Luận văn thạc sĩ Nghiên cứu, Tính chất, Quang điện hóa, Titan

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM THỊ TỐT NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA POLIANILIN ĐẾN TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN HĨA CỦA TITAN DIOXIT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌCKHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM THỊ TỐT NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA POLIANILIN ĐẾN TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN HĨA CỦA TITAN DIOXIT Chuyên ngành: Hóa lý thuyết hóa lý Mã số: 60440119 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHAN THỊ BÌNH Hà Nội – 2014 LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy khoa Hóa học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội tận tình dạy dỗ em trình học tập trường Em xin chân thành cảm ơn thầy Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam tận tình dạy dỗ giúp đỡ em trình học tập làm khóa luận tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS.Phan Thị Bình, giáo viên hướng dẫn, giao đề tài, tận tình hướng dẫn giúp đỡ em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn cô chú, anh chị phịng Điện hóa Ứng dụng – Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam giúp đỡ em nhiều thời gian làm luận văn Cuối em xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè, gia đình người thân động viên giúp đỡ em trình làm luận văn Em xin chân thành cảm ơn! Học viên Phạm Thị Tốt i MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC BẢNG iv DANH MỤC CÁC HÌNH v MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu quang điện hóa 1.1.1 Những vấn đề sở 1.1.2 Bản chất quang điện hóa 1.2 Giới thiệu titan dioxit 13 1.2.1 Tính chất vật lý titan dioxit 13 1.2.2 Tính chất hóa học titan dioxit kích thước nano mét 14 1.2.3 Điều chế TiO2 16 1.2.4 Ứng dụng titan dioxit 18 1.3 Giới thiệu polianilin (PANi) 19 1.3.1 Cấu trúc phân tử PANi .19 1.3.2 Một số tính chất PANi .20 1.3.3 Phương pháp tổng hợp PANi 22 1.3.4 Ứng dụng PANi 26 1.4 Tổng quan vật liệu compozit TiO2-PANi 27 1.4.1 Khái niệm, ưu điểm vật liệu compozit .27 1.4.2 Vật liệu compozit TiO2 - PANi 28 CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ 30 THỰC NGHIỆM .30 2.1 Phương pháp điện hóa 30 2.1.1 Phương pháp quét tuần hoàn (CV) .30 2.1.2 Phương pháp tổng trở điện hóa 31 ii 2.2 Phương pháp phi điện hóa 35 2.2.1 Phương pháp phổ h ng ngoai IR 35 2.2.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X 36 2.2.3 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 36 2.2.4 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 36 2.3 Hóa chất dụng cụ .37 2.3.1 Hóa chất điện cực 37 2.3.2 Dụng cụ 37 2.3.3 Các loại thiết bị .37 2.4 Quy trình tổng hợp mẫu 38 2.4.1 Tổng hợp TiO2 38 2.4.2 Tổng hợp PANi 38 2.4.3 Tổng hợp composit TiO2 - PANi .38 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39 3.1 Nghiên cứu hình thái cấu trúc vật liệu .39 3.1.1 Phân tích giản đ nhiễu xạ Rơn-Ghen 39 3.1.2 Phân tích phổ h ng ngoại 40 3.1.3 Phân tích ảnh SEM 41 3.1.4 Phân tích ảnh TEM 42 3.2 Nghiên cứu tính chất điện hóa vật liệu 43 3.2.1 Nghiên cứu phổ quét tuần hoàn (CV) 43 3.2.2 Nghiên cứu phổ tổng trở điện hóa 49 KẾT LUẬN 62 KHUYẾN NGHỊ 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 iii DANH MỤC CÁC BẢNG TT Tên bảng Trang Bảng 1.1: Sự sinh điện tử/lỗ trống vùng nghèo bán dẫn chiếu sáng 11 Bảng 2.1: Liệt kê số phần tử cấu thành tổng trở 33 Bảng 3.1: Dòng đáp ứng anot 1,4V TiO2 compozit TiO2-PANi 47 Bảng 3.2: Sự ảnh hưởng thời gian nhúng đến thơng số điện hóa mơ theo sơ đ tương đương hình 3.15 điều kiện không chiếu tia UV .52 Bảng 3.3: Sự ảnh hưởng thời gian nhúng đến thơng số điện hóa mơ theo sơ đ tương đương hình 3.15 điều kiện chiếu tia UV 52 Bảng 3.4: Sự ảnh hưởng điện đến thơng số điện hóa mơ theo sơ đ tương đương hình 3.15 điều kiện không chiếu tia UV 58 Bảng 3.5: Sự ảnh hưởng điện đến thông số điện hóa mơ theo sơ đ tương đương hình 3.15 điều kiện chiếu tia UV 59 iv DANH MỤC CÁC HÌNH TT Tên hình Trang Hình 1.1: Sơ đ vùng lượng vật rắn Hình 1.2: Sơ đ vùng lượng kim loại, bán dẫn chất cách điện .5 Hình 1.3: Xác suất phân bố DRed, DOx Hình 1.4: Mơ hình Schottky liên bề mặt bán dẫn│dung dịch Hình 1.5 : Đường cong phân cực sáng/tối hệ bán dẫn │dung dịch 10 Hình 1.6: Sự sinh điện tử lỗ/lỗ trống vùng nghèo bán dẫn 11 chiếu sáng 11 Hình 1.7: Sơ đ cấu trúc vùng TiO2 12 Hình 1.8: Cấu trúc tinh thể dạng thù hình TiO2 13 Hình 1.9: Cơ chế trình xúc tác quang chất bán dẫn 16 Hình 1.10: Sơ đ tổng hợp điện hóa polyanilin 25 Hình 2.1: Quan hệ dịng – điện quét tuần hoàn 30 Hình 2.2: Mạch điện tương đương bình điện phân 32 Hình 2.3: Sơ đ khối hệ thống đo điện hóa tổng trở .32 Hình 2.4 : Biểu diễn Z mặt phẳng phức .33 Hình 2.5: Quá trình điện cực có khuếch tán 34 Hình 2.6: Hình dạng điện cực titan 37 Hình 3.1: Giản đ nhiễu xạ tia X TiO2 .39 Hình 3.2: Giản đ nhiễu xạ tia X compozit TiO2-PANi 40 (điện cực TiO2 nhúng 60 phút dung dịch PANi) 40 Hình 3.3: Phổ h ng ngoại compozit TiO2-PANi (điện cực TiO2 nhúng 60 phút dung dịch PANi) 40 Hình 3.4: Ảnh SEM TiO2 41 Hình 3.5: Ảnh SEM compozit TiO2-PANi 41 (nhúng TiO2 dung dịch PANi với thời gian khác .41 Hình 3.6: Ảnh TEM compozit TiO2-PANi (điện cực TiO2 dung dịch PANi 60 phút) 42 v Hình 3.7: Ảnh hưởng tốc độ quét .43 Hình 3.8: Ảnh hưởng thời gian nhúng TiO2 dung dịch PANi 44 Hình 3.9: Ảnh hưởng số chu kỳ quét tới phổ CV vật liệu khác 45 Hình 3.10: Ảnh hưởng thời gian nhúng TiO2 dung dịch PANi .46 Hình 3.11: Ảnh hưởng số chu kỳ quét tới phổ CV vật liệu khác 48 Hình 3.12: Tổng trở dạng Bode khơng chiếu UV .49 Hình 3.13: Tổng trở dạng Bode chiếu UV 50 Hình 3.14: Tổng trở dạng Nyquist 50 Hình 3.15: Sơ đ tương đương 51 Hình 3.16: Sự phụ thuộc điện dung lớp kép thành phần pha không đổi .54 vào thời gian nhúng 54 Hình 3.17: Sự phụ thuộc điện trở màng compozit điện trở chuyển điện tích vào thời gian nhúng 54 Hình 3.18: Sự phụ thuộc hệ số khuếch tán điện trở dung dịch vào thời gian nhúng 55 Hình 3.19: Tổng trở dạng Bode không chiếu UV .56 Hình 3.20: Tổng trở dạng Bode chiếu UV 57 Hình 3.21: Tổng trở dạng Nyquist 58 Hình 3.22: Sự phụ thuộc điện dung lớp kép thành phần pha không đổi vào điện đo 60 Hình 3.23: Sự phụ thuộc điện trở màng compozit điện trở chuyển điện tích vào điện đo 60 Hình 3.24: Sự phụ thuộc hệ số khuếch tán điện trở điện trở dung dịch 61 vào điện áp đặt 61 vi MỞ ĐẦU Cùng với phát triển ngành cơng nghiệp cơng nghệ cao nhu cầu việc sử dụng loại vật liệu có tính ưu việt ngành lớn Để đáp ứng nhu cầu nhà khoa học nghiên cứu tìm nhiều phương pháp để tạo vật liệu có tính vượt trội phương pháp pha tạp để biến tính vật liệu, phương pháp lai ghép vật liệu khác để tạo thành compozit Các compozit tạo phương pháp lai ghép oxit vô polime dẫn thu hút quan tâm nhà nghiên cứu nước Trong có titan dioxit (TiO2), số vật liệu bán dẫn điển hình có tiềm ứng dụng cao thân thiện mơi trường, có khả diệt khuẩn tốt, có tính xúc tác quang hóa quang điện hóa, nghiên cứu lai ghép với polianilin (PANi), số polyme dẫn điện điển hình vừa bền nhiệt, bền mơi trường, dẫn điện tốt, thuận nghịch mặt điện hóa, có tính chất dẫn điện điện sắc, vừa có khả xúc tác điện hóa cho số phản ứng điện hóa Compozit TiO2-PANi có khả dẫn điện tốt, tính ổn định cao, có khả xúc tác điện hóa quang điện hóa tốt, chế tạo theo phương pháp điện hóa hóa học tùy theo mục đích sử dụng [22, 28, 37] Trong khuôn khổ đề tài “Nghiên cứu ảnh hƣởng polianilin đến tính chất quang điện hóa titan dioxit”, chúng tơi muốn biến tính TiO2 nhờ phương pháp oxi hóa titan nhiệt độ cao (5000C) kết hợp với nhúng tẩm PANi để tạo vật liệu compozit cấu trúc nano nhằm nâng cao hiệu ứng dụng Nội dung luận văn bao g m:  Tổng quan tài liệu liên quan đến đề tài  Tổng hợp vật liệu compozit TiO2-PANi  Nghiên cứu tính chất vật liệu compozit tổng hợp Các phương pháp nghiên cứu sử dụng:  Quét tuần hoàn, đo đường cong phân cực, đo tổng trở điện hóa mơ sơ đ tương đương để nghiên cứu tính chất điện hóa vật liệu  Chụp ảnh SEM TEM để nghiên cứu cấu trúc hình thái học vật liệu  Phân tích nhiễu xạ tia Rơn-Ghen phổ h ng ngoại để phân tích cấu trúc tinh thể cấu trúc hóa học vật liệu ... TỰ NHIÊN PHẠM THỊ TỐT NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA POLIANILIN ĐẾN TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN HĨA CỦA TITAN DIOXIT Chuyên ngành: Hóa lý thuyết hóa lý Mã số: 60440119 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng... số polyme dẫn điện điển hình vừa bền nhiệt, bền môi trường, dẫn điện tốt, thuận nghịch mặt điện hóa, có tính chất dẫn điện điện sắc, vừa có khả xúc tác điện hóa cho số phản ứng điện hóa Compozit... nghiên cứu ngồi nước Trong có titan dioxit (TiO2), số vật liệu bán dẫn điển hình có tiềm ứng dụng cao thân thiện mơi trường, có khả diệt khuẩn tốt, có tính xúc tác quang hóa quang điện hóa, nghiên