Nghiên cứu ảnh hưởng của yếu tố pha tạp lên hoạt tính quang điện hoá của vật liệu thanh nano tio2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN THỊ MINH THỤC NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA YẾU TỐ PHA TẠP LÊN HOẠT TÍNH QUANG ĐIỆN HĨA CỦA VẬT LIỆU THANH NANO TiO2 Chuyên ngành: Vật lí chất rắn Mã số: 8440104 Người hướng dẫn: TS TRẦN NĂM TRUNG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu đề tài trung thực, kết nghiên cứu thực Trường Đại học Quy Nhơn hướng dẫn TS Trần Năm Trung, tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ Học viên Nguyễn Thị Minh Thục LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập hồn thành luận văn, tơi nhận ủng hộ, giúp đỡ quý báu từ thầy cô giáo, đồng nghiệp, bạn bè người thân Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ kính trọng biết ơn sâu sắc tới TS Trần Năm Trung - người hướng dẫn trực tiếp, tận tình giúp đỡ, động viên tạo điều kiện thuận lợi cho suốt thời gian thực đề tài luận văn Tôi xin cảm ơn quan tâm, giúp đỡ, ân cần bảo nhiệt tình giảng dạy thầy cô Bộ môn Vật lý – Khoa học vật liệu, Khoa Khoa học tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn Những kiến thức mà thầy hết lịng truyền đạt tảng tri thức vững cho chúng tơi q trình học tập sau trường Tôi xin gửi lời cảm ơn tới cán bộ, giảng viên Phịng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Trường Đại học Quy Nhơn hỗ trợ giúp đỡ nhiều việc thực phép đo để đóng góp vào kết luận văn Xin cảm ơn tài trợ đề tài Nafosted (mã số: 103.02-2018.329) dự án SI (mã số: VN2018SIN239A101) việc thực số phép đo đạc luận văn Cuối cùng, xin cảm ơn người thân ln bên cạnh, giúp đỡ, động viên tạo điều kiện để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Học viên Nguyễn Thị Minh Thục MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện nay, nhu cầu sử dụng lượng người ngày tăng, nguồn lượng hoá thạch (như dầu mỏ, than đá, khí đốt, ) ngày cạn kiệt Đồng thời, việc sử dụng mức lượng hoá thạch nguyên nhân chủ yếu gây nên ô nhiễm môi trường làm biến đổi khí hậu Ơ nhiễm mơi trường Việt Nam nói riêng giới nói chung có diễn biến phức tạp Sự nhiễm ngày trầm trọng diễn diện rộng đe doạ đến tồn phát triển bền vững Việc xử lý ô nhiễm môi trường vấn đề mang tính cấp thiết, địi hỏi có quan tâm, đầu tư nghiên cứu sâu rộng để tìm giải pháp nhằm hạn chế, giảm thiểu tác nhân gây nhiễm; đồng thời tìm phương pháp xử lý chất làm ô nhiễm mơi trường Ngồi việc người lệ thuộc nhiều vào tài nguyên hóa thạch làm cho số nước khơng có tài ngun bị phụ thuộc vào nước có nguồn tài nguyên dồi dào, từ dẫn đến nhiều hậu trị khác, chí xảy chiến tranh [1] Vì vậy, cần phải tìm kiếm nguồn lượng sản xuất dễ dàng với chi phí thấp thân thiện với môi trường để thay dần giảm tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch Hiện nay, nguồn lượng tái tạo như: lượng gió, lượng nước, lượng mặt trời, lượng địa nhiệt, lượng sinh học, … người khai thác sử dụng Tuy nhiên, việc sản xuất số nguồn lượng không ổn định thay đổi thời gian, vị trí yếu tố mơi trường khác Vì nhiên liệu hố thạch khơng thể tái tạo, nên cần phải phát triển quy trình để có tài nguyên tái tạo sử dụng lượng Quang hợp nhân tạo, tách nước quang hoá pin mặt trời tái tạo quan tâm đặc biệt bối cảnh Quang điện hóa nghiên cứu chuyên sâu lĩnh vực sản xuất hydro từ nước lượng mặt trời Sự phân tách quang hóa nước Fujishima Honda phát lịch sử vào năm 1972 điện cực TiO2 Gần đây, nhiều vật liệu cho thấy đặc tính đầy hứa hẹn để phân tách nước hiệu TiO2 rẻ, phong phú, ổn định chống ăn mịn ảnh Vấn đề TiO độ rộng vùng cấm eV 3,2 eV tùy theo cấu trúc tinh thể chúng (anatase rutile) [2] Các giá trị độ rộng vùng cấm lớn để hấp thụ bước sóng vùng nhìn thấy hấp thụ bước sóng vùng UV (Ultraviolet) Trong phương pháp nhằm thay đổi phổ hấp thụ vật liệu TiO2, pha tạp ion phi kim, kim loại khác cách thức hiệu để mở rộng phổ ánh sáng hấp phụ từ vùng UV sang vùng nhìn thấy, đồng thời phương pháp để giảm tái kết hợp electron lỗ trống sinh chiếu sáng [3] Từ sở lý luận trên, tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố pha tạp lên hoạt tính quang điện hố vật liệu nano TiO2” Phương pháp sử dụng đề tài phương pháp thủy nhiệt Một lợi phương pháp thủy nhiệt có chi phí thấp, q trình thực đơn giản, tương đối an tồn, đồng thời sản xuất vật liệu với quy mơ lớn có độ đồng cao Việc tổng hợp vật liệu nano oxit titan dạng thẳng đứng đế dẫn điện (như đế oxit thiếc pha tạp flo (FTO: Fluorine doped Tin Oxide)) tận dụng lợi diện tích bề mặt riêng lớn vật liệu nano tính dẫn hạt tải theo hướng cấu trúc nano chiều (1D: One Dimensional) Hơn nữa, việc pha tạp số nguyên tố Sn, C vào cấu trúc vật liệu TiO2 kì vọng nâng cao hiệu suất quang điện hố vật liệu thơng qua việc tăng cường khả truyền tải hạt mang điện, giảm độ rộng vùng cấm khả hấp thụ ánh sáng vật liệu - Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu chế tạo mẫu vật liệu nano TiO2 có cấu trúc dạng thẳng đứng đế dẫn điện FTO phương pháp thủy nhiệt - Nghiên cứu pha tạp đồng pha tạp số nguyên tố Sn, C vào mẫu vật liệu nano TiO2 - Khảo sát ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ tổng hợp mẫu pha tạp, nguyên tố pha tạp, nồng độ pha tạp, lên hoạt tính quang điện hóa mẫu vật liệu chế tạo Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu nano TiO2 pha tạp - Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố pha tạp lên hoạt tính quang điện hố vật liệu nano TiO2 phạm vi phịng thí nghiệm Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu sở lí luận tổng hợp tài liệu - Phương pháp thực nghiệm chế tạo mẫu phương pháp thủy nhiệt - Phương pháp khảo sát đặc trưng tính chất vật liệu hiển vi điện tử quét (SEM), phổ tán xạ tia X (XRD), phổ hấp thụ vùng tử ngoại – khả kiến (UV-VIS), … - Phương pháp khảo sát hoạt tính quang điện hóa qt tuyến tính (LSV), đặc trưng dịng điện – thời gian (I – t) - Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài Góp phần làm phong phú thêm phương pháp tổng hợp vật liệu nano TiO2 pha tạp - Góp phần nâng cao khả ứng dụng vật liệu nano TiO2 - Kết đóng góp định mặt thực tiễn, góp phần đưa hướng giải vấn đề khủng hoảng lượng ô nhiễm môi trường Cấu trúc luận văn Luận văn kết cấu gồm phần: Mở đầu Chương Tổng quan lý thuyết Chương Kỹ thuật thực nghiệm Chương Kết thảo luận Kết luận kiến nghị CHƯƠNG TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 1.1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO TiO2 1.1.1 Cấu trúc tinh thể và dạng thù hình TiO2 Vật liệu nano (Nano materials) lĩnh vực nghiên cứu quan tâm thời gian gần Với kích thước nhỏ bé, vật liệu nano xuất nhiều tính chất đặc biệt tính chất quang điện, quang xúc tác, tính siêu thấm nước, hoạt tính xúc tác cao…[4], [5] TiO2 oxít kim loại bán dẫn, tự nhiên tồn ba dạng thù hình khác rutile, anatase, brookite (hình 1.1) Cả ba dạng tinh thể có chung cơng thức hóa học TiO 2, nhiên cấu trúc tinh thể chúng khác Titanium (IV) Oxide (II) có pha bền pha rutile (tetragonal) hai pha giả bền anatase (tetragonal) brookite (orthorhombic) Cả hai pha giả bền chuyển thành pha rutile vật liệu nung nhiệt độ 700 oC (915 oC cho pha anatase 750 oC cho pha brookite) Một số tác giả thấy nhiệt độ 500 oC pha anatase bắt đầu chuyển sang pha rutile trình xử lý nhiệt [6], [7], [8] Hình 1.1 Các dạng thù hình khác TiO2: (A) rutile, (B) anatase, (C) brookite Cấu trúc mạng lưới tinh thể rutile, anatase brookite xây dựng từ đa diện phối trí tám mặt (octahedra) TiO nối với qua cạnh qua đỉnh oxy chung (hình 1.2) Mỗi ion Ti +4 bao quanh tám mặt tạo sáu ion O2- Hình 1.2 Khối bát diện TiO2 Các mạng lưới tinh thể rutile, anatase brookite khác biến dạng hình tám mặt cách gắn kết octahedra Pha rutile anatase có cấu trúc tetragonal chứa 12 nguyên tử tương ứng ô đơn vị Trong hai cấu trúc, cation Ti +4 phối trí với sáu anion O2-; anion O2- phối trí với ba cation Ti+4 Trong trường hợp nói khối bát diện TiO bị biến dạng nhẹ, với hai liên kết Ti-O lớn chút so với bốn liên kết cịn lại vài góc liên kết lệch khỏi 90o Sự biến dạng thể pha anatase rõ pha rutile Mặt khác, khoảng cách Ti-Ti anatase lớn rutile khoảng cách Ti-O anatase lại ngắn so với rutile Điều ảnh hưởng đến cấu trúc điện tử hai dạng tinh thể, kéo theo khác tính chất vật lý hóa học [8] Hình 1.3 Cấu trúc tinh thể TiO2: (A) rutile, (B) anatase Sự gắn kết octahedra hai pha rutile anatase mô tả hình 1.3 Pha rutile có độ xếp chặt cao so với hai pha lại, khối bát diện xếp tiếp xúc đỉnh, hai khối bát diện đứng cạnh chia sẻ hai cạnh chung tạo thành chuỗi, pha rutile có khối lượng riêng 4,2 g/cm3 Với pha anatase, khối bát diện tiếp xúc cạnh với nhau, trục c tinh thể kéo dài có khối lượng riêng 3,9 g/cm TiO2 anatase không pha tạp chất cách điện dị hướng có cấu trúc tetragonal (a = 3,78 Å; c = 9.52 Å) có số điện mơi tĩnh 31 Pha brookite có cấu trúc phức tạp, brookite có cấu trúc orthorhombic với đối xứng 2/m 2/m 2/m nhóm khơng gian Pbca Ngồi ra, độ dài liên kết Ti-O khác nhiều so với pha anatase rutile, góc liên kết O-Ti-O [6] Có tài liệu nghiên cứu pha brookite Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể TiO2: brookite ... độ pha tạp, lên hoạt tính quang điện hóa mẫu vật liệu chế tạo Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu nano TiO2 pha tạp - Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu ảnh hưởng yếu. .. dẫn điện FTO phương pháp thủy nhiệt - Nghiên cứu pha tạp đồng pha tạp số nguyên tố Sn, C vào mẫu vật liệu nano TiO2 - Khảo sát ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ tổng hợp mẫu pha tạp, nguyên tố pha tạp, ... sinh chiếu sáng [3] Từ sở lý luận trên, tiến hành nghiên cứu đề tài: ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố pha tạp lên hoạt tính quang điện hố vật liệu nano TiO2? ?? Phương pháp sử dụng đề tài phương pháp thủy