Nâng cao hiệu suất tách nước quang điện hóa sử dụng quang điện cực cấu trúc zno cds cuins2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN HÀ NGỌC DUNG NÂNG CAO HIỆU SUẤT TÁCH NƢỚC QUANG ĐIỆN HÓA SỬ DỤNG QUANG ĐIỆN CỰC CẤU TRÚC ZnO/CdS/CuInS2 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Bình Định – Năm 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN HÀ NGỌC DUNG NÂNG CAO HIỆU SUẤT TÁCH NƢỚC QUANG ĐIỆN HÓA SỬ DỤNG QUANG ĐIỆN CỰC CẤU TRÚC ZnO/CdS/CuInS2 Chuyên ngành : Vật lý chất rắn Mã số Ngƣời hƣớng dẫn: TS Hoàng Nhật Hiếu LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn “Nâng cao hiệu suất tách nước quang điện hóa sử dụng quang điện cực cấu trúc ZnO/CdS/ CuInS 2” kết nghiên cứu thân hướng dẫn TS Hoàng Nhật Hiếu thực trường Đại học Quy Nhơn Những kết chưa xuất công bố tác giả khác Các kết thu xác hồn tồn trung thực Bình Định, ngày 30 tháng 06 năm 2019 Học viên Nguyễn Hà Ngọc Dung LỜI CẢM ƠN Lời xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Hồng Nhật Hiếu – người tận tình hướng dẫn, bảo, động viên giúp đỡ em trình nghiên cứu để em hồn thành tốt luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cơ khoa Vật Lý Trung tâm thí nghiệm thực hành A6 – Trường Đại học Quy Nhơn tạo điều kiện cho học tập nghiên cứu trường Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè tập thể lớp Cao học Vật lý Chất rắn K20 động viên, khích lệ tinh thần tơi suốt q trình học tập nghiên cứu khoa học Mặc dù cố gắng thời gian thực luận văn cịn hạn chế kiến thức, kinh nghiệm thời gian nghiên cứu nên không tránh khỏi thiếu sót Tơi mong nhận thơng cảm ý kiến đóng góp q báu từ q Thầy, Cơ để luận văn hồn thiện Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả Nguyễn Hà Ngọc Dung MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Ngay từ cuối kỷ 20, giới phải đối mặt với thách thức nghiêm trọng Thách thức thứ nhất: Nguồn lượng hóa thạch cạn kiệt nhanh chóng Thách thức thứ hai: Biến đổi khí hậu diễn nhanh chóng, khắc nghiệt phức tạp diện rộng Thách thức thứ ba: Môi trường bị nhiễm nghiêm trọng Tìm kiếm nguồn lượng để thay lượng hóa thạch (than, dầu mỏ, khí thiên nhiên) nhằm đối phó với thách thức sống kỷ, mối quan tâm quốc gia nhà khoa học giới Với ưu vượt trội, lượng mặt trời nguồn lượng vơ tận sạch, giữ vai trị to lớn việc đối phó với vấn đề khủng hoảng lượng giới giải vấn đề môi trường cấp bách Tuy nhiên, làm cách để sử dụng ánh sáng mặt trời cách hiệu kinh tế thách thức cho nhà nghiên cứu Kỹ thuật tách nước quang điện hóa với sản phẩm hiđro oxi thừa nhận cách hứa hẹn để chuyển đổi lượng mặt trời thành nhiên liệu hiđro, nguồn lượng sạch, tái tạo có hiệu suất cao [1] Đây hướng nhiều triển vọng để thu sản phẩm hidro quy mô thương mại trở thành đối tượng thu hút quan tâm nghiên cứu nhiều nhà khoa học Các thành tựu nghiên cứu lĩnh vực động lực thúc đẩy giới chuyển từ kinh tế hóa thạch sang kinh tế hiđro Hiệu suất chuyển đổi lượng hiđro kỹ thuật định vật liệu làm quang điện cực Một quang điện cực lý tưởng cho hiệu suất cao ổn định phải thỏa mãn yêu cầu: hấp thụ ánh sáng cao vận chuyển điện tử nhanh Vật liệu ZnO với thiết kế cấu trúc phân nhánh trật tự cao cho thấy ứng cử viên tiềm cho ứng dụng làm quang điện cực tế bào quang điện hóa tách nước Tuy nhiên, hệ vật liệu nhiều nhược điểm thời gian sống điện tử ngắn, hấp thụ ánh sáng vùng UV, giới hạn khả chuyển đổi lượng mặt trời thành nhiên liệu hiđro Để khắc phục hạn chế đó, chất bán dẫn đặc biệt phủ đính lên bề mặt vật liệu ZnO để tăng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy tạo thành cấu trúc chuyển tiếp dị thể với ZnO, điều tạo điều kiện thuận lợi để phân chia vận chuyển dịng quang điện, thơng qua đó, cải thiện hiệu tách nước CuInS không độc hại, chất bán dẫn lý tưởng cho việc bắt giữ ánh sáng nhìn thấy hệ số hấp thụ cao 10 cm-1 vùng cấm trực tiếp (khoảng 1,53 eV) trùng khớp tốt với phổ ánh sáng mặt trời Hơn nữa, CuInS2 thể tính chất bán dẫn loại p tỉ số nguyên tử Cu với In vượt [2] Chuyển tiếp p–n dựa CuInS mong đợi quang điện cực chất lượng cao, chuyển tiếp p–n tạo vùng điện tích khơng gian, nơi nghèo điện tử điện trường nội hình thành Điện trường nội làm cho điện tử lỗ trống khuếch tán theo hướng ngược nhau, làm giảm tái kết hợp điện tử-lỗ trống Mặc dù, có số cấu trúc chuyển tiếp p–n dị thể dựa CuInS báo cáo, ZnO/CuInS2 TiO2/CuInS2 [3], nhiên cịn số thách thức cơng nghệ để nhận cấu trúc chuyển tiếp p–n dị thể chất lượng cao với bao phủ đồng toàn bề mặt sợi nano ZnO Với lý trên, chọn đề tài “Nâng cao hiệu suất tách nước quang điện hóa sử dụng quang điện cực cấu trúc ZnO/CdS/CuInS 2” để nghiên cứu - Mục tiêu đề tài Chế tạo vật liệu ZnO có cấu trúc phân nhánh phương pháp phun điện kết hợp với thủy nhiệt - Mọc lớp vật liệu CdS bề mặt vật liệu ZnO cấu trúc phân nhánh hình thành cấu trúc ZnO/CdS - Mọc thành công hạt nano CuInS2 vật liệu ZnO/CdS hình thành cấu trúc ZnO/CdS/CuInS2 Nghiên cứu so sánh hiệu suất tách nước cấu trúc chế tạo Đối tƣợng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu bán dẫn cấu trúc ZnO/CdS/CuInS2 - Phạm vi nghiên cứu: Chế tạo khảo sát hiệu suất tách nước vật liệu bán dẫn cấu trúc ZnO/CdS/CuInS2 chiếu sáng ánh sáng nhìn thấy Phƣơng pháp nghiên cứu Đề tài thực phương pháp thực nghiệm  Cách tiếp cận: - Nghiên cứu tài liệu đề phương án tổng hợp vật liệu - Tiến hành chế tạo, đo đạt áp dụng phương pháp phân tích định tính, định lượng thu thập xử lý thông tin  Phương pháp phân tích liệu: - Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) - Kính hiển vi điện tử quét (SEM) - Phương pháp phân tích phổ tán xạ tia X (EDS) - Đo thuộc tính quang điện hóa tách nước (PEC) - Phần mềm OrginPro - Nội dung nghiên cứu Chế tạo quang điện cực ZnO có cấu trúc nano sợi (những lưới sợi nano Zn–PVP lắng đọng đế điện cực dẫn ITO phương pháp phun điện, sau q trình ủ nhiệt để hình thành sợi nano ZnO) - Mọc thủy nhiệt nano ZnO sợi nano ZnO để ZnO3D sau lắng đọng hạt nano CdS bề mặt ZnO-3D theo phương pháp hóa ướt để hình thành cấu trúc ZnO/CdS nano phân nhánh ba chiều - Mọc thủy nhiệt tạo màng mỏng CuInS2 ZnO/CdS nano phân nhánh ba chiều - Phân tích hình thái cấu trúc tính chất tinh thể cấu trúc chế tạo sử dụng phép đo SEM, XRD, EDS - Đo đặc tính dịng quang xạ ánh sáng đèn Xenon 150 W, từ tính tốn hiệu suất tách nước tối ưu hóa hiệu suất tách nước theo điều kiện chế tạo Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Góp phần nâng cao hiệu suất tách nước, tiến tới khả ứng dụng thực tế nhiên liệu hidro kỹ thuật quang điện hóa Cấu trúc đề tài Ngoài phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo, nội dung đề tài nghiên cứu gồm chương: Chƣơng 1: Tổng quan Giới thiệu tổng quan vật liệu oxit kẽm (ZnO), vật liệu Cadmium Sulphide (CdS), vật liệu đồng indium sulphide (CuInS 2), hiệu ứng quang điện hóa tách nước số phương pháp tổng hợp vật liệu Chƣơng 2: Thực nghiệm chế tạo mẫu Trình bày phương pháp thực chế tạo mẫu Đồng thời trình bày tóm tắt phương pháp phân tích, khảo sát tính chất mẫu chế tạo Chƣơng 3: Kết thảo luận Trình bày kết thu từ thực nghiệm, thảo luận đánh giá kết thu CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU VẬT LIỆU OXIT KẼM (ZnO) Trong số nhiều chất hợp chất bán dẫn, ZnO biết đến chất bán dẫn đặc biệt có nhiều tính chất bật như: độ rộng vùng cấm lớn (cỡ 3,37 eV nhiệt độ phòng), độ bền vững, độ rắn, nhiệt độ thăng hoa nóng chảy cao, chuyển dời điện tử thẳng, exiton tự có lượng liên kết lớn (cỡ 60 meV), độ linh động điện tử cao Thêm nữa, ZnO cịn tổ hợp nhiều tính chất quý báu, bao gồm: tính chất điện, tính chất quang áp điện, bền vững với môi trường hiđro, tương thích với ứng dụng mơi trường chân khơng, dẫn nhiệt tốt, tính chất nhiệt ổn định Bên cạnh đó, ZnO hứa hẹn nhiều ứng dụng điện tử, quang điện tử, điện hóa thiết bị chuyển đổi điện chẳng hạn pin mặt trời, cảm biến khí [4], [5], quang xúc tác [6], [7], tế bào quang điện hóa tách nước [8], [9], … Ngồi ra, vật liệu ZnO cịn có nhiều ưu điểm bật khác, chẳng hạn hợp chất có nhiều tự nhiên, khơng độc hại, có khả hấp thụ tia tử ngoại, dễ dàng tổng hợp nhờ công nghệ đơn giản cấu trúc tinh thể thường có chất lượng tốt, góp phần làm giảm giá thành sản phẩm linh kiện làm từ vật liệu Hiện nay, ZnO có cấu trúc nano tập trung nghiên cứu hy vọng tương lai cho phép chế tạo hệ linh kiện có nhiều tính chất ưu việt Ngồi tính chất trội vật liệu khối, vật liệu nano ZnO (được thiết kế với nhiều dạng cấu trúc khác như: hạt nano, dây nano, ống nano, nano, nhánh nano, hoa nano,…) có thêm đặc tính diện tích bề mặt riêng lớn (1000 m 2/g) [10], dễ dàng chức hóa bề mặt, chiếm giữ lượng tử cao Việc điều khiển cấu trúc mức nano, mang lại thuộc tính vượt trội so với cấu trúc dạng khối Ứng dụng quang điện hóa tách nước, ZnO vật liệu hấp dẫn nhờ vào độ ổn định hóa học cao tiếp xúc với dung dịch điện phân phù hợp với yêu cầu quan trọng thuộc tính tách nước là: Mức lượng dải hóa trị dải dẫn bao trùm mức oxy hóa khử nước, đảm bảo cho trình tách nước xảy Mặt khác, độ linh động điện tử điểm lỗi bên ZnO cao, vật liệu hấp thụ quang tốt Ý tưởng việc thực vật liệu cấu trúc nano để đạt hiệu suất cao ứng dụng tách nước ý thời gian gần hiệu suất chưa đạt mong muốn, cần phải tiếp tục nghiên cứu để tìm hệ vật liệu thiết kế cấu trúc nano phù hợp 1.1.1 Cấu trúc tinh thể ZnO ZnO tinh thể hình thành từ ngun tố nhóm IIB (Zn) nguyên tố nhóm VIA (O) ZnO có ba dạng cấu trúc gồm: cấu trúc lục giác (hexagonal wurtzite), cấu trúc lập phương giả kẽm (cubic zinc blende), cấu trúc lập phương đơn giản (rocksalt (NaCl)) Trong đó: haxagonal wurtzite có tính chất nhiệt động lực ổn định điều kiện nhiệt độ áp suất môi trường xung quanh, cubic zinc blende kết tinh đế có cấu trúc lập phương dạng rocksalt tồn áp suất cao 1.1.1.1 Cấu trúc kiểu lục giác wurtzite Ở điều kiện bình thường cấu trúc kiểu lục giác Wurtzite phổ biến, tinh thể loại sử dụng rộng rãi ứng dụng Đây cấu trúc ổn định bền vững ZnO điều kiện nhiệt độ phịng áp suất khí thuộc nhóm khơng gian P63mc C6v4 tinh thể ZnO Mạng lục giác Wurtzite coi mạng lục giác lồng vào nhau, mạng chứa anion 2- O mạng chứa cation Zn 2+ dịch khoảng u = 3/8 chiều cao (Hình 1-1) Mỗi sở có hai phân tử ZnO vị trí ... p–n dị thể chất lượng cao với bao phủ đồng toàn bề mặt sợi nano ZnO Với lý trên, chọn đề tài ? ?Nâng cao hiệu suất tách nước quang điện hóa sử dụng quang điện cực cấu trúc ZnO/ CdS/ CuInS 2” để nghiên... Hoàng Nhật Hiếu LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn ? ?Nâng cao hiệu suất tách nước quang điện hóa sử dụng quang điện cực cấu trúc ZnO/ CdS/ CuInS 2” kết nghiên cứu thân hướng dẫn TS Hoàng Nhật... VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN HÀ NGỌC DUNG NÂNG CAO HIỆU SUẤT TÁCH NƢỚC QUANG ĐIỆN HÓA SỬ DỤNG QUANG ĐIỆN CỰC CẤU TRÚC ZnO/ CdS/ CuInS2 Chuyên ngành : Vật lý chất rắn Mã số Ngƣời hƣớng