luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả Lê Văn Hoàng MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU iv DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU CHƢƠNG QUÁ TRÌNH QUANG XÚC TÁC PHÂN TÁCH NƢỚC TẠO NHIÊN LIỆU SẠCH H2 SỬ DỤNG ĐIỆN CỰC CATHODE QUANG Cu2O 1.1 Vấn đề lượng toàn cầu nhiên liệu H2 1.2 Quang xúc tác phân tách nước tạo H2 .8 1.2.1 Pin quang điện hóa .8 1.2.1.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động pin quang điện hóa 1.2.1.2 Sự tiếp xúc điện cực bán dẫn dung dịch điện ly 11 1.2.2 Các phương pháp bảo vệ cathode quang pin quang điện hóa 17 1.2.2.1 Bảo vệ cathode lớp kim loại .18 1.2.2.2 Bảo vệ cathode lớp oxide kim loại .20 1.2.2.3 Bảo vệ cathode loại vật liệu khác .24 1.3 Cathode quang Cu2O dùng nghiên cứu pin quang điện hóa 25 1.3.1 Tổng quan vật liệu Cu2O .26 1.3.2 Các phương pháp chế tạo màng mỏng Cu2O 28 1.3.2.1 Phương pháp lắng đọng pha hóa học 28 1.3.2.2 Phương pháp phún xạ 29 1.3.2.3 Phương pháp tổng hợp điện hóa 30 1.3.3 Tình hình nghiên cứu cathode quang Cu2O .32 1.3.3.1 Tình hình nghiên cứu nước .32 1.3.3.2 Tình hình nghiên cứu giới 32 i Kết luận chương 39 CHƢƠNG CÁC PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN 40 2.1 Chế tạo màng mỏng Cu2O lớp bảo vệ điện cực 40 2.1.1 Tổng hợp điện hóa tạo màng Cu2O loại p (p-Cu2O) loại pn (pn-Cu2O) 40 2.1.2 Bốc bay chùm điện tử tạo màng TiO2 44 2.1.3 Lắng đọng bể hóa học tạo màng CdS .45 2.1.4 Phún xạ tạo màng Au .47 2.1.5 Bốc bay nhiệt tạo màng Ti .47 2.1.6 Kỹ thuật phủ đơn lớp graphene 49 2.2 Một số phương pháp nghiên cứu vi hình thái cấu trúc vật liệu 50 2.2.1 Kính hiển vi điện tử quét 50 2.2.2 Kính hiển vi lực nguyên tử .51 2.2.3 Nhiễu xạ tia X 52 2.2.4 Phổ tán xạ Raman .54 2.2.5 Phổ quang điện tử tia X 56 2.3 Một số phương pháp nghiên cứu tính chất quang xúc tác vật liệu 56 2.3.1 Phổ hấp thụ .56 2.3.2 Các phép đo quang điện hóa 58 2.3.2.1 Các thiết bị dùng phép đo quang điện hóa .58 2.3.2.2 Thiết lập phép đo quang điện hóa 62 Kết luận chương 66 CHƢƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC p-Cu2O VỚI CÁC LỚP BẢO VỆ n-Cu2O, n-TiO2 VÀ n-CdS 67 3.1 Điện cực p-Cu2O điện cực p-Cu2O với lớp n-Cu2O (pn-Cu2O) 67 ii 3.1.1 Vi hình thái, cấu trúc điện cực p-Cu2O pn-Cu2O 67 3.1.2 Tính chất quang quang điện hóa điện cực p-Cu2O pn-Cu2O 72 3.2 Lớp bảo vệ n-TiO2 76 3.2.1 Vi hình thái, cấu trúc điện cực Cu2O phủ TiO2 77 3.2.2 Tính chất quang quang điện hóa điện cực Cu2O phủ TiO2 84 3.3 Lớp bảo vệ n-CdS 91 3.3.1 Vi hình thái cấu trúc điện cực Cu2O phủ CdS 92 3.3.2 Tính chất quang điện hóa điện cực Cu2O phủ CdS 96 Kết luận chương 99 CHƢƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC p-Cu2O VÀ pn-Cu2O VỚI CÁC LỚP BẢO VỆ LÀ CÁC VẬT LIỆU DẪN 100 4.1 Hoạt tính xúc tác khử H+ Au NPs điện cực Cu2O phủ lớp bảo vệ Au .100 4.1.1 Hoạt tính xúc tác khử H+ Au NPs 100 4.1.2 Vi hình thái cấu trúc điện cực Cu2O phủ Au 103 4.1.3 Tính chất quang quang điện hóa điện cực Cu2O phủ Au 109 4.2 Lớp bảo vệ Ti 116 4.2.1 Vi hình thái cấu trúc điện cực Cu2O phủ Ti 117 4.2.2 Tính chất quang điện hóa điện cực Cu2O phủ Ti 121 4.3 Lớp bảo vệ graphene 124 4.3.1 Vi hình thái cấu trúc điện cực Cu2O phủ graphene 125 4.3.2 Tính chất quang điện hóa điện cực Cu2O phủ lớp graphene .127 Kết luận chương 130 KẾT LUẬN 131 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO 135 iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt AFM Atomic force microscopy Kính hiển vi lực nguyên tử ALD Atomic layer deposition Lắng đọng lớp nguyên tử AM 1.5G Air Mass 1.5 Global Chiếu sáng Sun AZO Aluminium doped zinc oxide Ơxít kẽm pha tạp nhơm CB Conduction band Vùng dẫn CBD Chemical bath deposition Lắng đọng bể hóa học CE Counter electrode Điện cực đối CVD Chemical vapor deposition Lắng đọng pha khí hóa học DI Deionized Water Nước khử ion ED Electrodeposition Lắng đọng điện hóa FTO Fluorine doped tin oxide Ơxít thiếc pha tạp flo GC Glassy carbon Điện cực carbon HER Hydrogen evolution reaction Phản ứng giải phóng hydro IPCE Incident photon to current efficiency Hiệu suất chuyển đổi photon tới thành dòng ITO Indium doped tin oxide Ơxít thiếc pha tạp Indi LO Longitudinal optical Quang dọc NCE Normal calomel electrode Điện cực calomel thông thường NHE Normal hydrogen electrode Điện cực hydro thông thường NPs Nano particles Các hạt nanô OER Oxygen evolution reaction Phản ứng giải phóng oxi P3HT Poly 3-hexylthiophen PCBM 6,6-phenyl-C61-butyric acid methyl ester PEC Photoelectrochemical Quang điện hóa PEC cell Photoelectrochemical cell Pin quang điện hóa PEDOT Poly 3,4-ethylenedioxythiophene iv PPMA Poly methylmethacrylate PSS Poly styrene sulfonate RE Reference electrode Điện cực so sánh SCE Standard calomel electrode Điện cực calomel tiêu chuẩn SEM Scaning electron microscopy Kính hiển vi điện tử quét SHE Standard hydrogen electrode Điện cực hydro tiêu chuẩn RHE Reversible hydrogen electrode Điện cực hydro thuận nghịch STH Solar to hydrogen Hiệu suất chuyển đổi lượng mặt trời thành hydro TCO Transparent conducting oxide Oxit dẫn suốt TO Transverse optical Quang ngang TOF Turnover frequency Tốc độ vòng xúc tác VB Valance band Vùng hóa trị vs Versus So với WE Working electrode Điện cực làm việc XPS X – ray photoelectron spectroscopy Phổ quang điện tử tia X XRD X – ray diffraction Nhiễu xạ tia X v ... LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ …… ….***………… LÊ VĂN HỒNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT QUANG XÚC TÁC, ĐIỆN -QUANG XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU Cu2O VỚI CÁC LỚP PHỦ CẤU... pin quang điện hóa phân tách nước cịn mẻ Vì vậy, lựa chọn thực luận án '' ''Nghiên cứu chế tạo tính chất quang xúc tác, điện – quang xúc tác vật liệu Cu2O với lớp phủ cấu trúc nanơ" Mục đích luận án: ... thái cấu trúc điện cực Cu2O phủ CdS 92 3.3.2 Tính chất quang điện hóa điện cực Cu2O phủ CdS 96 Kết luận chương 99 CHƢƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC p -Cu2O VÀ pn -Cu2O VỚI