Nghiên cứu tính chất quang của hạt nano zno chế tạo bằng phương pháp điện hóa

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC MAI VI CẢNH NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG CỦA HẠT NANO ZnO CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA Chuyên ngành: Quang học Mã số: 44 01 10 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Cán hướng dẫn khoa học: TS Trần Quang Huy TS Nguyễn Thị Luyến THÁI NGUYÊN - 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi thực hướng dẫn, đạo chuyên môn Tiến sĩ Trần Quang Huy Tiến sĩ Nguyễn Thị Luyến Luận văn không chép kết nghiên cứu đảm bảo tính trung thực Nội dung luận văn phần dự án nghiên cứu tài trợ Quỹ phát triển Khoa học Công nghệ quốc gia, mã số: 108.99-2020.08, có tham khảo sử dụng số tài liệu báo công bố trích dẫn phần tài liệu tham khảo ii LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành sâu sắc đến Tiến sĩ Trần Quang Huy Tiến sĩ Nguyễn Thị Luyến tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, động viên khích lệ định hướng cho tơi q trình thực cơng trình nghiên cứu Trong q trình học tập nghiên cứu Khoa Vật lí Cơng nghệ, trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên, nhận quan tâm, giúp đỡ tận tình thầy giáo, anh chị học viên Tôi xin chân thành cảm ơn Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện thuận lợi cho thời gian thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương, Viện Nghiên cứu Nano - Trường Đại học Phenikaa, Phòng thí nghiệm Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên tạo điều kiện máy móc, trang thiết bị phịng thí nghiệm để tơi hồn thành luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn anh Nguyễn Xuân Quang, nghiên cứu sinh Viện nghiên cứu nano - Trường Đại học Phenikaa tận tình hướng dẫn tơi phương pháp chế tạo mẫu, sử dụng loại máy đo hướng dẫn phân tích kết Cuối cùng, tơi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Phổ thông Dân tộc nội trú Bắc Kạn đồng chí đồng nghiệp, gia đình, bạn bè tạo điều kiện, động viên giúp đỡ để tơi hồn thành khóa học Luận văn hỗ trợ của đề tài nghiên cứu Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ quốc gia, mã số: 108.99-2020.08 iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ vii MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN LÍ THUYẾT 1.1 Giới thiệu kẽm ơxít (ZnO) nano ZnO 1.2 Tính chất hạt nano ZnO 1.2.1 Tính chất quang 1.2.2 Quang xúc tác ZnO 1.2.3 Hoạt tính kháng khuẩn nano ZnO 1.3 Tổng hợp hạt nano ZnO 1.3.1 Phương pháp thủy nhiệt 1.3.2 Phương pháp sol - gel 10 1.3.3 Phương pháp điện hóa 11 1.3.4 Phương pháp vi sóng 12 1.4 Lý chọn đề tài tổng hợp hạt nano ZnO phương pháp điện hóa hỗ trợ vi sóng 13 1.5 Ứng dụng nano ZnO 14 1.6 Kết luận chương 15 Chương PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 16 2.1 Vật liệu 16 2.1.1 Hóa chất, nguyên vật liệu 16 2.1.2 Thiết bị 16 2.2 Quy trình tổng hợp nano ZnO phương pháp điện hóa 17 2.3 Khảo sát tính chất hạt nano ZnO 20 2.3.1 Phương pháp đo phổ hấp thụ UV - vis 20 iv 2.3.2 Phương pháp đo phổ huỳnh quang (PL) 22 2.3.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X 24 2.3.4 Phương pháp phổ hồng ngoại IR 246 2.3.5 Phương pháp đo tán xạ Raman 27 2.3.6 Phương pháp đo Zeta 29 2.3.7 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 31 2.4 Kết luận chương 33 Chương KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 34 3.1 Đặc tính hạt nano ZnO chế tạo phương pháp điện hóa 34 3.1.1 Phổ hấp thụ UV-vis 34 3.1.2 Hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 36 3.1.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X 38 3.1.4 Phổ hấp thụ hồng ngoại IR 39 3.1.5 Phổ Raman 40 3.1.6 Phổ huỳnh quang 41 3.1.7 Thế Zeta 43 3.2 Kết luận 44 KẾT LUẬN CHUNG 46 KIẾN NGHỊ 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 v DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Tt Viết tắt Giải nghĩa Zn Kẽm ZnO Ơ xít kẽm ZnO NPs Nano kẽm Ơ xít SEM Hiển vi điện tử quét TEM Hiển vi điện tử truyền qua XRD Nhiễu xạ tia X UV-vis Tử ngoại khả kiến PL Huỳnh quang vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Một số trang thiết bị thường dùng thí nghiệm 16 Bảng 2.2 Độ ổn định dung dịch hạt nano phụ thuộc vào bề mặt 31 Bảng 3.1 Đỉnh hấp thụ UV-Vis mẫu xử lý vi sóng theo thời gian 36 Bảng 3.2 Độ bán rộng kích thước tinh thể trung bình nano ZnO điều kiện vi sóng khác 39 Bảng 3.3 Đỉnh Zeta mẫu chế tạo điều kiện khác 44 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Bột ơxit kẽm Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể ZnO: (a) Rocksalt; (b) Zins Blende; (c) Wurtzite [9] Hình 1.3 Phổ huỳnh quang nano ZnO [14] Hình 1.4 Cơ chế quang xúc tác nano ZnO [15] Hình 1.5 Cơ chế kháng khuẩn nano ZnO nước [16] Hình 1.6 Sơ đồ biểu diễn quy trình chế tạo dung dịch nano ZnO phương pháp thủy nhiệt [18] 10 Hình 1.7 Quy trình chế tạo nano ZnO phương pháp sol - gel 11 Hình 1.8 Sơ đồ hệ điện hóa chế tạo hạt nano ZnO dung mơi khác [19] 12 Hình 1.9 So sánh trình cấp nhiệt vi sóng q trình cấp nhiệt thông thường [20] 13 Hình 1.10 Một số ứng dụng hạt nano ZnO 14 Hình 2.1 Quy trình chế tạo nano ZnO phương pháp điện hóa 18 Hình 2.2 Hệ chế tạo nano ZnO phương pháp điện hóa phịng thí nghiệm Viện Nghiên cứu Nano - Trường Đại học Phenikaa 19 Hình 2.3 Thiết bị vi sóng UWAVE 2000 Viện Nghiên cứu Nano - Trường Đại học Phenikaa 19 Hình 2.4 Mơ hình quang phổ hấp thụ 20 Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý đo UV - Vis hai chùm tia [26] 21 Hình 2.6 Máy OPTIMA model SP 3000 nano xuất xứ Nhật Bản, Viện Nghiên cứu Nano - Trường Đại học Phenikaa 22 Hình 2.7 Cơ chế phát xạ theo giản đồ lượng 23 Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý máy đo huỳnh quang 23 viii Hình 2.9 Máy đo phổ huỳnh quang FLS 1000 Tại Phịng thí nghiệm thực hành Trường Đại học Khoa học - Đại học Thái Nguyên 2 1028 cm -1 1097 cm-1 [31] đặc trưng cho dao động liên kết O-H H-O-H nước hấp thụ bề mặt Như vậy, qua phổ IR thấy dung dịch sau chế tạo gồm hạt nano ZnO dung môi nước, khơng xuất tạp chất khác Hình 3.5 Phổ IR mẫu dung dịch nano ZnO xử lý ví sóng theo thời gian: (a) khơng vi sóng; (b) phút; (c) phút; (d) phút; (e) 10 phút 3.1.5 Phổ Raman Phương pháp đo phổ Raman sử dụng để khảo sát đặc trưng dao động mẫu nano ZnO trước sau xử lý vi sóng Hình 3.6 phổ Raman đo nhiệt độ phịng với bước sóng laze kích thích   785nm mẫu nano ZnO chế tạo với điều kiện khác đường (a) mẫu chế tạo phương pháp điện hóa khơng kết hợp xử lý vi sóng; đường (b) (c) mẫu chế tạo phương pháp điện hóa kết hợp xử lí vi sóng với thời 41 gian tương ứng phút 10 phút Từ phổ Raman thấy ba mẫu xuất đỉnh vị trí đỉnh 386 cm-1, quy cho mode dao động phonon quang dọc E1(LO)[32] Đặc biệt, với mẫu khơng vi sóng kết hợp vi sóng phút thấy xuất thêm đỉnh 423 cm-1, đỉnh quy cho mode dao động Raman tích cực 𝐸2𝑐𝑎𝑜 liên kết với nguyên tử oxy [32] So sánh cường độ thấy mẫu vi sóng phút cường độ đỉnh 423 cm-1 lớn nhiều so với mẫu khơng vi sóng Ngồi ra, mẫu kết hợp vi sóng phút cịn xuất thêm đỉnh vị trí 109 cm-1 ,được quy cho mode 𝑡ℎấ𝑝 dao động phonon quang 𝐸2 mà liên quan đến dao động nguyên tử Zn Ngồi mode Raman tích cực quan sát thấy trên, xuất thêm mode Raman bất thường mà ghi nhận phổ Raman Trong đó, đỉnh phổ Raman xuất hai vị trí 226 cm-1 298 cm-1 mẫu không kết hợp xử lý vi sóng 𝑡ℎấ𝑝 mẫu kết hợp vi sóng phút quy cho mode dao động phonon âm 𝐵1 Hình 3.6 Phổ raman mẫu dung dịch nano ZnO xử lý ví sóng theo thời gian: (a) khơng vi sóng; (b) phút; (c) 10 phút 3.1.6 Phổ huỳnh quang Các mẫu nano ZnO khảo sát tính chất quang phương pháp đo phổ huỳnh quang (PL) Hình 3.7 phổ huỳnh quang đo nhiệt độ phòng mẫu nano ... Một số ứng dụng hạt nano ZnO 14 Hình 2.1 Quy trình chế tạo nano ZnO phương pháp điện hóa 18 Hình 2.2 Hệ chế tạo nano ZnO phương pháp điện hóa phịng thí nghiệm Viện Nghiên cứu Nano - Trường... ơxít (ZnO) nano ZnO 1.2 Tính chất hạt nano ZnO 1.2.1 Tính chất quang 1.2.2 Quang xúc tác ZnO 1.2.3 Hoạt tính kháng khuẩn nano ZnO 1.3 Tổng hợp hạt nano. .. huỳnh quang nano ZnO [14] Hình 1.4 Cơ chế quang xúc tác nano ZnO [15] Hình 1.5 Cơ chế kháng khuẩn nano ZnO nước [16] Hình 1.6 Sơ đồ biểu diễn quy trình chế tạo dung dịch nano ZnO phương