Nghiên cứu chế tạo và khảo sát thuộc tính quang điện hóa tách nước của điện cực quang vật liệu zno cấu trúc hạt nano

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN HUỲNH THÁI HÒA NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT THUỘC TÍNH QUANG ĐIỆN HĨA TÁCH NƢỚC CỦA ĐIỆN CỰC QUANG VẬT LIỆU ZnO CẤU TRÚC HẠT NANO Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Ngƣời hƣớng dẫn: TS HỒNG NHẬT HIẾU LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu đề tài trung thực Các kết nghiên cứu đƣợc thực Trƣờng Đại học Quy Nhơn, dƣới hƣớng dẫn thầy TS Hoàng Nhật Hiếu Các nguồn tài liệu tham khảo đƣợc trích dẫn đầy đủ Học viên Huỳnh Thái Hòa LỜI CẢM ƠN Để hồn thành q trình nghiên cứu hồn thiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo khảo sát thuộc tính quang điện hóa tách nước điện cực quang vật liệu ZnO cấu trúc hạt nano”, xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới TS Hoàng Nhật Hiếu công tác khoa Vật lý trƣờng Đại học Quy Nhơn Thầy ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn, tận tình bảo tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn Ngồi ra, tơi xin chân thành cảm ơn thầy, cô công tác phịng thí nghiệm khoa Vật lý hổ trợ tơi suốt q trình làm thực nghiệm Cuối cùng, tơi xin chân cảm ơn gia đình, bạn bè, ngƣời thân yêu động viên, quan tâm, hỗ trợ tơi mặt để tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Học viên Huỳnh Thái Hòa MỞ ĐẦU Lí chọn đề tài Ngày nay, kinh tế phát triển, hydro trở thành xu đảo ngƣợc giới Bởi hydro nguồn nhiên liệu đƣợc sản xuất từ nƣớc lƣợng mặt trời có vơ tận khắp nơi hành tinh Ở Mỹ năm 2003, Tổng thống G Bush cơng bố chƣơng trình đƣợc gọi “Sáng kiến nhiên liệu hydro” (Hydrogen Fuel Initiative) với định dành 1,2 tỉ USD cho nghiên cứu phát triển nhằm mục tiêu đến năm 2020 ôtô chạy pin nhiên liệu hydro phải triển khai thƣơng mại hóa thành cơng vào thực tế Để thu đƣợc hydro nhờ lƣợng mặt trời, nhiều nghiên cứu cho thấy kỹ thuật quang điện hóa tách nƣớc giải pháp tối ƣu Cơ sở kỹ thuật quang điện hóa tách nƣớc phát minh tiếng mang tính khai phá, mở đƣờng Honda – Fujishima (1972) [1], [2] Với hệ thống điện hóa gồm điện cực quang vật liệu xúc tác bán dẫn TiO điện cực đối Pt, hai điện cực đƣợc nhúng chìm dung dịch điện ly đƣợc nối với tạo thành mạch kín bên Khi chiếu nguồn sáng vào điện cực bán dẫn, xuất dịng điện mạch ngồi nối hai điện cực Trên điện cực Pt có khí H2 ra, điện cực TiO có khí O2 thoát Trong kỹ thuật này, hiệu suất tách nƣớc sinh khí hydro đƣợc định vật liệu làm điện cực quang Để có hiệu suất cao điện cực quang phải có hoạt tính xúc tác cao, bền mặt hóa học sinh học, khơng bị ăn mịn ánh sáng Để có hoạt tính xúc tác cao, việc chọn hệ vật liệu xúc tác thiết kế cấu trúc nano làm tăng vùng hoạt động xúc tác nhờ vào diện tích bề mặt riêng lớn Trong số thiết kế cấu trúc nano cấu trúc nano dạng hạt thu hút nhiều quan tâm nghiên cứu chúng có tỷ số diện tích bề mặt so với thể tích lớn số cấu trúc nano Đã có nhiều phƣơng pháp thực để chế tạo điện cực quang vật liệu cấu trúc hạt nano từ vật liệu bột nano nhƣ, phƣơng pháp quay phủ (spin coating), nhúng phủ (dip coating), cán phủ (bar coating)… Trong đề tài này, chọn vật liệu ZnO có cấu trúc hạt nano chế tạo phƣơng pháp phủ trải (Doctor blade coating) để nghiên cứu Bởi vì, ZnO vật liệu rẻ tiền, khơng độc phƣơng pháp đơn giản, hiệu việc chế tạo màng điện cực có chất lƣợng tốt Bên cạnh đó, để tăng cƣờng thêm khả hấp thụ ánh sáng vùng nhìn thấy phổ mặt trời điện cực màng ZnO hạt nano, nghiên cứu đƣa thêm vào màng tâm tán xạ ánh sáng nano có kích thƣớc lớn khoảng 400 nm đƣờng kính Xuất phát từ lý nêu trên, chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo khảo sát thuộc tính quang điện hóa tách nước điện cực quang vật liệu ZnO cấu trúc hạt nano” để nghiên cứu Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu - Chế tạo thành công điện cực quang ZnO cấu trúc hạt nano - Khảo sát thuộc tính quang điện hóa tách nƣớc vật liệu chế tạo điều kiện chế tạo thay đổi - So sánh hiệu suất tách nƣớc số cấu trúc ZnO dạng hạt ZnO dạng Đối tƣợng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu: Vật liệu ZnO có cấu trúc hạt nano, nano phƣơng pháp phủ trải - Phạm vi nghiên cứu: Chế tạo khảo sát thuộc tính quang điện hóa tách nƣớc điện cực quang Quy Nhơn Khơng gian: Tại phịng thí nghiệm Vật lý chất rắn Trƣờng Đại học Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu lựa chọn đề tài nghiên cứu thực nghiệm Cách tiếp cận: Nghiên cứu tài liệu đề phƣơng án tổng hợp vật liệu Tiến hành chế tạo, đo đạt áp dụng phƣơng pháp phân tích định tính, định lƣợng thu thập xử lý thông tin Phƣơng pháp phân tích liệu: - Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) - Kính hiển vi điện tử qt (SEM) - Đo thuộc tính quang điện hóa tách nƣớc (PEC) - Đo phổ hấp thụ UV-Vis - Phần mềm OrginPro Cấu trúc đề tài Ngoài phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo, nội dung đề tài chia làm chương: Chƣơng 1: Trình bày tổng quan lý thuyết cấu trúc tính chất (chú trọng đến tính chất quang điện hóa tách nƣớc) vật liệu ZnO Chƣơng 2: Trình bày phƣơng pháp chế tạo phƣơng pháp phân tích mẫu đề tài Chƣơng 3: Trình bày kết nghiên cứu chế tạo tính chất quang điện hóa tách nƣớc vật liệu ZnO cấu trúc hạt nano, nano CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu vật liệu oxit kẽm (ZnO) ZnO hợp chất bán dẫn thuộc nhóm AIIBVI có nhiều tính chất bật nhƣ: độ rộng vùng cấm lớn (cỡ 3,37eV nhiệt độ phòng), chuyển dời điện tử thẳng, exiton tự có lƣợng liên kết lớn (cỡ 60meV), độ rắn nhiệt độ thăng hoa nóng chảy cao, đƣợc nghiên cứu cách rộng rãi khả ứng dụng ZnO tổ hợp nhiều tính chất q báu, bao gồm: tính chất điện, tính chất quang áp điện, bền vững với mơi trƣờng hydro, tƣơng thích với ứng dụng môi trƣờng chân không, dẫn nhiệt tốt, tính chất nhiệt ổn định Do có nhiều tính chất ƣu việt nhƣ nên ZnO đƣợc biết nhƣ vật liệu đa chức có nhiều ứng dụng khoa học cơng nghệ đời sống; đƣợc nghiên cứu nhiều cho ứng dụng Pin mặt trời, cảm biến khí [3], [4], quang xúc tác [5], [6], tế bào quang điện hóa tách nƣớc [7], [8],… Hơn nữa, ZnO đƣợc thiết kế với nhiều dạng cấu trúc khác nhƣ; hạt nano, dây nano, ống nano, nano, nhánh nano, hoa nano…[9] Với tính chất vật lý dạng bột, màu trắng, khơng màu, khơng mùi, nhiệt độ nóng chảy cao 1975oC, nung nóng 30oC chuyển sang màu vàng làm lạnh chuyển màu trắng ban đầu, tan nƣớc dầu, khơng độc khơng bị biến màu để khơng khí nhiệt độ phịng, ZnO có nhiều ứng dụng rộng rãi nhiều ngành nghề khác nhau: công nghiệp sản xuất cao su – ZnO đƣợc dùng với sản lƣợng 50% kết hợp với acid stearic để lƣu hóa cao su, bột ZnO đƣợc trộn kẽm, mỹ phẩm phấn rơm có tác dụng hấp thụ tia tử ngoại bảo vệ da, làm chất phụ gia công nghiệp sơn, cơng nghiệp sản xuất bê tơng, bổ sung ZnO góp phần cải thiện thời gian xử lý khả chống nƣớc bê tông, y tế ZnO dùng để sản xuất calamin - dùng để dƣỡng da dùng điều trị nha khoa… Khi pha tạp chất thích hợp bột ZnO dùng làm chất quang dẫn công nghệ ảnh, công nghệ gốm chế tạo vasistor Ứng dụng quang điện hóa tách nƣớc, 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 nƣớc, là: Mức lƣợng dải hóa trị dải dẫn bao trùm mức oxy hóa khử nƣớc, đảm bảo cho q trình tách nƣớc xảy Thêm nữa, độ linh động điện tử điểm lỗi bên ZnO cao, vật liệu hấp thụ quang tốt Ý tƣởng việc thực vật liệu cấu trúc nano để đạt đƣợc hiệu suất cao ứng dụng tách nƣớc đƣợc ý thời gian gần đây, nhiên hiệu suất chƣa đạt đƣợc nhƣ mong muốn Tóm lại, hiệu suất tách nƣớc quang điện hoá đƣợc cải thiện nhiều nhờ vào bùng nổ công nghệ kỹ thuật nano 1.1.1 Cấu trúc vật liệu ZnO Vật liệu ZnO đƣợc nghiên cứu có dạng cấu trúc là: cấu trúc Rocksalt (lập phƣơng đơn giản kiểu NaCl), cấu trúc Blend (lập phƣơng giả kẽm) cấu trúc Wurtzite (lục giác xếp chặt) Trong đó, cấu trúc wurtzite cấu trúc bền, ổn định nhiệt nên cấu trúc phổ biến 1.1.1.1 Cấu trúc wurtzite Cấu trúc mạng lục giác wurtzite ZnO đƣợc minh họa nhƣ hình 1.1 Đây cấu trúc ổn định bền vững ZnO điều kiện nhiệt độ phịng áp suất khí thuộc nhóm không gian P6 3mc Mạng lục giác Wurtzite coi mạng lục giác lồng vào nhau, mạng chứa cation O2- mạng chứa Zn2+ đƣợc dịch khoảng u = 3/8 chiều cao (trƣờng hợp lý tƣởng) Mỗi ô sở có hai phân tử ZnO vị trí nguyên tử nhƣ sau: nguyên tử Zn: (0, 0, 0), (1/3, 1/3, 1/3); nguyên tử O: (0, 0, u), (1/3, 1/3, 1/3 + u) với u 3/8 Hình 1.1 Cấu trúc kiểu wurtzite lục giác xếp chặt Mỗi nguyên tử Zn liên kết với nguyên tử O nằm đỉnh tứ diện gần Khoảng cách từ Zn đến bốn nguyên tử uc, ba khoảng cách khác [1/3a2 + c2( u - 1/2)2]1/2 Hằng số mạng cấu trúc đƣợc tính cỡ: a = 3,24256 Å, c = 5,1948 Å Một tính chất đặc trƣng phân mạng lục giác xếp chặt giá trị tỉ số số mạng c a Tinh thể lục giác ZnO khơng có tâm đối xứng, mạng tồn trục phân cực song song với hƣớng [001] Liên kết mạng ZnO vừa liên kết ion vừa liên kết cộng hóa trị [10] 1.1.1.2 Cấu trúc Rocksalt Cấu trúc mạng lập phƣơng đơn giản kiểu NaCl ZnO đƣợc minh họa nhƣ hình 1.2 Cấu trúc xuất điều kiện áp suất cao Mạng tinh thể ZnO gồm phân mạng lập phƣơng tâm mặt Cation Zn 2- 2+ anion O lồng vào khoảng 1/2 cạnh hình lập phƣơng Mỗi ô sở gồm bốn phân tử ZnO Số lân cận gần caion anion [11] Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể ZnO dạng lập phƣơng rocksalt 1.1.1.3 Cấu trúc Blend Cấu trúc mạng lập phƣơng giả kẽm ZnO đƣợc minh họa nhƣ hình 1.3 Cấu trúc xuất điều kiện nhiệt độ cao Nó gồm hai phân mạng lập phƣơng tâm diện xuyên vào 1/4 đƣờng chéo ô mạng, Mỗi ô sở chứa bốn phân tử ZnO với vị trí nguyên tử nhƣ sau: nguyên tử Zn: (0, 0, 0), (0, 1/2, 1/2), (1/2, 0, 1/2), (1/2, 1/2, 0); nguyên tử O là: (1/4, 1/4, 1/4), (1/4, 3/4, 3/4), (3/4, 1/4, 3/4), (3/4, 3/4, 1/4) Hình 1.3 Cấu trúc lập phƣơng giả kẽm Blend ... sát thuộc tính quang điện hóa tách nước điện cực quang vật liệu ZnO cấu trúc hạt nano? ?? để nghiên cứu Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu - Chế tạo thành công điện cực quang ZnO cấu trúc hạt nano - Khảo. .. CẢM ƠN Để hồn thành q trình nghiên cứu hoàn thiện đề tài ? ?Nghiên cứu chế tạo khảo sát thuộc tính quang điện hóa tách nước điện cực quang vật liệu ZnO cấu trúc hạt nano? ??, xin chân thành cảm ơn... nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu: Vật liệu ZnO có cấu trúc hạt nano, nano phƣơng pháp phủ trải - Phạm vi nghiên cứu: Chế tạo khảo sát thuộc tính quang điện hóa tách nƣớc điện cực quang Quy Nhơn Khơng