Tổng hợp và nghiên cứu tính chất quang của vật liệu nano zno và nghiên cứu ứng dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - HOÀNG THỊ MINH NGHI TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU NANO ZnO VÀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2011 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ LÂM QUANG VINH (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: Tiến sĩ HUỲNH QUANG LINH (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: Tiến sĩ LÝ ANH TÚ (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp Hồ Chí Minh ngày 27 tháng 01 năm 2011 Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Phó Giáo sư Tiến sĩ CẨN VĂN BÉ Tiến sĩ HUỲNH QUANG LINH Phó Giáo sư Tiến sĩ TRẦN MINH THÁI Tiến sĩ LÝ ANH TÚ Tiến sĩ TRƯƠNG QUANG ĐĂNG KHOA Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Bộ môn quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA: KHOA HỌC ỨNG DỤNG CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 10 tháng 01 năm 2011 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HOÀNG THỊ MINH NGHI Phái: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 11/03/1982 Nơi sinh: Bình Thuận Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT MSHV: 01208160 1- TÊN ĐỀ TÀI: TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU NANO ZNO VÀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Trình bày sở lý thuyết vật liệu nano bán dẫn, cụ thể vật liệu ZnO, phương pháp tổng hợp vật liệu xác định đại lượng vật lý liên quan đến đề tài - Tiến hành làm thí nghiệm để tổng hợp vật liệu phương pháp sol – gel - Tạo màng phương pháp nhúng - Nghiên cứu tính chất quang vật liệu thơng qua khảo sát: Phổ hấp thu, truyền qua Phổ X ray Phổ Quang phát quang Chụp AFM TEM khảo sát tính chất bề mặt vật liệu - Nghiên cứu khả ứng dụng quang xúc tác ứng dụng xử lý môi trường 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 25/01/2010 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 10/01/2011 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ): Tiến sĩ LÂM QUANG VINH Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) KHOA QL CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Lời xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Tiến sĩ LÂM QUANG VINH, giảng viên trường Đại học Khoa học Tự nhiên, người tận tình hướng dẫn tơi trình thực luận văn, từ cách làm việc phịng thí nghiệm đến xử lý kết thu được, phân tích để tìm cách giải cho lần thí nghiệm tiếp theo, giúp cho tơi sớm hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến cô Lê Thị Quỳnh Anh, trưởng phịng thí nghiệm Quang – Quang phổ tạo điều kiện tốt để làm việc phịng thí nghiệm thời gian thực luận văn Tôi không quên gửi lời cảm ơn đến em Huỳnh Chí Cường anh chị thuộc phịng thí nghiệm Quang – Quang phổ, phịng thí nghiệm Kỹ thuật cao, phịng thí nghiệm khoa Hóa nhiệt tình giúp đỡ q trình tơi thực luận văn Tơi xin hết lịng cảm ơn Tiến sĩ Huỳnh Quang Linh Tiến sĩ Lý Anh Tú đọc nhận xét luận văn Tôi xin gởi lời cảm ơn đến Thầy Cô khoa Khoa học Ứng dụng trường Đại học Bách Khoa giảng dạy suốt thời gian học trường giúp tơi có tảng vững để hồn thành luận văn Tơi xin gửi lời cảm ơn đến đồng nghiệp thuộc trường THPT Lương Thế Vinh động viên, tạo điều kiện thuận lợi để tơi chun tâm vào luận văn Và cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân động viên, chia sẻ giúp đỡ suốt thời gian học tập hoàn thành luận văn Hoàng Thị Minh Nghi Luận văn thạc sĩ Trường ĐHBK Tp.HCM TÓM TẮT CÁC NỘI DUNG TRÌNH BÀY TRONG LUẬN VĂN Trong năm gần có nhiều nghiên cứu liên quan đến vật liệu nano, có hút mãnh liệt ứng dụng nhiều lĩnh vực: quang học, sinh học, y học, hóa học, Nhờ vào tính chất bán dẫn, tính chất áp điện, tính chất quang mà vật liệu ZnO dạng màng mỏng đưa đến nhiều tiềm ứng dụng Vật liệu đóng vai trị quan trọng ngành cơng nghiệp quang điện Từ tính chất áp điện mà màng mỏng ZnO sử dụng đèn LED vùng ánh sáng tử ngoại, ứng dụng đầu dị khí, quang xúc tác xử lý môi trường v.v Mặt khác vật liệu có kích thước nano tính quang điện khác so với vật liệu khối, việc tổng hợp nghiên cứu tính chất quang vật liệu nano ZnO vấn đề nhiều nhà Khoa học nước quan tâm Trong luận văn tiến hành nghiên cứu tính chất quang vật liệu nano ZnO tổng hợp từ phương pháp sol – gel nghiên cứu ứng dụng quang xúc tác Vì chúng tơi tiến hành thực vấn đề sau: Trong chương một, nghiên cứu vấn đề lý thuyết liên quan đến cấu trúc vùng lượng vật liệu nano, đến hiệu ứng giam cầm lượng tử tính chất cấu trúc tinh thể, tính chất quang vật liệu nano bán dẫn ZnO Trong chương hai, chúng tơi trình bày phương pháp sol – gel hay gọi phương pháp hóa ướt để tổng hợp vật liệu, trình xảy tổng hợp vật liệu phương pháp ưu, nhược điểm ứng dụng Để tạo vật liệu dạng màng mỏng, đề cập đến phương pháp phủ màng chương ba, nguyên tắc phủ màng ưu khuyết điểm phương pháp HV: Hoàng Thị Minh Nghi CBHD: TS.LÂM QUANG VINH Luận văn thạc sĩ Trường ĐHBK Tp.HCM Trong chương bốn, chúng tơi trình bày ngun tắc phép đo nhằm khảo sát tính chất quang vật liệu phổ UV – Vis, thiết bị đo phổ nhiễu xạ tia X, thiết bị đo phổ phát quang, thiết bị chụp ảnh TEM, thiết bị chụp ảnh AFM Trong chương năm, chúng tơi tiến hành phép tính tốn tỉ lệ hóa chất tổng hợp vật liệu nano ZnO, sau tiến hành tạo màng bột, đem khảo sát tính chất vật liệu gồm khảo sát lượng vùng cấm từ phổ UV – Vis, khảo sát kích thước hạt từ phổ Xray ảnh TEM, khảo sát phát quang vật liệu từ phổ PL Ở chương cuối, tiến hành khảo sát ứng dụng vật liệu nano ZnO quang xúc tác Để tăng hiệu quang xúc tác nghiên cứu ảnh hưởng ZnO pha tạp, tiến hành tổng hợp vật liệu TiO2: ZnO, khảo sát tính chất vật liệu tính quang xúc tác mẫu HV: Hoàng Thị Minh Nghi CBHD: TS.LÂM QUANG VINH Luận văn thạc sĩ Trường ĐHBK Tp.HCM MỤC LỤC TÓM TẮT CÁC NỘI DUNG TRÌNH BÀY TRONG LUẬN VĂN Phần I MỞ ĐẦU Phần II: 10 TỔNG QUAN 10 Chương 11 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 11 Chương 12 GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU NANO BÁN DẪN ZNO 12 1-1 Giới thiệu chung vật liệu nano bán dẫn: 12 1-1.1 Cấu trúc vùng lượng 12 1-1.2 Sự tạo exciton 13 1-1.3 Ảnh hưởng kích thước lượng tử: 15 1-2 Vật liệu ZnO 16 1-2.1 Đặc tính cấu trúc tinh thể: 16 1-2.2 Ứng dụng vật liệu nano ZnO 17 PHƯƠNG PHÁP SOL – GEL 20 2-1 Định nghĩa phương pháp sol – gel: 20 2-2 Các q trình xảy sol –gel 21 2-2.1 Quá trình thủy phân 21 2-2.2 Quá trình ngưng tụ 21 2-2.3 Ảnh hưởng chất xúc tác: 22 2-3 Các ưu, nhược điểm phương pháp sol –gel 23 2-3.1 Các ưu điểm: 23 2-3.2 Các nhược điểm: 23 2-4 Các ứng dụng phương pháp sol – gel: 23 2-5 Quá trình tạo màng tạo bột 25 2-5.1 Quá trình tạo màng 25 HV: Hoàng Thị Minh Nghi CBHD: TS.LÂM QUANG VINH Luận văn thạc sĩ Trường ĐHBK Tp.HCM 2-5.2 Quá trình tạo bột 27 Chương 28 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHỦ MÀNG 28 3-1 Phương pháp phủ nhúng (Dip coating) 28 3-2 Phương pháp phủ quay (Spin-coating) 30 3-3 Phương pháp phủ phun (Spray-coating) 31 3-4 Phương pháp phủ chảy dòng (Flow-coating) 32 CÁC CƠNG CỤ PHÂN TÍCH MẪU VẬT LIỆU 33 4-1 Nguyên lý ứng dụng phổ UV-Vis 33 4-1.1 Nguyên lý 33 4-1.2 Khảo sát lượng vùng cấm Eg 34 4-2 Nguyên lý ứng dụng phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 35 4-2.1 Nguyên lý 35 4-2.2 Khảo sát thành phần mẫu 36 4-3 Nguyên lý ứng dụng kính hiển vi TEM, SEM, AFM 37 4-3.1 Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): 37 4-3.2 Kính hiển vi lực nguyên tử (AFM): 39 4-4 Nguyên lý ứng dụng phổ phát quang (PL) 41 4-4.1 Nguyên lý 41 4-4.2 Khảo sát phổ phát quang (PL) 43 Phần III 44 NỘI DUNG ĐỀ TÀI 44 Chương 45 TỔNG HỢP VẬT LIỆU ZNO VÀ KẾT QUẢ THU ĐƯỢC TỪ CÁC MẪU PHÂN TÍCH 45 5-1 Tiến hành thí nghiệm: 45 5-1.1 Hóa chất sử dụng thí nghiệm tổng hợp vật liệu ZnO 45 5-1.2 Các dụng cụ dùng thí nghiệm 46 5-1.3 Tiến hành pha dung dịch (tạo sol) ZnO 46 5-2 Kết thu bàn luận: 50 5-2.1 Phổ UV – Vis sol ZnO 50 5-2.2 Phổ Xray mẫu bột ZnO 52 HV: Hoàng Thị Minh Nghi CBHD: TS.LÂM QUANG VINH Luận văn thạc sĩ Trường ĐHBK Tp.HCM 5-2.3 Phổ phát quang PL 55 Chương 57 KHẢO SÁT TÍNH NĂNG QUANG XÚC TÁC 57 6-1 Quang xúc tác nano ZnO: 57 6-1.1 Chuẩn bị dung dịch, dụng cụ mẫu cần đo: 57 6-1.2 Quá trình đo: 58 6-1.3 Kết đo phổ: 58 6-2 Nghiên cứu tính quang xúc tác vật liệu TiO2 : ZnO 64 6-2.1 Giới thiệu chung 64 6-2.2 Tổng hợp vật liệu TiO2 pha tạp ZnO 64 6-2.3 Khảo sát tính chất vật liệu TiO2:ZnO 67 Phần IV 75 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 HV: Hoàng Thị Minh Nghi CBHD: TS.LÂM QUANG VINH Luận văn thạc sĩ Trường ĐHBK Tp.HCM DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1- 1: Cấu trúc vùng chất bán dẫn 12 Hình 1- 2: Đặc trưng không gian thực tương tác exciton bán dẫn 13 Hình 1- 3: Phổ hấp thụ (phía phải) phổ phát xạ (phía trái) chấm lượng tử với thay đổi kích thước hạt 14 Hình 1- 4: Sơ đồ mức lượng quantum dot 15 Hình 1- 5: Hiệu ứng giam cầm luợng tử (chấm lượng tử) nằm vị trí trung gian vất liệu khối bán dẫn phân tử 15 Hình 1- 6: Cấu trúc tinh thể ZnO: (a) rock-salt, (b) blende, (c) wurtzite, nguyên tử Oxi: hình cầu màu đen, nguyên tử kẽm hình cầu màu xám 17 Hình 2- 1: Quá trình thủy phân alkoxyde kim loại M(OR)n 21 Hình 2- 2: Sự phát triển Sol xúc tác khác 22 Hình 2- 3: Những sản phẩm phổ biến phương pháp sol – gel 24 Hình 2- 4: Các sản phẩm trình sol – gel 25 Hình 2- 5: Máy nhúng màng (dip-coating) 26 Hình 3- 1: Sự phát triển độ dày màng phủ 29 Hình 3- 2: Quá trình phủ nhúng 29 Hình 3- 3: Phương pháp phủ quay (spin coating) 30 Hình 3- 4: Các giai đoạn phương pháp phủ quay 30 Hình 3- 5: Thiết bị phủ phun 31 Hình 3- 6: Hệ thống phủ chảy dòng 32 Hình 4- 1: Cường độ tia sáng phương pháp đo UV-Vis 33 Hình 4- 2: Máy chụp phổ UV-Vis 34 Hình 4- 3: Sơ đồ tán xạ tia X nguyên tử 35 Hình 4- 4: Sơ đồ nhiễu xạ tia X tinh thể 35 Hình 4- 5: Sơ đồ nguyên lý nhiễu xạ kế tia X 36 Hình 4- 6: Máy chụp phổ XRD 37 Hình 4- 7: Sơ đồ cấu tạo máy TEM 38 Hình 4- 8: Máy TEM – 1400 38 Hình 4- 9: Sơ đồ cấu tạo máy AFM 40 HV: Hoàng Thị Minh Nghi CBHD: TS.LÂM QUANG VINH Luận văn thạc sĩ Trường ĐHBK Tp.HCM Cho cá từ vào lọ, đặt lên mở máy khuấy từ, sau cho 11,53ml dung dịch CH3COOH 10ml TiP vào, đậy nắp lại, khuấy khoảng 30 phút, sau cho tiếp vào lọ 3,4 ml isopropanol khuấy 30 phút Cuối cho thêm 9,5ml CH3OH vào khuấy 30 phút tắt máy khuấy, ta thu sol TiO2 6-2.2.3 Tạo sol TiO2 pha tạp ZnO Sau tạo sol TiO2, pha thêm vào sol ZnO pha sẵn trước đó, khuấy dung dịch 30 phút nữa, ta sol TiO2 pha tạp ZnO, đậy nắp lại, để ngày đem tạo màng Giữ nguyên TiO2 pha ZnO với nồng độ khác nhau: ª Thêm vào 1,9 ml sol ZnO thu sol TiO2 pha tạp 5% ZnO ª Thêm vào 3,42 ml sol ZnO thu sol TiO2 pha tạp 9% ZnO ª Thêm vào 7,67 ml sol ZnO thu sol TiO2 pha tạp 20% ZnO ª Thêm vào 9,57 ml sol ZnO thu sol TiO2 pha tạp 25% ZnO Sol ZnO Sol TiO2 Khuấy 30 phút TiO2/ZnO Hình 6- 8: Sơ đồ tạo sol TiO2 pha tạp ZnO 6-2.3 Khảo sát tính chất vật liệu TiO2:ZnO 6-2.3.1 Phổ UV – Vis sol TiO2:ZnO HV: Hoàng Thị Minh Nghi 67 CBHD: TS.LÂM QUANG VINH Luận văn thạc sĩ Trường ĐHBK Tp.HCM 2.1 Sol ZnO Sol TiO2 Sol TiO2:ZnO 5% Sol TiO2:ZnO 9% Sol TiO2:ZnO 25% AbS 1.4 0.7 300 320 340 λ (nm) 360 380 Hình 6- 9: Phổ UV-Vis sol TiO2:ZnO nồng độ khác Hình 6- phổ hấp thu UV-Vis dung dịch ZnO, TiO2, TiO2: ZnO nồng độ khác (5%, 9%, 25%) Từ phổ cho thấy: pha tạp TiO2:ZnO, phổ UV - Vis có độ dịch chuyển bờ hấp thu khơng dịch chuyển tuyến tính theo nồng độ pha tạp, cụ thể: nồng độ pha tạp 5% 9% có dịch chuyển phía bước sóng đỏ với 25% lại có dịch phía bước sóng ngắn (Trong q trình làm thực nghiệm, tơi khảo sát nồng độ pha tạp đến 25%, 25% dung dịch bị kết tủa) 6-2.3.2 Phổ UV – Vis màng TiO2:ZnO HV: Hoàng Thị Minh Nghi 68 CBHD: TS.LÂM QUANG VINH Luận văn thạc sĩ Trường ĐHBK Tp.HCM F ilm T iO , 500 C F ilm T iO : Z n O % , 0 C ,0 F ilm T iO : Z n O % , 0 C F ilm T iO : Z n O % , 0 C αhω1/2 ,5 ,0 ,5 ,0 ,0 ,2 ,4 ,6 ,8 ,0 ,2 ,4 ,6 ,8 ,0 eV Hình 6- 10: Phổ UV-Vis màng TiO2: ZnO nồng độ pha tạp khác Hình 6- 10 phổ UV-Vis màng lớp nồng độ khác xử lý nhiệt 5000C màng suốt, khơng bị nứt cho độ bám dính tốt, độ dày màng tính qua vân giao thoa phổ UV-Vis 700 nm Phổ UV – Vis màng cho ta kết tương tự: với nồng độ pha tạp ZnO 25%, bờ hấp thu dịch chuyển vùng tử ngoại (năng lượng cao), nồng độ pha tạp ZnO 5%, 9% bờ hấp thu dịch chuyển vùng khả kiến Kết phù hợp với mẫu dung dịch sol TiO2: ZnO Điều giải thích sau: tác dụng ánh sáng tử ngoại, TiO2 ZnO hình thành cặp điện tử lỗ trống Trong trình quang xúc tác, cặp điện tử lỗ trống tạo phải bẫy để giảm trình tái hợp tăng thời gian sống của: lỗ trống ơxy hóa H2O để tạo gốc hydroxyl •OH có tính ơxy hóa mạnh điện tử khử O2 để tạo gốc superoxyt • O −2 có tính khử mạnh [17] HV: Hồng Thị Minh Nghi 69 CBHD: TS.LÂM QUANG VINH Luận văn thạc sĩ Trường ĐHBK Tp.HCM Mặt khác, TiO2 ZnO chất bán dẫn có mức lượng tương tự (năng lượng vùng cấm Eg ZnO = 3,37 eV, TiO2 = 3,2 eV) Do lượng vùng cấm ZnO lớn nên vùng dẫn có mức lượng cao TiO2 hình vẽ minh họa 6-11, điện tử sinh ZnO hấp thụ photon dễ dàng chuyển xuống vùng dẫn TiO2, ngược lại, lỗ trống chuyển từ vùng hóa trị TiO2 sang vùng hóa trị ZnO Do có nhiều lỗ trống đến bề mặt ZnO thực phản ứng oxi hóa, nhiều điện tử tập trung vùng dẫn TiO2 thực phản ứng khử, điều làm ngăn chặn tái hợp nhanh diễn hình thành cặp điện tử lỗ trống, làm tăng khả quang xúc tác, bờ hấp thu dịch chuyển bước sóng dài 3,37 eV 3,2 eV Hình 6- 11: Sơ đồ dịch chuyển điện tử TiO2:ZnO Tuy nhiên, nồng độ pha tạp ZnO tăng lên 25%, trình dịch chuyển điện tử diễn theo chiều ngược lại nồng độ ZnO tăng đến ngưỡng có giảm diện tích bề mặt vật liệu TiO2: ZnO làm giảm tính quang xúc tác, mặt khác nồng độ pha tạp ZnO tăng lên, phần tử TiO2 bao quanh nhiều phân tử ZnO, dẫn đến tính quang xúc tác xảy vật liệu ZnO HV: Hoàng Thị Minh Nghi 70 CBHD: TS.LÂM QUANG VINH Luận văn thạc sĩ Trường ĐHBK Tp.HCM Để khảo sát chuyển pha tinh thể TiO2:ZnO từ dung dịch sol theo phương pháp sol gel, tiến hành khảo sát mẫu bột màng theo nhiệt độ khác nhau: 6-2.3.3 Phổ Xray bột pha tạp ZnO Hình 6- 12: Phổ XRD bột TiO2:ZnO 9% nhiệt độ khác Hình 6-12 cho ta thấy chuyển pha bột TiO2:ZnO 9% nhiệt độ khác nhau, pha anatase thấy rõ nhiệt độ 5000C - 7000C, đến 7000C mẫu bắt đầu chuyển sang pha rutile Ở nhiệt độ 9000C ta thấy xuất thêm peak đặc trưng pha rutile, bên cạnh tồn vài peak anatase chứng tỏ nung nhiệt độ 9000C TiO2 chưa hồn tồn chuyển sang pha Rutile Kết ngược với nhiều công trình trước pha tạp ZnO độ tinh thể hóa vật liệu TiO2 diễn nhanh, pha tạp ZnO tinh thể hóa TiO2 chậm lại HV: Hoàng Thị Minh Nghi 71 CBHD: TS.LÂM QUANG VINH Luận văn thạc sĩ Trường ĐHBK Tp.HCM Mặt khác, nhiệt độ 5000C - 7000C không thấy peak ZnO lượng ZnO pha tạp vào nhỏ, nung lên 9000C có xuất peak đặc trưng ZnO Điều chứng tỏ có hình thành ZnO TiO2 Ta thấy nhiệt độ cao độ cao peak tăng lên 200 ZnO 9% - 900 TiO2 intensity 150 100 TiO2 ZnO 50 ZnO TiO2 TiO2 TiO2 TiO2 TiO2 20 30 40 50 60 2theta(dergee) Hình 6- 13: Phổ Xray mẫu bột pha tạp ZnO 9% Chúng tiến hành khảo X- ray mẫu màng nhiệt độ 5000C Từ kết X-Ray hình 6-13 cho thấy : Do pha tap ZnO nhỏ nên kết X-ray màng TiO2:ZnO(9%) màng lớp bột TiO2:ZnO(9%) 5000C, không thấy xuất peak đặc trưng ZnO, điều nồng độ ZnO nhỏ màng, mặt khác peak 2θ = 250 cho thấy độ bán rộng màng nhỏ so với mẫu bột, chứng tỏ q trình tinh thể hóa màng chuyển pha nhanh HV: Hoàng Thị Minh Nghi 72 CBHD: TS.LÂM QUANG VINH Luận văn thạc sĩ Trường ĐHBK Tp.HCM Hình 6- 14: Phổ X-ray màng TiO2:ZnO 9% 5000C 6-4.3.4 Tính quang xúc tác mẫu màng TiO2:ZnO Chúng tơi khảo sát tính quang xúc tác màng lớp nung 5000C TiO2: ZnO nồng độ khác Sự thay đổi nồng độ dung dịch theo thời gian xác định dựa vào sụt giảm độ hấp thu dung dịch MB bước sóng hấp thu cực đại 662 nm Các mẫu chiếu sáng đèn UV sau 30 phút mang đo phổ hấp thu máy UV – Vis, thực lần 90 phút Hình 6-14 mơ tả độ suy giảm nồng độ mẫu màng TiO2:ZnO với nồng độ khác HV: Hoàng Thị Minh Nghi 73 CBHD: TS.LÂM QUANG VINH Luận văn thạc sĩ Trường ĐHBK Tp.HCM ZnO 5% 9% 20% 25% TiO2 0.50 0.48 0.46 0.44 Abs 0.42 0.40 0.38 0.36 0.34 0.32 0.30 -10 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 thoi gian (phut) Hình 6- 15: MB màng nồng độ ZnO khác theo thời gian Từ kết khả phân hủy MB, ta thấy pha thêm tạp ZnO, hiệu ứng quang xúc tác tăng lên đáng kể với nồng độ pha tạp màng 5% 9% MB bị phân hủy nhanh so với nồng độ pha tạp khác, nồng độ pha tạp 9% khả phân hủy MB tốt Từ ta thấy tính quang xúc tác màng TiO2 pha tạp ZnO cao nhiều so với mẫu màng ZnO tinh khiết hay TiO2 tinh khiết Điều giải thích: Hoạt tính quang xúc tác TiO2:ZnO cao cấu trúc dị thường bề mặt vật liệu TiO2:ZnO đẩy mạnh trình phân chia electron lỗ trống phát quang, đồng thời làm giảm tốc độ tái hợp cặp electron – lỗ trống HV: Hoàng Thị Minh Nghi 74 CBHD: TS.LÂM QUANG VINH Luận văn thạc sĩ Trường ĐHBK Tp.HCM Phần IV KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI HV: Hoàng Thị Minh Nghi 75 CBHD: TS.LÂM QUANG VINH Luận văn thạc sĩ Trường ĐHBK Tp.HCM Kết luận Luận văn trình bày vấn đề tổng quan liên quan đến tính chất vật liệu nano bán dẫn, cấu trúc tính chất vật liệu nano bán dẫn ZnO phương pháp để tổng hợp vật liệu phạm vi luận văn, phương pháp sol – gel Từ làm sở cho việc hình thành đề tài nghiên cứu Sau q trình thực hiện, tơi thu kết sau: ¾ Đã chế tạo loại sol chứa hạt nano bán dẫn ZnO, nano TiO2-ZnO ổn định, dung dich suốt, thời gian gel hóa lâu, thuận tiện cho trình nghiên cứu vật liệu dạng dung dịch ¾ Tổng hợp thành cơng vật liệu nano bán dẫn ZnO, vật liệu nano TiO2-ZnO dạng màng dạng bột phương pháp sol – gel Màng TiO2:ZnO với nồng độ khác suốt có độ bám dính tốt ¾ Đã khảo sát vật liệu nano TiO2-ZnO phương pháp phổ UV – Vis, phổ Xray, phổ huỳnh quang (PL), TEM, AFM kết cho thấy vật liệu tạo đồng đều, kích thước hạt vào khoảng 50nm, phù hợp với kết tính tốn từ phổ Xray phương trình Scherrers Chính kết lần khẳng định tổng hợp thành công vật liệu nano TiO2-ZnO ¾ Khảo sát vật liệu nano TiO2-ZnO nhiệt độ khác nhau: 5000C, 7000C, 9000C phát việc pha tạp ZnO vào chất TiO2 làm giảm q trình tinh thể hóa TiO2 ¾ Tạo mẫu màng mẫu bột pha tạp với nồng độ khác nhằm khảo sát tính quang xúc tác phương pháp thử Metyl Blue Kết khảo sát cho thấy hoạt tính quang xúc tác vật liệu nano TiO2-ZnO tốt vật liệu ZnO hay TiO2 tinh khiết ánh sáng tử ngoại, tìm nồng độ pha tạp ZnO tối ưu cho trình quang xúc tác 9% HV: Hoàng Thị Minh Nghi 76 CBHD: TS.LÂM QUANG VINH Luận văn thạc sĩ Trường ĐHBK Tp.HCM Hướng phát triển đề tài Từ kết thu được, đề tài tiếp tục nghiên cứu: - Khảo sát tính chất độ dẫn vật liệu nano ZnO nhằm ứng dụng đầu dị khí - Từ phổ thu trên, nhận thấy kích thước hạt nano phân bố khơng Vì vậy, tiến hành khảo sát thơng số để tổng hợp nano có kích thước HV: Hoàng Thị Minh Nghi 77 CBHD: TS.LÂM QUANG VINH Luận văn thạc sĩ Trường ĐHBK Tp.HCM TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh: [1] A Jain, P.Sagar, R.M.Mehra, “Changes of structural, optical and electrical properties of sol-gel derived ZnO films with their thickness”, University of Delhi South Campus, New Delhi 21, India [2] Abbas J.Attia, Sa Lihh Kadhim and Falah Hussein, "photocatalytic Degradation of Textile Dyeing Wastewater Using Titanium Dioxide And Zinc oxide", Chemistry Dept, College of Science, Babylon University, Iraq Accepted 22 September 2007 [3] Aleksandra B Djurišić, Yu Hang Leung, "Optical Properties of ZnO Nanostructures", Small Volume 2, Issue 8-9, Pages 944 - 961 [4] B P Zhang, N T Binh, K Wakatsuki, Y Segawa, Y.Kashiwaba, and K Haga (2004), “Synthesis and optical property of single crystal ZnO nanorods”, Nanotechnology 382-388 [5] Byeong KC, Dong HC, Yung SY and Seong JK (2006) "Optical characterization of ZnO thin films deposited by sol-gel method", J Mater Sci.: Mater Electron 17, 1011-5 [6] C Ye, S.S Pan, X.M Teng, H.T Fan and G.H Li, "Preparation and optical properties of nanocrystalline thin films in the ZnO-TiO2 system" [7] G Srinivasan and J Kumar (2006), “Optical and structural characterisation of zinc oxide thin films prepared by sol-gel process”, Tamilnadu, India [8] Gouzhong Cao, "Nanostructures and nanomaterials, Synthesis, Properties and Applications", [9] Harish Bahadur, S.C Garg, S.B Samanta, R.K Sharma, A.K Srivastava, K.N Sood, R.Kishore, A.Basu, Rashmi, M Kar, Prem Pal, Vivekanand Bhatt and Sudhir Chandra, “Characterization of ZnO Thin Films”, National Physical Laboratory, New Delhi-110012, India [10] H Kozuka, M Kajimura, T Hirano and K Katamaya, Journal of Sol-Gel Science and Technology, 19, pp 205-209, 2000 HV: Hoàng Thị Minh Nghi 78 CBHD: TS.LÂM QUANG VINH Luận văn thạc sĩ Trường ĐHBK Tp.HCM [11] Harish Bahadur, S B Samanta, A K Srivastava, K N Sood, R Kishore, R K Sharma, A Basu, Rashmi, M Kar, Prem Pal, Vivekanand Bhatt, Sudhir Chandra (2006), “Nano and micro structural studies of thin films of ZnO”, India [12] J Livage, revue verre, vol 5, n°6, « Les procédés sol-gel », 2000 http://www.institutduverre.fr/vol%206-5/livage.pdf [13] Jeffrey Brinker C, George W Scherer (1990) , “Sol-gel science -The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing”, Boston San Diego New York [14] Jintao, Lijuan Chen, Jinhui Dai, Xin Wang, Yansheng Yin, Pingwei Wu, (2008), "Preparation and characterization of TiO2, ZnO, and TiO2/ZnO nanofilms via sol – gel process", Institute of Materials Science and Engineering, Ocean University of China [15] Jintao, Lijuan Chen, Jinhui Dai, Xin Wang, Yansheng Yin, Pingwei Wu, Xiaoyun Liu, Zhibin Zhu, (2009), "Photocatalyst of TiO2/ZnO nano composite film: Preparation, charaterization and photodegradation activity of methyl orange", Institute of Materials Science and Engineering, Ocean University of China [16] L Znaidi , G.J.A.A Soler Illia , S Benyahia , C Sanchez , A.V Kanaev, “Oriented ZnO thin films synthesis by sol–gel process for laser application”, Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée, Université Pierre et Marie Curie, Place Jussieu, Tour 54 5e, 75252 Paris Cedex 05, France [17] Maolin Zhang, Taicheng An , Xiaolu Liu, Xiaohong Hu, Guoying Sheng, Jiamo Fu, "Preparation of a high-activity ZnO/TiO2 photocatalyst via homogeneous hydrolysis method with low temperature crystallization" [18] Markus Niederberger, Nicola Pinna, Metal Oxide Nanoparticles in Organic Solvents: Synthesis, Formation, Assembly and Application (Engineering Materials and Processes) [19] Murali, K.R 2007, "Properties of sol-gel dip-coated zinc oxide thin films", Journal of Physics and Chemistry of Solids 68, 2293-2296 [20] Mohammad Hossein Habibi (2008), "preparation of Glass Plate-Supported Nanostructure ZnO Thin Film Deposited by sol-gel Spin-Coating Technique HV: Hoàng Thị Minh Nghi 79 CBHD: TS.LÂM QUANG VINH Luận văn thạc sĩ Trường ĐHBK Tp.HCM and Iits Photocatalytic Degradation to Monoazo Textile Dye", Hindawi Publishing Corporation Journal of Nanomaterials, [21] N Daneshvar , D Salari , A.R Khataee (2003), "Photocatalytic degradation of azo dye acid red 14 in water on ZnO as an alternative catalyst to TiO2", Laboratory of Petroleum Technology, Department of Applied Chemistry, Faculty of Chemistry, University of Tabriz, Tabriz, Iran [22] Özgür, Ya I Alivov, C Liu, A Teke, M A Reshchikov, S Doan, V Avrutin,S.-J Cand H Morkoỗ, J Appl Phys 98, 041301 (2005) [23] Quang Vinh LAM (2006), Elaboration et caracterisation de couches minces vitreuses dopees par des nano-particules semi-conductrices, elaboration and characterisation of vitreous thin films doped with semiconductor nanoparticles, these de doctorat, l’université des sciences et technologies de lille [24] R M Wang, Y J Xing, J Xu and D P Yu, (2003), “Fabrication and microstructure analysis on zinc oxide nanotubes”, New J Phys., , 115.1115.7 [25] Shama Rehman, Ruh Ullah, A.M Butt, N.D Gohar, (2009), "Strategies of making TiO2 and ZnO visible light active", Nanotechnology Research Group, School of Electrical Engineering and Computer Science, National University of Science and Technology, Pakistan [26] S.A.M.Lima, M.Cremona, M.R.Davolos, C.Legnani, W.G.Quirino (2007), "Electroluminescence of zinc oxide thin-films prepared via polymeric precursor and via sol-gel methods" [27] Tito Trindate, Paul O’Brien and Nigel L.Picket (2001), "Nanocrystalline Semiconductors: Synthesis, Properties, and Perpectives", Chemical Materials, Volume 13, Pages 3843-3858 [28] V Musat, B Teixeira, E Fortunato, R.C.C Monteiro, P Vilarinho, "Al doped ZnO thin films by sol–gel method", Surf Coat Technol 180–181 (2004) 659–662 [29] Wisitsoraat, A Comini, E Sberveglieri, G Wlodarski, W Tuantranont, "Gas-Sensing Characterization of TiO2-ZnO Based Thin Film" HV: Hoàng Thị Minh Nghi 80 CBHD: TS.LÂM QUANG VINH Luận văn thạc sĩ Trường ĐHBK Tp.HCM [30] Xintong Zhang, Akira Fujishima, Donald A Tryk (2008), “TiO2 photocatalysis and related surface phenomena”, Kanagawa Academy of Science and Technology, 3-2-1 Sakado, Takatsu-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa 213-0012, Japan [31] X L Cheng, H Zhao, L H Huo, S Gao, J G Zhao, “ZnO nanoparticulate thin film: preparation, characterization and gas-sensing property”, Sens Actuator B, 102 (2004), 248-252 [32] Yutaka Ohya, Hisao Saiki, Toshimasa Tanaka, Yasutaka Takahashi, "Microstructure of TiO2 and ZnO Films Fabricated by the Sol-Gel Method", Faculty of Engineering, Gifu University, Gifu 501-11, Japan [33] Z L Wang, 16 (2004) “Zinc oxide nanostructures: growth, properties and applications”, J Phys Condens Matter, 829-858 [34] Y Gu, Igor L Kuskovsky, M Yin, S O’Brien, and G F Neumark (2004)," Quantum confinement in ZnO nanorods", Department of Applied Physics and Applied Mathematics, Columbia University, New York Tiếng Việt [35] Lâm Quang Vinh, "Chế tạo nghiên cứu tính chất quang màng mỏng TiO2 pha tạp nano CdS ứng dụng photonic" ; 2/2008 [36] Nguyễn An Hồ Quỳnh Giao (2008), "Nghiên cứu dịch chuyển Sol-Gel Silica phương pháp phổ dao động", Luận văn thạc sĩ Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên [37] GS.TS Lê Khắc Bình, PGS.TS Trần Tuấn, TS Trần Quang Trung, Ts Vũ Thị Hạnh Thu, ThS Đào Vĩnh Ái, Ths Đinh Thị Mộng Cầm, Ths Lê Văn Ngọc, Ths Đỗ Thị Vi Vi, Ths Trần Quang Trung, Ths Phạm Ngọc Hiền, HVCH Trịnh Thanh Thủy, "Báo cáo tổng kết kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp đại học quốc gia trọng điểm", 2009 HV: Hoàng Thị Minh Nghi 81 CBHD: TS.LÂM QUANG VINH ... ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT MSHV: 01208160 1- TÊN ĐỀ TÀI: TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA VẬT LIỆU NANO ZNO VÀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: - Trình bày sở lý thuyết vật liệu nano. .. ứng dụng đầu dị khí, quang xúc tác xử lý môi trường v.v Mặt khác vật liệu có kích thước nano tính quang điện khác so với vật liệu khối, việc tổng hợp nghiên cứu tính chất quang vật liệu nano ZnO. .. hình cầu màu xám 1-2.2 Ứng dụng vật liệu nano ZnO Bột ZnO ứng dụng nhiều lĩnh vực Ứng dụng đạt kết hoạt tính oxit tiền chất cho hợp chất kẽm khác Đối với ứng dụng khoa học vật liệu, oxit kẽm có hệ