ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN ĐẾN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT SnO2-GO

Đánh giá ảnh hưởng của thời gian lên cấu trúc và tính chất của nano composite SnO2/Graphene oxit trong giới hạn thời gian đề ra, bằng các kết quả phân tích (XRD, SEM, TEM, PL, UV, RAMAN, EDS) thu được.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU BỘ MÔN KIM LOẠI VÀ HỢP KIM LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ẢNH HƯỞNG CỦA THỜI GIAN TỔNG HỢ ĐẾN CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA NANO COMPOSITE SnO2/GRAPHENE OXIT BẰNG HƯƠNG PHÁP THUỶ NHIỆT GVHD: TS TRẦN VĂN KHẢI SVTH: TRƯƠNG VĨNH CƠ MSSV: V1200404 TP.HCM, Tháng năm 2018 MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN 10 N DANH MỤ N 16 ƯƠNG I: TỔNG QUAN 17 1.1 Đặt vấn đề 17 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 19 1.3 Tính đề tài 20 1.4 Ý nghĩa khoa học thực tiễn 20 1.5 Giả thiết nghiên cứu 21 1.6 Câu hỏi nghiên cứu 21 1.7 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 22 1.8 Nội dung nghiên cứu 22 ƯƠNG II: Ơ T T 24 2.1 hương pháp tổng hợp SnO2 24 2.2 hương pháp tổng hợp Graphene 29 2.3 hương pháp tổng hợp vật liệu SnO2/Graphene 30 2.4 Lí chọn phương pháp thuỷ nhiệt 36 ƯƠNG III: Q TR N T ỰC NGHIỆM 39 3.1 Vật liệu hoá chất 39 3.2 Thiết bị tổng hợp vật liệu 39 ƯƠNG IV: K T QU VÀ BÀN LUẬN 56 ƯƠNG V: TỔNG K T 82 T I IỆ T K 84 Ðại học Quốc gia Tp.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Trường ÐH BÁCH KHOA Ðộc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc -TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN KHOA : Cơng Nghệ Vật Liệu BỘ MƠN : Kim Loại Hợp Kim HỌ VÀ TÊN : TRƯƠNG VĨNH CƠ (V1200404) LỚ : VL12KL - Tên luận văn: Ảnh hưởng nhiệt độ tổng hợp đến cấu trúc tính chất nano composite SnO2 /Graphene oxit phương pháp thuỷ nhiệt - Nhiệm vụ: - Luận v n đ thực th o nhiệm v - T m hi u ng - u c u đ t thu ết v công nghệ vật iệu nano cấu trúc tính chất cấu tạo c ng ng vật iệu nano compo it n 2/GRO Luận v n thực u tr nh công nghệ chế tạo vật iệu nano phương pháp thuỷ nhiệt - Luận v n nghi n c u nh hưởng thời gian tổng hợp đối v i tính chất cấu trúc thành ph n hoá học vật iệu nano compo it n G phương pháp thuỷ nhiệt - Ngày giao nhiệm vụ : 24/01/2018 - Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 10/06/2018 - Họ tên người hướng dẫn: T.S Trần Văn Khải hần hướng dẫn: Công nghệ vật iệu m i Ngà tháng n m 2018 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (K ghi rõ họ t n) Ðại học Quốc gia Tp.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Trường ÐH BÁCH KHOA Ðộc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc -TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018 HIẾU CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆ (Dành cho người hư ng ẫn) Họ t n inh vi n: TRƯƠNG VĨNH CƠ MSSV: V1200404 Chu n ngành: Kim oại hợp kim Đ tài: Ảnh hưởng nhiệt độ tổng hợp đến cấu trúc tính chất nano composite SnO2 /Graphene oxit phương pháp thuỷ nhiệt Họ t n gi ng vi n hư ng ẫn: TS Trần Văn Khải Tổng uát v b n thu ết minh: ố trang : ố chương : ố b ng ố iệu : ố h nh nh : ố iệu tham kh o : Hiện vật ( Ph n m m tính tốn : n phẩm) : Tổng uát v b n vẽ: ố b n vẽ : ố b n vẽ ta : ố b n vẽ má tính: Nhận xét: Đ nghị: Được b o vệ  Bổ ung th m đ b o vệ  Không b o vệ  Câu hỏi inh vi n ph i tr ời trư c hội đồng (CBPB câu): Đánh giá chung (Bằng chữ: giỏi TB):………… 10 Đi m (thang m 10):…… 10 K t n (ghi rõ họ t n) HIẾU CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆ (Dành cho người ph n biện) Họ t n inh vi n: TRƯƠNG VĨNH CƠ MSSV: V1200404 Chu n ngành: Kim oại hợp kim Đ tài: Ảnh hưởng nhiệt độ tổng hợp đến cấu trúc tính chất nano composite SnO2 /Graphene oxit phương pháp thuỷ nhiệt Họ t n gi ng vi n ph n biện: TS HU NH CÔNG KH NH Tổng uát v b n thu ết minh: ố trang : ố chương : ố b ng ố iệu : ố h nh nh : ố iệu tham kh o : Hiện vật ( Ph n m m tính tốn : n phẩm) : Tổng uát v b n vẽ: ố b n vẽ : ố b n vẽ ta : ố b n vẽ má tính: Nhận xét: Đ nghị: Được b o vệ  Bổ ung th m đ b o vệ  Không b o vệ  Câu hỏi inh vi n ph i tr ời trư c hội đồng (CBPB câu): Đánh giá chung (Bằng chữ: giỏi TB):………… 10 Đi m (thang m 10):…… 10 K t n (ghi rõ họ t n) LỜI CẢM ƠN Trư c ti n m xin chân thành g i ời cám ơn đến th T.S Trần Văn Khải em xu n uốt uá tr nh àm uận v n Nhờ ự hư ng ẫn th , đ giúp m nhi u uá tr nh hoàn thành uận v n đồng thời cho m nhi u kiến th c chu n môn c ng thực tế giúp ích cho uận v n m Em c ng xin cám ơn quý thầy cô ngành Kim Loại Hợp Kim đ ua chương tr nh chu n ngành Những kiến th c th cô n n t ng đ ỗ m m có đủ đ hồn thành uận v n cách tốt Cuối m xin cám ơn bạn bè học chung đ giúp m uá tr nh hoàn thành uận v n nà cách tốt ột n chúng m xin c m ơn tất c người đ hỗ trợ tạo u kiện đ chúng m hoàn thành uận v n tốt nghiệp Xin chân thành c m ơn TÓM TẮT LUẬN VĂN Ngà na ĩnh vực vật iệu ngà phát tri n có nhi u tha đổi đột phá vô n đối v i ự phát tri n uốc gia nói ri ng gi i nói chung Các vật iệu m i ngà ng ng tha vật iệu cổ tru n ĩnh vực ống ĩnh vực công nghệ m i ĩ vật iệu m i nà chiếm ưu o đáp ng u c u cao v m t k thuật Graphene đâ vật iệu m i ng ột ố vật iệu SnO2 tr n n n ng ng ngà nhi u nhi u ĩnh vực điện cực c m biến pin m t trời… V i nhu c u ngà t ng đòi hỏi cao, oại vật iệu nà phủ uốc gia nhà khoa học tr n gi i đ u tư nghi n c u phát tri n Hiện na ng oại vật iệu nà đ tổng hợp thành cơng có tính ng phổ biến Ở Việt Nam na nhà khoa học c ng nghi n c u đ t m công nghệ tổng hợp oại vật iệu nà đ có thành cơng định Do uận v n tốt nghiệp n nà m u ết định ựa chọn nghi n c u phương pháp tổng hợp vật iệu SnO2 tr n n n Graph n phương pháp thuỷ nhiệt au đánh giá ự nh hưởng nhiệt độ thời gian đến cấu trúc tính chất chúng Luận v n tốt nghiệp “Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ thời gian đến cấu trúc tính chất vật liệu nano composite n Graphene phương pháp thuỷ nhiệt” i đâ v i m c đích tổng hợp vật iệu n tr n n n Graph n phương pháp thuỷ nhiệt th o thơng ố thí nghiệm báo khoa học đ công bố au đánh giá ự nh hưởng nhiệt độ thời gian đến cấu trúc tính chất chúng Từ xác định kho ng nhiệt độ thời gian tốc độ ua hợp 10 tối ưu đ ki m tra ại Ảnh SEM mẫu 12h-120oC độ ph n giải 00 nm Ảnh SEM mẫu 12h-120oC độ ph n giải 1μm 71 Ảnh SEM mẫu 12h-120oC độ ph n giải 2μm Qua hình nh có th rút kết luận b m t mẫu có nhi u hạt dạng tấm, vẩy gai Các vẩy nằm đan x n bám tr n b m t graphene V i độ phóng đại cao có th thấ nhi u hạt li ti bám graphene Những hạt tinh th SnO2 4.4 - Kết EDX Mẫu số 1: 12h-120oC Phổ phân tích thành phần hóa mẫu 12h-120oC 72 Tên nguyên tố % Khối ượng % Nguyên t CK 4.40 11.02 OK 39.60 74.39 Si K 0.27 0.29 Fe K 0.67 0.36 Sn L 55.05 13.94 Tổng cộng 100.00 Bảng thành phần hóa mẫu 12h-120oC Dựa vào hàm ượng chất ta có tỉ lệ hàm ượng Sn O2 1:7 (74.39 : 13.94) suy đâ khơng ph i tỉ lệ thật SnO2 graphene bị oxi hóa tạo thành graphene oxit (G ) cho n n hàm ượng O2 vật liệu composite SnO2 / G.O bao gồm từ SnO2 G V u kiện phòng thiết bị gi i hạn nên không th xác định tỉ lệ Sn O2, có th khẳng định có m t SnO2 mẫu Tỉ lệ graphene Sn là: 11.02:13.94 ( xấp xỉ 1:1.26) nên g n v i tỉ lệ 1:1 so v i báo đ công bố 4.5 Kết Raman Mẫu chuẩn báo tham kh o: 73 Mẫu Raman chuẩn báo tham khảo [14] Mẫu ùng đ phân tích Raman dạng bôt Mẫu au li tâm sấy 700C 84h ùng đ đo aman thuộc hãng HORIBA JOBIN YVON, vùng kh o sát từ 0- 3000 cm-1 Phân tích bư c sóng laer 650nm V i bư c sóng kích thích lasers, kích thích nguyên t ao động phân t SnO2 n ng ượng kích thích laser làm cho nguyên t Đối v i phân t Sn O2 ao động tinh th chúng V i phương ao động khác nhau, tín hiệu Raman SnO2 có tín hiệu loại Eg, A1g, tín hiệu hai tín hiệu cho phổ ao động mạnh phổ Raman SnO2 74 - Mẫu số 1: 12h-120oC Chart Title 30000 25000 20000 10000 5000 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Raman Shift (cm-1) thị phổ Raman mẫu 12h-120oC Eg 420 A1g 617 Cường độ Cường độ 15000 Raman Shift (cm-1) thị phổ Raman thể có mặt SnO2 mẫu 12h-120oC 75 Ta có th thấy tín hiệu ao động Eg vị trí có t n số 420 cm-1 tín hiệu ao động A1g t n số 617 cm-1 th m g n giống v i đ c trưng tán xạ phổ Raman tinh th SnO2, cho thấy có m t tinh th SnO2 mẫu Tuy nhiên, phổ aman c ng xuất peak v i cường độ nhỏ chưa cao ắm so v i mẫu chuẩn có th tạp chất cịn lẫn mẫu Sự chênh lệch tín hiệu A1g – E12g s n phẩm tổng hợp 97 cm-1 Dựa vào độ chênh lệnh có th xác định số l p SnO2 25000 D 1324.2 G 1599.2 20000 15000 10000 5000 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 o thị phổ Raman thể có mặt graphene oxit mẫu 12h-120 C Từ hình ta thấy kho ng 1000-2000cm-1 có đỉnh p ak có cường độ l n Peak th nằm t n số 1324.2cm-1 ng v i tín hiệu D peak th nằm t n số 1599.2cm-1 ng v i tín hiệu G Hai tín hiệu nà đ c trưng cho ự có m t graphene mẫu Bên cạnh c ng có p ak cường độ yếu th cịn có tạp lẫn mẫu Từ phổ chuẩn có th thấy graphene oxit giống v i phổ mẫu chuẩn Do có th kết luận s n phẩm tổng hợp thành đ đạt thành công định 4.6 Kết PL 76 Mẫu chuẩn bị cho ch p quang phát quang dạng bột Mẫu au i tâm sấy khô nhiệt độ 12oC 120h đ mẫu khơ hồn tồn, dùng muỗng lấy ượng vừa đủ cho vào ng đựng mẫu đo PL má hãng HORIBA iHR320 Ảnh PL SnO2/Graphene báo tham khảo Mẫu số 1: 12h-120oC Cường độ - Ảnh PL SnO2/Graphene mẫu 12h-120oC 77 Trong kho ng 625-675nm có p ak có cường độ mạnh vị trí 657.55 nm Peak xác định có m t SnO2 mẫu Trong mẫu xuất peak nh y v i cường độ thấp có th tạp chấp tồn mẫu Peak nh y v i cường độ chưa cao chưa vị trí so v i peak chuẩn 360-700 nm có th người đo mẫu lấy mẫu v i hàm ượng mẫu hay dùng mẫu dạng bột có nhi u lỗ hổng nên peak nh y chưa cao 4.7 Kết UV Hình 4.30: Phổ UV – vis SnO2/Graphene báo tham khảo 78 Phổ UV – vis Graphene báo tham khảo [12] Mẫu chuẩn bị đ đo dạng lỏng đ u tiên hút ml mẫu sau li tâm cho vào lọ đựng mẫu au cho th m vào 15m thano ắc đ u đánh i u âm 30 phút cho ung ịch đồng đo mẫu thuộc hãng Dynamicamdòng HALO RB-10 Th y S s n xuất Chuẩn bị cuv t đựng mẫu cuv t đựng mẫu trắng ethanol (làm chất n n ba in ) cuv t đựng mẫu c n kh o át đ t cuvet vào máy tiến hành đo Vùng kh o sát từ 200-1000nm bư c nh y 1nm Mẫu số 1: 12h-120o Graphene oxit Peak Bư c sóng (nm) D 418 C 463 B 491 A 600 SnO2 Kết đo phổ UV – vis mẫu 12h-120oC 79 1.8 1.6 1.4 1.2 C D 463 B 418 491 0.8 0.6 0.4 A 600 0.2 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Phổ UV – vis SnO2/Graphene mẫu 12h-120oC Tại p ak có bư c sóng 491 nm 600 nm th hấp thu đ c trưng SnO2 gia t ng hấp thu ánh sáng bư c sóng nhỏ 500 nm hấp thu từ graphene Các peak lại hấp thu tạp chất có tr1ong mẫu Sở ĩ p ak khơng có chênh lệch nhi u v cường độ có th mẫu đ m đo dạng bột khơ, q trình pha lỗng dung dịch đ đ m đo chưa đạt chuẩn như: chưa tâm đ đồng dung dịch làm làm cho hạt phân tán chưa đồng đ u Dẫn đến nhi u hạt vón c c, tồn kích thư c l n làm nh hưởng đến độ nhiễu xạ peak sai số q trình làm thí nghiệm Nhưng ung ịch mẫu th peak Graphene oxit SnO2 bư c óng xác định Ch ng tỏ đ tổng hợp thành công vật liệu nanocomposite ch a đựng tính chất c n tìm 80 CHƯƠNG V: TỔNG KẾT 5.1 Kết luận Đ tài nghiên c u đ đưa quy trình tổng hợp đơn gi n, dễ thực v i u kiện trang thiết bị d ng c có sẵn PTN Kim loại khoa Công Nghệ Vật Liệu Qua kết qu phân tích đánh giá vật liệu có th kết luận đ tổng hợp thành công vật liệu nanocomposite MoS2 – Graphene phương pháp thủy nhiệt S n phẩm đánh giá phương pháp đại đáng tin cậ X D E – EDX, TEM, Raman, UV-Vi PL Do kết qu phép đo nà giúp xác định cấu trúc tinh th , thành ph n hóa có mẫu, thấ hình dạng kích thư c hạt, l p vật liệu ua phép đo TE E -EDX Cùng v i cường độ nhiễu xạ cao phổ XRD phổ Raman, ta có th đánh giá hàm ượng tinh th MoS2 chiếm ượng l n mẫu phép đo Uv-Vi PL đánh giá tính chất phát quang vật liệu Tóm lại đ tài nghiên c u đ tương đối thành cơng bên cạnh khó kh n định vật liệu tổng hợp có kích thư c nano mang tính chất mong muốn có nhi u ng d ng quan trọng ĩnh vực n ng ượng điện t ( c m biến sinh học) ngày 5.2 Thuận lợi Phịng thí nghiệm kim loại khoa công nghệ vật liệu trang bị đ đủ trang thiết bị d ng c đ trình tổng hợp vật liệu diễn thuận lợi Khoa CNVL đ cung cấp cho 81 em vật liệu graphene dạng lỏng giúp cho việc tiến hành thí nghiệm em diễn thuận lợi Đồng thời q trình làm thí nghiệm c ng th hư ng dẫn b o tận tình giúp em hi u nhi u u công việc c ng diễn suôn sẻ, thuận lợi Chính u góp ph n làm nên thành cơng cho q trình làm luận v n tốt nghiệp 5.3 Khó khăn Bên cạnh u thuận lợi q trình thực thí nghiệm c ng g p khơng khó kh n Qu tr nh thí nghiệm ph thuộc vào nhi u trang thiết bị đại phịng thí nghiệm Tuy nhiên q trình làm số máy móc g p tr c tr c hư hỏng c n thời gian s a chữa âu Như má i tâm uá tr nh àm đ g p cố nên ph i đến tu n đ s a chữa Thiết bị phân tích đánh giá thuộc đơn vị khác nhau, nằm cách xa mẫu phân tích ph i đợi thời gian m i phân tích Hơn tr nh độ s d ng thiết bị kĩ thuật vi n chưa chun mơn hóa v vật liệu nano c ng chưa có nhi u kinh nghiệm đ đo oại vật liệu nên kết qu ph i phân tích qua nhi u l n mẫu đ xác định xác tính chất vật liệu Thời gian thực c ng bị gi i hạn n n không cho phép đ kh o sát thêm thông số khác Đồng thời giai đoạn thí nghiệm cịn tồn sai số o có th nh hưởng đến kết qu Chẳng hạn tạp chất lẫn vào trình thí nghiệm hay muối có độ tinh khiết chưa cao r a s n phẩm chưa ạch hoàn tồn cịn lẫn ion thừa 5.4 Hướng phát triển đề tài Việc tổng hợp vật liệu nanocomposite MoS2 – grapheneoxides c n kh o sát thêm u kiện thí nghiệm khác áp uất, thời gian khuấ …Đồng thời kh o sát thêm 82 phương pháp phân tích khác đ đánh giá th m tính chất đáng u vật liệu chẳng hạn độ dẫn điện, tính chất v điện vật liệu Các s n phẩm tổng hợp ng d ng ĩnh vực đời sống đ c biệt n ng ượng điện t siêu t điện, c m biến, pin m t trời… 83 Như pin điện thoại, TÀI LIỆU TH M KHẢO Tên tiếng anh báo: “F ow r – like SnO2 Modified reduced Graphene Oxit nanocomposite: Synthesis and application for Lithium – ion batteries and Mediator – Free Bio n or” Tạp chí đăng: Journal of the Electrochemical Society Số: 162 (12) B312 – B318 Năm công bố: 2015 Tên tiếng anh báo: “Room-temperature high-performance acetone gas sensor based on hydrothermal synthesized SnO2-reduced graphene oxide hybrid composite” Tạp chí đăng: RSC Advances Số: 10.1039/C4RA10942B 84 [1] ột s tài liệu hác In Zhang et al., "Carbon science in 2016: Status, challenges and perspectives," Carbon, vol 98, pp 708–732, 2016 [6] Một số vấn đề mơi trường tồn cầu (GS.TS Võ Q ,Trung tâm Nghiên cứu Tài nguyên Môi trường) Đại học Quốc gia Hà Nội Chiến lược Phát triển Khoa học cơng nghệ giai đoạn 2011 – 2020 Chính phủ Kế hoạch chiến lược Khoa học Công nghệ ĐHQG-HCM giai đoạn 2011 – 2015 Nghiên cứu tổng hợp graphene ứng dụng cảm biến khí ( Luân văn thạc sĩ khoa học vật liệu điện - điện tử, Ngô Sĩ Trọng, Đại học bách khoa Hà Nội R T Downs, M Hall-Wallace, "The American Mineralogist Crystal Structure Database.", American Mineralogist (2003) 88, 247-250 Wikipedia.org/wiki/Thiếc(IV)_oxit [7] Mat Res vol.18 no.3 São Carlos May/June 2015 (GEMATA - LEEN, Departamento de Química, Universidade Federal Amazonas – UFAM, CEP 69077-000, Manaus, AM, Brazil ) [8] Journal of nano and electronic physics vol No 4, 04037(4pp) (2015) [2] [3] [4] [5] [9] [10] Room-Temperature Synthesis of Mesoporous Sn/SnO2 Composite as Anode for Sodium-Ion Batteries (Duihai Tang,Qingquan Huang, Ran Yi, Fang Dai,Mikhail L Gordin, Shi Hu, Shuru Chen, Zhaoxin Yu, Hiesang Sohn, Jiangxuan Song, and Donghai Wang) Synthesis of graphene-based nanosheets via chemical reduction of exfoliated graphite oxide (Carbon Volume 45, Issue 7, June 2007, Pages 1558-1565) [11] Room-temperature high-performance acetone gas sensor based on hydrothermal synthesized SnO2-reduced graphene oxide hybrid (Dongzhi Zhang, China University of Petroleum composite) [12] En.wikipedia.org/wiki/Hydrothermal_synthesis [13] [14] [15] Synthesis of Tin Oxide anchored on Graphene sheet and its performance Lithium storage (Lilai Liu, College of environment and chemical engineering, Heilongjiang University of Science and Technology, Harbin 150022 China Ji Chen, Chun Li, and Gaoquan Shi, "Graphene Materials for Electrochemical Capacitors," J Phys Chem Lett., vol 4, no 8, pp 1244–1253, 2013 Yuxi Xu, Gaoquan Shi, and Xiangfeng Duan, "Self-Assembled Three-Dimensional Graphene Macrostructures: Synthesis and Applications in Supercapacitors," Acc Chem Res., vol 48, no 6, pp 1666–1675, 2015 85 ... pháp thuỷ nhiệt au đánh giá ự nh hưởng nhiệt độ thời gian đến cấu trúc tính chất chúng Luận v n tốt nghiệp “Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ thời gian đến cấu trúc tính chất vật liệu nano composite... đ công bố au đánh giá ự nh hưởng nhiệt độ thời gian đến cấu trúc tính chất chúng Từ xác định kho ng nhiệt độ thời gian tốc độ ua hợp 10 tối ưu đ ki m tra ại tha đổi vài thông ố đ tổng hợp vật... iệu m i V i cấu trúc B n chất ự h nh thành vật iệu m i tr n kết hợp SnO2 graph n chế cho ự h nh thành cấu trúc vật iệu m i nà 21 àg Và Các thông ố công nghệ nh hưởng u ết định cấu trúc vật iệu