Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite titan dioxitgraphene oxit dạng khử ứng dụng chế tạo điện cực anot trong pin mặt trời chất màu nhạy quang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -o0o - LÊ VĂN CƯỜNG NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU COMPOSITE TITAN DIOXIT/GRAPHENE OXIT DẠNG KHỬ ỨNG DỤNG CHẾ TẠO ĐIỆN CỰC ANOT TRONG PIN MẶT TRỜI CHẤT MÀU NHẠY QUANG (Synthesis of titanium dioxide /reduced graphene oxide composite materials for fabrication of anodes in dye-sensitized solar cells) Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC Mã số: 8520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2020 Cơng trình hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG - HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Phạm Trọng Liêm Châu……………………… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, chữ ký) Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Hiếu ……………………… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: ……………………………… ……… ………………… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: ………………………………… ………………………… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày…… tháng…… năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Huỳnh Kỳ Phương Hạ – Chủ tịch PGS.TS Nguyễn Trần Hà – Ủy viên phản biện PGS.TS Nguyễn Thái Hoàng – Ủy viên phản biện PGS.TS Nguyễn Thị Phương Phong – Ủy viên TS Đặng Bảo Trung – Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Lê Văn Cường MSHV: 1870528 Ngày, tháng, năm sinh: 22/10/1994 Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Nơi sinh: Khánh Hịa Mã số: 8520301 I TÊN ĐỀ TÀI: Tên tiếng Việt: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite titan dioxit/graphene oxit dạng khử ứng dụng chế tạo điện cực anot pin mặt trời chất màu nhạy quang Tên tiếng Anh: Synthesis of titanium dioxide/reduced graphene oxide composite materials for fabrication of anodes in dye-sensitiezed solar cells II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 2.1 Tổng quan Pin lượng mặt trời, pin mặt trời chất màu nhạy quang, vật liệu titan dioxit, graphene oxit dạng khử, vật liệu composite titan dioxit/graphene oxit dạng khử 2.2 Thực nghiệm - Tổng hợp vật liệu graphene oxit, graphene oxit dạng khử, vật liệu composite titan dioxit/graphene oxit dạng khử, hệ keo titan dioxit/graphene oxit dạng khử - Chế tạo điện cực anot ráp pin mặt trời chất màu nhạy quang - Khảo sát đặc tính điện cực thử nghiệm hiệu làm việc pin - Khảo sát hình thái – cấu trúc – đặc tính vật liệu graphene oxit, graphene oxit dạng khử, composite titan dioxit/graphene oxit dạng khử thích hợp III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 08/2019 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 09/2020 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS PHẠM TRỌNG LIÊM CHÂU; PGS.TS NGUYỄN HỮU HIẾU TP HCM, ngày … tháng… năm 2020 TRƯỞNG PHÒNG PTN TĐ ĐHQG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TP.HCM-CNHH & DK (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC (Họ tên chữ ký) ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến đấng sinh thành người thân quan tâm, động viên, giúp đỡ điều kiện tốt cho tác giả suốt trình học tập thực luận văn Tác giả xin bày gửi lời cảm ơn chân thành đến người đưa đò tận tâm: Thầy TS Phạm Trọng Liêm Châu, Thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Hiếu, Thầy PGS.TS Nguyễn Thái Hoàng, Thầy ThS Nguyễn Cảnh Minh Thắng, người Thầy tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ suốt trình làm luận văn định hướng cho tác giả để có kết tốt Tác giả xin cảm ơn bạn: Lê Trần Trung Nghĩa, Nguyễn Đức Thịnh, Lê Tiến Phát, Nguyễn Thị Trà My, Hồ Hữu Đạt, Lê Khắc Hưng, anh Trần Minh Hiền dành thời gian quý báu để giúp tác giả trinh thực đề tài đưa lời khuyên kinh nghiệm hợp lý trình viết luận văn Bên cạnh đó, tác giả xin gửi lời tri ân đến quý Thầy Cô Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, đặc biệt q Thầy Cơ Khoa Kỹ Thuật Hóa Học tận tâm dạy truyền đạt kiến kiến thức suốt thời gian học tập vừa qua Tác giả chân thành cảm ơn tập thể nghiên cứu viên, anh chị học viên cao học bạn sinh viên Phịng Thí Nghiệm Trọng Điểm Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh – Cơng Nghệ Hóa Học Dầu Khí (CEPP Lab), Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh Phịng Thí Nghiệm Trọng Điểm Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh – Hóa Lý Ứng Dụng (APC Lab), Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh tận tình giúp đỡ bảo kinh nghiệm tốt cho tác giả thực luận văn TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 Tác giả Lê Văn Cường iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong luận văn này, vật liệu composite titan dioxit/graphene oxit dạng khử (TiO2/rGO) tổng hợp từ tiền chất titanium isopropoxide (Ti[OCH(CH3)2]4 – TiP) graphene oxit (graphene oxide – GO) phương pháp đồng kết tủa Trong đó, GO tổng hợp từ graphite phương pháp Hummers cải tiến Sau đó, TiP phân tán với GO khử chất khử: natri bohidrua, hydrazine hydrate, axit ascorbic, glucose, natri citrate; với tỉ lệ khối lượng chất khử khối lượng GO bao gồm: 1:1, 5:1, 10:1, 15:1, 20:1 Các vật liệu composite TiO2/rGO tổng hợp với tỉ lệ phần trăm khối lượng GO khối lượng tiền chất ban đầu (GO TiP) 0,01; 0,05; 0,25; 1,25; 6,25% Tiếp theo, điện cực anot pin mặt trời chất màu nhạy quang chế tạo từ vật liệu composite TiO2/rGO phương pháp in lụa Bên cạnh đó, điện cực anot đối chứng chế tạo từ TiO2 Đồng thời, điện cực anot chế tạo điện cực catot từ keo platin thương mại sử dụng để lắp ráp pin DSSC Ảnh hưởng điều kiện tổng hợp vật liệu composite đến hiệu làm việc pin DSSC khảo sát phương pháp: đường đặc trưng mật độ dòng – (JV) phổ tổng trở điện hóa để chọn vật liệu composite TiO2/rGO phù hợp chế tạo điện cực anot Ngồi ra, hình thái – cấu trúc – đặc tính vật liệu composite TiO2/rGO phù hợp vật liệu tiền chất khảo sát phương pháp quang phổ tử ngoại khả kiến, phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier, phổ Raman, phổ quang điện tử tia X, giản đồ nhiễu xạ tia X, phổ tán sắc lượng tia X, đo diện tích bề mặt riêng theo phương pháp Brunauer-Emmett-Teller, phân tích nhiệt trọng lượng, kính hiển vi điện tử quét kính hiển vi điện tử truyền qua iv ABSTRACT In this thesis, titanium dioxide/reducing graphene oxide (TiO2/rGO) composite materials were successfully synthesized from titanium isopropoxide precursors (Ti[OCH(CH3)2]4 - TiP) and graphene oxide (graphene oxide - GO) In particular, GO was synthesized from graphite (Gi) by improved Hummers method TiP was then dispersed with GO and reduced with reducing agents: sodium bohidride, hydrazine hydrate, ascorbic acid, glucose, and sodium citrate; with reducing agent weight to GO volume ratios including: 1:1, 5:1, 10:1, 15:1, and 20:1 to create the composite materials TiO2/rGO and rGO with mass ratios of GO were 0.01, 0.05, 0.25, 1.25, and 6.25% Next, the anode electrodes of the dye-sensitized solar cell (DSSC) were made from TiO2/rGO materials using the screen-printing method Besides, the control anode electrode is made from TiO2 Manufactured anode electrodes and cathode electrodes from commercial Plantinum paste were used to assemble DSSCs The influence of material synthesis conditions on the electrochemical characteristics and performance of the DSSC was investigated by the current density line - potential (JV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) to verify the appropriate material In addition, the morphology - structure - characteristics of suitable TiO2/rGO materials and precursor materials were investigated by ultraviolet–visible spectrophotometry (UV-Vis), Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), Raman spectroscopy, spectrum X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), measuring specific surface areas according to Brunauer-Emmett-Teller (BET), thermogravimetric analysis (TGA), field emission scanning electron microscopes (FE-SEM), and transmission electron microscopes electron microscopy (TEM) v LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan luận văn công trình nghiên cứu thực cá nhân tác giả thực hướng dẫn Thầy TS Phạm Trọng Liêm Châu Thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Hiếu Phịng Thí Nghiệm Trọng Điểm Đại Học Quốc Gia – TP.HCM Cơng nghệ Hóa Học Dầu Khí (CEPP Lab), Trường Đại Học Bách Khoa với hỗ trợ, tư vấn từ Phịng Thí Nghiệm Trọng Điểm Hóa Lý Ứng Dụng (APC Lab), Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh Các số liệu, kết nghiên cứu, kết luận luận văn hoàn toàn trung thực, chưa công bố cơng trình khác trước Tác giả xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Tác giả Lê Văn Cường vi MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT LUẬN VĂN .iv ABSTRACT v LỜI CAM ĐOAN vi MỤC LỤC vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii DANH MỤC HÌNH xii DANH MỤC BẢNG xii LỜI MỞ ĐẦU .xvi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan nguồn khai thác lượng giới 1.2 Pin mặt trời 1.2.1 Hiệu ứng quang điện 1.2.2 Các hệ pin mặt trời 1.2.2.1 Pin mặt trời hệ thứ 1.2.2.2 Pin mặt trời hệ thứ hai 1.2.2.3 Pin mặt trời hệ thứ ba 1.2.2.4 Pin mặt trời hệ thứ tư 10 1.3 Pin mặt trời chất màu nhạy quang 11 1.3.1 Khái niệm 11 1.3.2 Cấu tạo pin DSSC 12 1.3.3 Nguyên lý làm việc pin DSSC 13 1.3.4 Ưu nhược điểm pin DSSC 14 1.4 Vật liệu titan dioxit 16 1.5 Vật liệu graphene 17 1.5.1 Cấu tạo tính chất graphene 17 1.5.2 Ứng dụng vật liệu graphene 17 1.5.3 Phương pháp tổng hợp vật liệu graphene 18 1.5.3.1 Phương pháp lắng đọng hóa học 19 1.5.3.2 Phương pháp epitaxial đế silic cacbua 20 1.5.3.3 Phương pháp tách bóc học 21 1.5.3.4 Phương pháp bóc tách pha lỏng 21 1.5.3.5 Phương pháp oxy hóa – khử 22 vii 1.6 Vật liệu composite TiO2/rGO 24 1.6.1 Cấu tạo vật liệu composite TiO2/rGO 24 1.6.2 Phương pháp tổng hợp vật liệu composite TiO2/rGO 24 1.6.2.1 Phương pháp phối trộn huyền phù 24 1.6.2.2 Phương pháp đồng kết tủa 25 1.7 Tính cấp thiết, tính mới, mục tiêu, nội dung, phương pháp nghiên cứu 26 1.7.1 Tính cấp thiết 26 1.7.2 Tính 26 1.7.3 Mục tiêu nghiên cứu 26 1.7.4 Nội dung nghiên cứu 26 1.7.5 Phương pháp nghiên cứu 27 1.7.5.1 Phương pháp tổng hợp vật liệu 27 1.7.5.2 Phương pháp chế tạo điện cực từ vật liệu composite tổng hợp 27 1.7.5.3 Phương pháp ráp pin DSSC 28 1.7.5.4 Phương pháp khảo sát hiệu làm việc pin DSSC 29 1.7.5.5 Phương pháp khảo sát hình thái – cấu trúc – đặc tính vật liệu 33 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 46 2.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị, địa điểm thực 46 2.1.1 Hóa chất 47 2.1.2 Dụng cụ thiết bị 49 2.1.3 Địa điểm thực 50 2.2 Thí nghiệm 49 2.2.1 Tổng hợp graphene oxit 49 2.2.2 Tổng hợp graphene oxit dạng khử 50 2.2.3 Tổng hợp TiO2/rGO phương pháp đồng kết tủa 50 2.2.3.1 Khảo sát chất khử 52 2.2.3.2 Khảo sát tỉ lệ chất khử 52 2.2.3.3 Khảo sát phần trăm khối lượng GO 53 2.2.4 Chế tạo điện cực ráp pin DSSC 53 2.2.4.1 Tổng hợp hệ keo in lụa TiO2/rGO 53 2.2.4.2 Chế tạo điện cực anot TiO2/rGO 56 2.2.4.3 Chế tạo điện cực anot đối chứng 56 2.2.5 Chế tạo điện cực catot Pt thương mại lắp ráp pin DSSC 57 2.2.5.1 Chế tạo điện cực catot Pt thương mại 57 viii 2.2.5.2 Ráp pin DSSC 58 2.2.6 Khảo sát hiệu làm việc pin DSSC 59 2.2.7 Khảo sát hình thái – cấu trúc – đặc tính vật liệu 61 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 61 3.1 Ảnh hưởng điều kiện tổng hợp vật liệu đến hiệu làm việc pin DSSC 62 3.1.1 Ảnh hưởng chất khử 61 3.1.2 Ảnh hưởng tỉ lệ chất khử 69 3.1.3 Ảnh hưởng phần trăm khối lượng GO 75 3.2 Hình thái – cấu trúc – đặc tính vật liệu 82 3.2.1 Quang phổ UV-VIS 82 3.2.2 Phổ FTIR 84 3.2.3 Phổ Raman 86 3.2.4 Phổ XPS 88 3.2.5 Giản đồ XRD 89 3.2.6 Kết đo EDX 90 3.2.7 Kết đo BET 91 3.2.8 Giản đồ TGA 92 3.2.9 Ảnh FE-SEM TEM 94 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ ix Phụ lục 3: Hình thái – đặc tính – cấu trúc vật liệu Phụ lục 3.1: Bước sóng xác định lượng vùng cấm vật liệu TiO2, TG 0, composite TiO2/rGO Phụ lục 3.2: Phổ FTIR Gi Phụ lục 3.3: Phổ FTIR GO Phụ lục 3.4: Phổ FTIR rGO Phụ lục 3.5: Phổ FTIR TiO2 Phụ lục 3.6: Phổ FTIR TG 13 Phụ lục 3.7: Phổ Raman Gi Phụ lục 3.8: Phổ Raman GO Phụ lục 3.9: Phổ Raman rGO Phụ lục 3.10: Phổ Raman TG 13 Phụ lục 3.11: Giản đồ XRD Gi Phụ lục 3.12: Giản đồ XRD GO Phụ lục 3.13: Giản đồ XRD rGO Phụ lục 3.14: Giản đồ XRD TiO2 Phụ lục 3.15: Giản đồ XRD TG 13 Phụ lục 3.16: Giản đồ EDX TG 13 Phụ lục 3.17: Diện tích bề mặt rGO theo BET Phụ lục 3.18: Diện tích bề mặt TiO2 theo BET Phụ lục 3.19: Diện tích bề mặt TiO2\rGO theo BET Phụ lục 3.20: Giản đồ TGA hệ keo TiO2 Phụ lục 3.21: Giản đồ TGA hệ keo TG 13 Phụ lục 3.23: Ảnh SEM vật liệu TG 13 Phụ lục 3.23: Ảnh TEM vật liệu TiO2 rGO Phụ lục 3.24: Ảnh TEM vật liệu TG 13 Phụ lục 3.25: Ảnh AFM vật liệu rGO PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: Lê Văn Cường Ngày, tháng, năm sinh: 22/10/1994 Nơi sinh: Khánh Hòa Địa liên lạc: 166 – Bình Hịa 03, Thuận An, Bình Dương Q TRÌNH ĐÀO TẠO 2013 – 2017: Sinh viên Đại học Khoa Học Tự Nhiên – ĐHQG TP.HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC 2017 – 2019: Nghiên cứu viên Phịng thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG TP.HCM Cơng nghệ hóa học Dầu khí, ĐH Bách Khoa ... tiếng Việt: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite titan dioxit/graphene oxit dạng khử ứng dụng chế tạo điện cực anot pin mặt trời chất màu nhạy quang Tên tiếng Anh: Synthesis of titanium dioxide/reduced... việc ứng dụng vật liệu graphene vào pin mặt trời DSSC nên đề tài ? ?Tổng hợp vật liệu composite titan dioxit/graphene oxit dạng khử phương pháp đồng kết tủa ứng dụng chế tạo điện cực anot pin mặt trời. .. theo, điện cực anot pin mặt trời chất màu nhạy quang chế tạo từ vật liệu composite TiO2/rGO phương pháp in lụa Bên cạnh đó, điện cực anot đối chứng chế tạo từ TiO2 Đồng thời, điện cực anot chế tạo