Nghiên cứu ảnh hưởng của dung môi tổng hợp đến tính chất quang của chấm lượng tử carbon (KLTN k41)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA HĨA HỌC ĐỖ THỊ THU HỊA NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG MƠI TỔNG HỢP ĐÉN TÍNH CHẤT QUANG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CARBON KHĨA LUẬN TƠT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chun ngành: Hóa vơ HÀ NỘI - Tháng 5/2019 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI KHOA HÓA HỌC ĐỖ THỊ THU HÒA NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA DUNG MƠI TỔNG HỢP ĐÉN TÍNH CHẤT QUANG CỦA CHẤM LƯỢNG TỬ CARBON KHĨA LUẬN TƠT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chun ngành: Hóa vơ Ngi hưóng dẫn khoa học ThS HOÀNG QUANG BẮC HÀ NỘI - Tháng 5/2019 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tới TS.Mai Xuân Dũng ThS Hồng Quang Bắc tận tình giúp đỡ định huớng cho em có đuợc tu khoa học đắn suốt trình xây dụng hoàn thiện đề tài Em xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm khoa thầy cô Khoa Hóa học- Truờng ĐHSP Hà Nội giảng dạy, bảo tận tình, giúp em tích lũy kiến thức quý báu tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt trình học tập truờng Em xin cảm ơn cán Viện nghiên cứu Khoa học ứng dụng truờng Đại học su phạm Hà Nội nhiệt tình giúp đỡ hỗ trợ em thục phép đo phổ hấp thụ UV- vis Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thành viên nhóm N4O (Nanomaterials For Optoelectronics) giúp đỡ em nhiều suốt trình thục đề tài Cuối cùng, em xin gửi cảm ơn tới nguời thân yêu gia đình, bạn bè em- nguời ln bên cạnh động viên, giúp đỡ chỗ dụa tinh thần cho em suốt trình học tập thục đề tài Nghiên cứu đuợc tài trợ từ nguồn kinh phí đề tài cấp Bộ, kinh phí KHCN Truờng ĐHSP Hà Nội cho đề tài mã số B.2018-SP2-13 Trong q trình thục khóa luận cố gắng nhung không tránh khỏi thiếu sót Vì em mong nhận đuợc ý kiến đóng góp thầy, giáo bạn để nội dung khóa luận đuợc hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2019 Sinh viên Đỗ Thị Thu Hòa DANH MỤC CÁC ĐOAN TỪ VIẾT TẮT LỜI CAM Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu riêng tơi duới sụ huớng dẫn ThS Hồng Quang Bắc Các số liệu kết khóa luận xác, trung thục chua đuợc cơng bố bất cú cơng trình nghiên cứu khác Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm truớc nhà truờng sụ cam đoan này! Hà Nội, tháng năm 2019 Sinh viên Đỗ Thị Thu Hòa QDs : chấm lượng tử CQDs : chấm lượng tử carbon nm : nanomet Eg : độ rộng vùng cấm CA : citric acid TURA : thiourea FT-IR : íourier transíorm - inírared spectroscopy uv- vis : ultraviolet- visible absorption spectroscopy PL : photoluminescence MỤC LỤC PHÀN MỞ ĐÀU 1 Lí chọn đề tài .1 Mục đích nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Điểm đề tài PHÀN NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Gi ới thiệu chấm lượng tử 1.2 Gi ới thiệu chấm lượng tử carbon .10 1.2.1 Cấu trúc chấm lượng tử carbon 10 1.2.2 Một số tiềm ứng dụng CQDs 12 1.2.3 Phương pháp tổng hợp CQDs 13 CHƯƠNG 2: THựC NGHIỆM 16 2.1 .Tổng hợp chấm lượng tử carbon 16 2.1.1 .Hóa chất dụng cụ 16 2.1.2 Tổng hợp chấm lượng tử carbon từ CA TURA sử dụng dung môi tổng hợp khác 17 2.1.3 Nghiên cứu ảnh hưởng dung mơi phân tán đến tính chất quang chấm lượng tử carbon 18 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25 3.1 Tổng hợp chấm lượng tử carbon từ CA TƯRA có sử dụng dung mơi tổng hợp khác .25 3.1.1 Phổ hồng ngoại IR 26 3.1.2 Phổ hấp thụ ƯV- vis 28 3.1.3 Phổ kích thích huỳnh quang PL 29 3.2.Nghiên cứu ảnh hưởng môi trường phân tán đến tính chất quang chấm lượng tử carbon .32 3.2.1 Phổ hấp thụ ƯV- vis 32 DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG Hình 1.1 Cấu trúc bền chấm lượng tử có kích thước nano .3 Hình 1.2 Phổ phát xạ phụ thuộc vào kích thước hạt chấm lượng tử huỳnh quang, hạt lớn phát bước sóng dài Hình 1.3 Sự chuyển dịch điện tử Ương trình hấp thụ phát xạ quang học chấm lượng tử Hình 1.4 Đèn phát huỳnh quang thay đổi màu sắc .7 Hình 1.5 ứng dụng đánh dấu huỳnh quang sinh học .8 Hình 1.6 Cấu trúc chấm lượng tử carbon 10 Hình 1.7 Sự hình thành cấu trúc CQDs tổng hợp từ CA EDA 11 Hình 1.8 ứng dụng chấm lượng tử carbon ương chế tạo pin mặt ười 12 Bảng 2.1 Tên mẫu dung dịch 17 Hình 2.1 Quy ưình tổng hợp chấm lượng carbon từ CA TƯRA 18 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lí làm việc máy đo phổ kế hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) 19 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lí hệ đo phổ hấp thụ ƯV-vis 21 Hình 2.4 Sơ đồ ngun lí hệ đo phổ phát xạ huỳnh quang PL 23 Hình 3.1 Sơ đồ mơ tả chế hình thành CQDs 25 Hình 3.2.CQDs pha lỗng ưong dung mơi tổng hợp a)Toluene (CyHg), b)Ethanol (C2H5OH), c)nước cất lần đèn uv (355nm) 26 Hình 3.3 Phổ hồng ngoại chấm lượng tử carbon tổng hợp từ CA TURA sử dụng dung môi tổng hợp khác 27 Hình 3.4 a) Cơ chế mơ tả tính chất hấp thụ phát xạ CQDs, b)Phổ hấp thụ UV-vis CQDs tổng hợp từ CA TURA sử dụng dung môi tổng hợp khác 28 Hình 3.5 Phổ phát xạ CQDs tổng hợp từ CA TƯRA sử dụng dung môi tổng hợp khác a)dung môi C7H8 b)dung môi C2H5OH c) dung mơi H2O d) Tại bước sóng kích thích 355nm 30 Bảng 3.1 Hiệu suất phát xạ lượng tử (QY) CQDs dung môi tổng hợp khác .31 Hình 3.6 a) Phổ hấp thụ ƯV-vis CQDs dung môi khác b) Ảnh chụp CQDs hịa tan dung mơi CH3CN, C2H5OH, CHCI3 32 Hình 3.7 Phổ phát xạ CQDs tổng hợp từ CA TƯRA, dung môi C2H5OH hịa tan mơi trường phân tán khác a)CHCỈ3 b) C2H5OH c) CH3CN d)Phổ phát xạ huỳnh quang đặc trưng .33 Phổ tử ngoại" khả kiến, viết tắt ƯV-vis (ultraviolet- visible) phương pháp phân tích sử dụng rộng rãi dựa tương tác phân tử với búc xạ tử ngoại (ƯV) xạ khả kiến (vis) Đối với chất bán dẫn, phép đo phổ hấp thụ cho phép ta xác định thông tin trình hấp thụ xảy tương ứng với chuyển dời quang học từ số trạng thái đến số trạng thái kích thích, từ cố thề xác định bước sống kích thích hiệu cho trình quang huỳnh quang Phương pháp phổ UV-vis thường sù dụng cho mẫu dạng dung dịch đồng suốt Sơ đồ nguyên lý phép đo phổ hấp thụ nguyên tử trình bày hình 2.2 Nguồn sáng trắng (1) chiếu qua mẫu phân tích khí hóa đốt (2) trước vào hệ đơn sắc (3) Cảm biến quang học (4) so sánh cường độ ánh sáng bước sóng khác trường hợp có mẫu khơng cố mẫu phân tích để đưa cường độ hấp thụ Trong vạch phổ đặc trưng cho phép xác định định tính ngun tố có mặt mẫu phân tích, cường độ hấp thụ bước sống hấp thụ đặc trưng cho phép xác định hàm lượng nguyên tố [3] pliỗ liên tục vạch phỗ Hình 2.3 Sơ đồ ngun lí hệ đo phổ hấp thụ UV-vis Một chùm ánh sáng phát từ nguồn sáng ưẳng (1) chiếu qua mẫu phân tích khí hốa đốt (2) trước đưa qua hệ đơn sắc (3) Sau qua hệ đơn sắc, chùm ánh sáng tách thành 21 bước sóng đơn sắc Mỗi tia sáng đơn sắc chia thành hai tia để so sánh, có cường độ nhờ gương phản xạ bán phần (4) Một ương hai tia sáng truyền qua cuvet Ương suốt thạch anh chứa dung dịch mẫu cần nghiên cứu, cường độ tia sáng sau truyền qua mẫu I Tia sáng lại (tia sáng so sánh) truyền qua cuvet tương tự chứa dung môi khơng chứa chấm lượng tử, cường độ sau truyền qua dung môi Io Cường độ tia sáng sau truyền detector ghi lại so sánh trực tiếp điều kiện đo Nếu mẫu không hấp thụ ánh sáng bước sóng cho I =IO Cịn mẫu hấp thụ ánh sáng cho I < Io Các phổ vẽ dạng phổ truyền qua T(ư) = thụ A(ù) = log I0(ù) fhoặc phổ hấp l(ù) Cách chuẩn bỉ mẫu đo: Chuẩn bị cuvet thạch anh có mặt suốt mặt nhám, dùng cuvet để đựng dung dịch chấm lượng tử carbon cuvet đựng dung môi so sánh Dung dịch chấm lượng tử pha lỗng thích hợp, lấy khoảng 3ml dung dịch Phổ hấp thụ UV-Vis dung dịch CQDs nước cất hai lần thực máy quang phổ Shimadzu UV2450 Phép đo thực Viện nghiên cứu khoa học ứng dụng trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2.2.3 Phổ kích thích huỳnh quang Hiện nay, phương pháp phổ kích huỳnh quang PL phương pháp đại, cho kết nhanh, xác phù hợp với mục đích nghiên cứu đề tài khoa học Trong phương pháp đo phổ phát quang, điện tử trạng thái sau kích thích nguồn sáng đèn Xenon ílash xung dịch chuyển lên trạng thái kích thích Khi điện tử quay trạng thái bản, lượng dư thừa giải phóng dạng xạ ánh sáng nhiệt Q trình giải phóng lượng diễn thông qua chuyển mức từ dao động có lượng cao xuống dao động có lượng thấp giữ nguyên trạng thái điện tử không kèm theo xạ, thời gian chuyển mức lượng 22 (10-12s), đó, sau bị kích thích, điện tử nhanh chóng chuyển dạng dao động có luợng thấp Bên cạnh đó, điện tủ trạng thái kích thích luợng thông qua sụ chuyển mức từ dao động luợng thấp mức cao xuống dao động luợng cao múc thấp nhung giữ nguyên trạng thái spin, sụ chuyển múc diễn điện tủ truyền luợng bên cho phân tủ môi truờng hợp phần khác có vật liệu Buớc sóng cuờng độ tia đơn sắc đuợc xử lý đua kết phổ phát xạ mẫu vật úng với buớc sóng kích thích ban đầu đuợc lụa chọn Máy tính kết nối với tồn hệ cho phép ta lụa chọn buớc sóng kích thích, khe hẹp lụa chọn tia đơn sắc cho nguồn kích thích phần phân tích, tốc độ qt buớc sóng Bộ phận điều Hình 2.4 Sơ đổ ngun lí hệ đo phố phát xạ huỳnh quang PL Cách chuẩn bị mẫu đo: Dung dịch quinine sulfate (trong dung dịch H2SO4 0,05 M) dung dịch CQDs có độ hấp thụ khoảng 0,1 + 0,2 buớc sóng 325 nm Dung dịch 23 CQDs dung môi khác đựng cuvet thạch anh có mặt suốt Phép đo phổ phát xạ PL thực hệ thống Horiba Nanolog, Viện Tiên tiến khoa học công nghệ- Trường Đại học Bách khoa Hà Nội * Phương pháp đo hiệu suất lượng tử chấm lượng tử Để tính hiệu suất phát xạ lượng tử CQDs, phổ phát xạ dung dịch CQDs nước cất so sánh với quinine sulfate dung dịch H2SO4 0,05M có hiệu suất phát xạ 55% Hai dung dịch có mật độ quang bước sóng kích thích 325 nm khoảng 0,1-^0,2 Hiệu suất lượng tử tỷ lệ số photon phát xạ số photon mà mẫu hấp thụ Hiệu suất lượng tử tính toán sau: A TỊ1 ,,I R