0

Tổng hợp, khảo sát cấu trúc của vật liệu lai hóa nano graphene / WO3

11 4 0
  • Tổng hợp, khảo sát cấu trúc của vật liệu lai hóa nano graphene / WO3

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Tài liệu liên quan

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 25/11/2021, 08:54

Các ô-xít kim loại đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như linh kiện điện sắc, cảm biến khí, làm vật liệu quang xúc tác. Trong đó, Vôn-fram ôxít (WO3) với các tính chất ưu việt đã được nghiên cứu sâu để phát triển các ứng dụng về tính chất điện sắc, quang xúc tác, nhạy khí,... ở kích thước nano mét. Đặc biệt, dưới hình thái là các cấu trúc nano, WO3 không chỉ gia tăng các tính chất nổi trội mà còn thể hiện những tính chất đặc biệt mà không thể có ở dạng khối. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải TỔNG HỢP, KHẢO SÁT CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU LAI HÓA NANO GRAPHENE /WO3 Nguyễn Tuấn Sơn1*, Nguyễn Văn Thái2, Lưu Thị Lan Anh2, Nguyễn Phi Hùng1, Nguyễn Xuân Tuyên1, Nguyễn Công Tú2 Khoa Khoa học Cơ bản, Trường Đại học Giao thông Vận tải, Số Cầu Giấy, Hà Nội Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Số Đại Cồ Việt, Hà Nội * Tác giả liên hệ: Email ntson@utc.edu.vn Tóm tắt Các ơ-xít kim loại ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực linh kiện điện sắc, cảm biến khí, làm vật liệu quang xúc tác Trong đó, Vơn-fram ơxít (WO3) với tính chất ưu việt nghiên cứu sâu để phát triển ứng dụng tính chất điện sắc, quang xúc tác, nhạy khí, … kích thước nano mét Đặc biệt, dưới hình thái cấu trúc nano, WO3 khơng gia tăng tính chất trội mà cịn thể tính chất đặc biệt mà khơng thể có dạng khối Bằng cách kết hợp với vật liệu Graphene, vật liệu có đặc tính đặc biệt như: dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, độ bền cao, tỉ trọng nhẹ, mềm dẻo, dựa phương pháp nhiệt thủy phân môi trường axit đậm đặc (pH âm), vật liệu lai hóa Graphene/WO3 tổng hợp thành cơng, hứa hẹn nâng cao tính chất quang, tính chất điện, đặc trựng nhạy khí ứng dụng mà cịn có độ ổn định cao Từ khóa: vật liệu nano WO3, Graphene, vật liệu lai hóa, phương pháp nhiệt thủy phân MỞ ĐẦU 1.1 Vật liệu nano WO3 Vơn-fram kim loại thuộc nhóm VI-B chu kỳ 6, có số hiệu nguyên tử Z=74, khối lượng mol ngun tử 184 g/mol, có cấu hình điện tử [Xe] 4f145d46s2 Bán kính nguyên tử r =1.4 Å, số oxi hóa đặc trưng +6, số oxi hóa khác 0,+1,+2,+3,+4,+5 Nhiệt độ nóng chảy 3410C , nhiệt độ sơi 5900C Một hợp chất vô quan trọng Vôn-fram nghiên cứu mạnh mẽ Vơn-fram ơ-xít (WO3), ô-xít bán dẫn [1] Những ứng dụng quan trọng có lĩnh vực cảm biến, quang xúc tác, cửa sổ thông minh (smartwindow), gương phản xạ…[2] WO3 tồn tự nhiên dưới dạng ngậm nước WO3.H2O, WO3.2H2O wolframite (Fe,Mn)WO4 Vật liệu nano WO3 tồn đầy đủ loại cấu trúc từ chiều, chiều, chiều chiều Hình 1.1 ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) số cấu trúc nano WO3 đặc trưng [3] -945- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thơng vận tải Hình Cấu trúc nano WO3 a) cấu trúc chiều; b) cấu trúc chiều; c) cấu trúc chiều; d) cấu trúc chiều [3] WO3ở dạng khối có cấu trúc tinh thể lập phương kiểu perovskite gồm hình bát diện WO6 lặp lại với nguyên tử O đỉnh nguyên tử W tâm hình bát diện, hai hình bát diện liền kề chia sẻ chung nguyên tử O đỉnh (Hình 1.2) Mạng tinh thể kết xếp nguyên tử O mặt phẳng WO2 vng góc với phương tinh thể Cấu trúc gồm cấu trúc bát diện WO6 xếp với có góc chung gọi cấu trúc Perovskite (cấu trúc thuộc loại cấu trúc rhenium trioxide ReO3 structure), hay có cạnh chung gọi cấu trúc Rutile (xuất hiên pha Magneli WO3-x) Hình Khối bát diện WO6 (bên trái) với ion W+6 tâm (hình trịn màu đen) ion O2- đỉnh (hình trịn); Mạng tinh thể WO3 (bên phải) với cấu trúc perovskite tạo khối bát diện chung đỉnh [4] Tinh thể WO3 hình thành khối bát diện WO6 chung đỉnh Các pha tinh thể sau thu xếp khối bát diện chung đỉnh theo -946- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải trật tự khác nhau: monoclinic II ( ε-WO3), triclinic (δ-WO3), monoclinic I (γ-WO3), orthorhombic (β-WO3), tetragonal (α-WO3) cubic WO3 [5], [6] Trong cấu trúc trên, cấu trúc cubic WO3 thường không thu qua thí nghiệm 1.2 Vật liệu Graphene vật liệu lai hóa Graphene/WO3 Các nghiên cứu Graphene năm 2004 với việc tách thành công Graphene từ bột Graphite Về bản, Graphene phẳng dày lớp nguyên tử nguyên tử các-bon với liên kết sp2 tạo thành màng tinh thể hình tổ ong Graphen riêng nguyên tử cácbon bó thành mạng hình tổ ong hai chiều (2D), khối cho vật chất kiểu than chì bất chấp số chiều Hình Các dạng cấu trúc Graphen 2D bọc lại thành hình cầu 0D, cuộn thành ống 1D, xếp thành than chì 3D [7] Nó bọc lại thành fulleren 0D, cuộn lại thành ống nano cácbon 1D xếp thành than chì 3D Chiều dài liên kết C-C graphene ~ 0.142 nm Đây vật liệu mới, có tính chất học vật lý đặc biệt tính dẫn điện = 106 .cm (với điện trở suất nhỏ Cu đến 35%), dẫn nhiệt 5300 Wm-1K-1 (gấp 10 lần Cu), độ bền cao 42N.m-1 (gấp 100 lần thép), mềm dẻo, tỉ trọng nhẹ 0,77 mg.m-2 , gần suốt (hấp thụ 2,3% ánh sáng truyền qua)…[7] Vật liệu WO3 lại hóa với Graphene lai hóa dây nano Graphene/WO3 với PANI/MnO2 sử dụng làm điện cực trong tụ điện giúp cao hiệu suất tích điện phóng điện tụ điện, vật liệu lai hóa Graphene/WO3 giúp tăng khả nhạy khí, quang xúc tác, diệt khuẩn, … [7]– [10] Tuy nhiên nghiên cứu chủ yếu lai hóa gián tiếp Graphane với WO3 nên tính ổn định vật liệu lai hóa cịn chưa cao Bên cạnh đó, WO3 cần phải xử lý nhiệt độ cao để có cấu trúc monoclinic bền vững nhiệt độ phòng, Graphene dễ cháy ủ nhiệt độ cao khí Nếu ủ chân khơng hay khí trơ, bề mặt WO3 oxy làm thay đổi mạnh tính chất điện sắc, quang vật liệu WO3 Vì nhiệm vụ lai hóa trực tiếp Graphene với cấu trúc monoclinic WO3 mục tiêu đặt -947- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải THỰC NGHIỆM Phương pháp nhiệt thủy phân phương pháp nằm nhóm bottum-up, phương pháp đơn giản, hiệu dễ dàng điều khiển để tổng hợp vật liệu nano WO3 có hình thái cấu trúc khác Cấu trúc nano WO3 chế tạo phương pháp thủy nhiệt sử dụng sodium tungstate dihydrate Na2WO4.2H2O (độ tinh khiết 99,5%) làm tiền chất để tạo WO3, dung dịch HCl (độ tinh khiết 99,9%) để điều chỉnh pH dung dịch, nước cất để hòa tan tiền chất rửa sản phẩm [11] Quá trình tổng hợp vật liệu nano WO3 thực sau: 8.25 (g) Na2WO4.2H2O trộn Graphene hòa tan 25 ml nước cất máy khuấy từ 15 phút thu dung dịch Na2WO4 M (mol/l) suốt Tiếp theo, nhỏ trực tiếp 45ml dung dịch HCl (A.R) vào dung dịch Na2WO4 1M điều kiện khuấy từ liên tục Với lượng axit nhiều đậm đặc tạo mơi trường có pH âm để axit hóa dung dịch Na2WO4 M theo phản ứng: Hình Sơ đồ quy trình chế tạo vật liệu nano WO3 nhiệt thủy phân -948- Trường Đại học Giao thông vận tải Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Kết tủa tạo thành axit Vôn-fram H2WO4 tan nước lơ lửng dung dịch, kết tủa bị phân tán khuấy từ Để khảo sát hình thái, cấu trúc WO3, tiếp tục khuấy h, độ pH dung dịch đo máy đo Hanna (dải đo từ -2 đến 16) cho giá trị pH = -1,1 Sau đó, mẫu thủy nhiệt điều kiện nhiệt độ 180 C 48h Sau thủy nhiệt, nồi hấp làm nguội tự nhiên xuống nhiệt độ phòng Sản phẩm lọc rửa bốn lần với nước cất để loại bỏ ion Na+ , Cl- , H+ , kết tủa thu giấy lọc Cuối cùng, sản phẩm sấy khô 80 C 24h, ta thu bột WO3 Quy trình chế tạo hạt nano WO3 mơ tả theo hình 2.1 Hình Màu vàng chanh dung dịch môi trường axit đậm đặc Dung dịch sau cho axit vào Na2WO4 có màu vàng chanh Vì mơi trường axit đậm đặc nên điều kiện an tồn thực nghiệm ln đặt lên hàng đầu Hơi HCl bốc mạnh, mùi sốc nên phải có trang chống độc, găng tay cao su kính chuyên dụng Kết thu mẫu với môi trường pH âm, thủy nhiệt 180℃ thời gian 48h bảng 2.1 Tên mẫu NB01 NB02 NB03 NB04 Hàm lượng Graphene pha tạp 0% 0.1% 0.3% 0.5% Bảng Các mẫu vật liệu nano WO3 với hàm lượng pha tạp khác KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Từ mẫu thu phần Thực nghiệm, tiến hành phân tích, khảo sát hình thái cấu trúc vật liệu 3.1 Hình thái mẫu Trên hình 3.1 ảnh chụp bề mặt mẫu kính hiển vi điện tử quét Viện Khoa học Vật liệu, Viện Hàn Lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam với độ phóng đại 100000 lần Từ ảnh SEM ta thấy cấu trúc tạo thành bốn mẫu có dạng khối có kích thước nano mét (nanobrick), khối vuông thành sắc cạnh, khối có kích -949- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải thước khoảng 50-150nm, với độ dày cỡ 30-50nm Giữa mẫu, khơng có thay đổi rõ rệt mặt hình thái, mẫu cho đồng hình thái (cùng hình thái khối nano – nanobrick) với kích thước tương tự mẫu khơng pha tạp Như nói việc lai hóa với Graphene với hàm lượng 0.1, 0.3, 0.5% không làm thay đổi hình thái vật liệu nano WO3 Hình Ảnh SEM hệ mẫu chế tạo có pha tạp Graphene với hàm lượng khác 3.2 Cấu trúc tinh thể mẫu Hình Phổ nhiễu xạ tia X hệ mẫu chế tạo -950- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thơng vận tải Bột thu sau q trình sấy khơ đem phân tích cấu trúc Kết phân tích phổ nhiễu xạ XRD phần mềm HighScore Plus cho thấy, WO3 có cấu trúc 100% Monoclinic phù hợp với thẻ ICDD 01-071-2141 với tính tinh thể cao Hình 3.2 cho ta kết phổ XRD mẫu chế tạo phổ chuẩn Graphene Ta thấy peak tín hiệu hệ mẫu khơng thay đổi vị trí cường độ trừ peak đặc trưng cho phổ Graphene Ta nhìn rõ thay đổi cường độ peak đặc trưng (C(002)) Graphene hình 3.3 Dễ dàng nhận thấy cường độ đỉnh peak đặc trưng Graphene tăng tỉ lệ phần trăm khối lượng Graphene mẫu tăng Với kết này, chúng tơi khẳng định mẫu thu tổ hợp Graphen WO3 Để khẳng định hai vật liệu có lai hóa với hay trộn lẫn với nhau, chúng khảo sát kĩ phổ XRD vùng xung quanh peak đặc trưng Graphene Hình Phổ XRD hệ mẫu chế tạo Graphene Hình 3.4 hình phóng to tín hiệu vùng xung quanh peak 26.5đặc trưng Graphene Qua hình 3.4 ta thấy cường độ tín hiệu peak hệ mẫu thay đổi theo chiều hướng tăng dần tăng hàm lượng Graphene pha tạp thấy có dịch peak nhẹ từ peak WO3 sang peak C(002) Graphene Điều thể góp mặt Graphene tinh thể WO3 tạo thành, dù khơng có q nhiều thay đổi mặt hình thái mẫu, nhiên Graphene lại tạo khác biệt cấu trúc tinh thể -951- Trường Đại học Giao thông vận tải Hội nghị Khoa học cơng nghệ lần thứ XXII Hình Phổ XRD hệ mẫu chế tạo (phóng to) Để tính kích thước tinh thể trung bình mẫu, chúng tơi sử dụng công thức Scherrer với hệ số K = 0.9 [12] Tên mẫu Cấu trúc tinh thể Vị trí peak cực đại (2θ) Bề rộng bán phổ cực đại () Kích thước tinh thể (nm) NB01 Monoclinic (O3W) 24.29 0.33 24.61 0% ICDD-01-071-2141 NB02 Monoclinic (O3W) 24.28 0.34 23.89 0.1% ICDD-01-071-2141 NB03 Monoclinic (O3W) 24.28 0.35 23.20 0.3% ICDD-01-071-2141 NB04 Monoclinic (O3W) 24.29 0.36 22.56 0.5% ICDD-01-071-2141 Bảng Bảng tổng hợp kích thước tinh thể hệ mẫu chế tạo Kết cho thấy kích thước tinh thể trung bình giảm dần tăng nồng độ graphene pha tạp Điều giải thích xuất Graphen ngăn cản phát triển hạt tinh thể, nhiều Graphen mẫu, kích thước trung bình hạt tinh thể giảm Sau chế tạo, mẫu có lượng Graphene lai hóa cao 0.5% NB04 đem ủ nhiệt nhiệt độ 300C, 400C, 500C thời gian 3h, để khảo sát tính ổn định cấu trúc mẫu chế tạo -952- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Hình 10 Phổ XRD mẫu NB04 ủ nhiệt độ khác Từ phổ XRD mẫu nung so sánh với mẫu chưa nung (hình 3.5) cho thấy cấu trúc vật liệu sau ủ nhiệt không thay đổi so với mẫu không xử lý nhiệt, mẫu nung 300oC, 400oC, 500oC Các nhiệt độ nung nhiệt độ xử lý mà nhóm nghiên cứu hay ủ cấu trúc nano WO3 để thu cấu trúc monoclinic bền vững Kết phổ XRD cho thấy, mẫu lai hóa thu có cấu trúc monoclinic bền vững không cần phải xử lý nhiệt Kết cho thấy cấu trúc vật liệu tổng hợp ổn định bền nhiệt độ cao, với kết này, vật liệu lai hóa thu cho thấy khả ứng dụng cao nhiều lĩnh vực Ngồi ra, tín hiệu peak vật liệu WO3 peak 26.5đặc trưng cho cấu trúc có Graphen gia tăng cường độ nung nhiệt độ 300C, 400C cho thấy việc ủ nhiệt đóng vai trị tái xếp Graphen cấu trúc vật liệu lai hóa, tăng tính tinh thể cho vật liệu lai hóa – nung nhiệt độ cao, Graphen bắt đầu bị đốt cháy Khi đạt đến 500C, tính tinh thể cấu trúc WO3 tiếp tục gia tăng, nhiên peak tín hiệu 26,5 đặc trưng cho Graphene có xu hướng mảnh giảm cường độ Điều cho kết nhận định rằng, từ 500Ctrở lên, cấu trúc Graphene vật liệu lai hóa bị tác động suy giảm KẾT LUẬN Trên sở nghiên cứu lý thuyết vật liệu, dựa theo quy trình tổng hợp vật liệu lai hóa nano Graphene/WO3 đơn giản, phép đo xác định hình thái -953- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải cấu trúc tinh thể hệ mẫu vật liệu thu được, chúng thu kết sau: • Nắm rõ quy trình phương pháp nhiệt thủy phân tổng hợp thành công vật liệu nanobrick WO3 có pha tinh thể bền vững (monoclinic) mơi trường axit đậm đặc • Lai hóa trực tiếp Graphene với WO3 nanobrick, thu vật liệu có cấu trúc monoclinic bền vững Các kết phân tích cho thấy xuất Graphene ảnh hưởng tới tính chất tinh thể vật liệu • Khi tăng hàm lượng Graphene, kích thước tinh thể trung bình vật liệu lai hóa giảm cấu trúc vật liệu lai hóa tổng hợp ổn định bền nhiệt độ cao, lên tới 5000C LỜI CẢM ƠN Chúng xin cảm ơn Phịng thí nghiệm Vật liệu chức - Viện Vật lý Kỹ thuật -Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Viện Khoa học Vật liệu - Viện Hàn Lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam hỗ trợ, tạo điều kiện.Cảm ơn Trường Đại học Giao thông vận tải tài trợ cho cho nghiên cứu khuôn khổ đề tài mã số T2021CB-008 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] N Q Lich et al., Pt-and Ag-Decorated Carbon Nanotube Network Layers for Enhanced NH3 Gas Sensitivity at Room Temperature, (2015) [2] E Lassner and W.-D Schubert, Tungsten: Properties, Chemistry, Technology of the Element, Alloys, and Chemical Compounds Erik Lassner and Wolf-Dieter Schubert Springer, (1999) [3] H Long, W Zeng, and H Zhang, Synthesis of WO3 and its gas sensing: a review, J Mater Sci Mater Electron., (2015) vol 26, no 7, 4698 – 4707 [4] U Müller, Inorganic structural chemistry, Wiley, (2007) [5] N Đ Diện, Nghiên cứu chế tạo khảo sát đặc trưng nhạy khí vật liệu nano WO3 tổ hợp với oxit kim loại (CuO, ZnO, Fe2O3), (2017) [6] A Al Mohammad and M Gillet, Phase transformations in WO3 thin films during annealing, Thin Solid Films, (2002) vol 408, no – 2, 302 – 309 [7] A.K Geim, K.S Novoselov, The rise of graphene, Nature Matter.6, (2007) 183 [8] G Jeevitha, R Abhinayaa, D Mangalaraj, and N Ponpandian, Tungsten oxidegraphene oxide (WO3-GO) nanocomposite as an efficient photocatalyst, antibacterial and anticancer agent, J Phys Chem Solids, (2018) vol 116, 137 – 147 [9] X.X Hu, P Xu, H.Y Gong, and G.T Yin, Synthesis and Characterization of WO3/Graphene Nanocomposites for Enhanced Photocatalytic Activities by One-Step In-Situ Hydrothermal Reaction, Materials (Basel), (2018) vol 11, no 1, 147 [10] B Liu, Y Wang, H.-W Jiang, and B.-X Zou, WO3 Nanowires on Graphene -954- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Sheets as Negative Electrode for Supercapacitors, J Nanomater., (2017) vol 2017, – [11] J Guo et al., Synthesis of WO3@Graphene composite for enhanced photocatalytic oxygen evolution from water, RSC Adv.,(2012) vol 2, no 4, 1356 – 1363 [12] K Barmak, Metallic films for electronic, optical and magnetic applications : structure, processing and properties, Woodhead Publishing Limited, (2014) -955- ... Vật liệu WO3 lại hóa với Graphene lai hóa dây nano Graphene/ WO3 với PANI/MnO2 sử dụng làm điện cực trong tụ điện giúp cao hiệu suất tích điện phóng điện tụ điện, vật liệu lai hóa Graphene/ WO3. .. Trường Đại học Giao thơng vận tải Hình Cấu trúc nano WO3 a) cấu trúc chiều; b) cấu trúc chiều; c) cấu trúc chiều; d) cấu trúc chiều [3] WO3? ?? dạng khối có cấu trúc tinh thể lập phương kiểu perovskite... lượng Graphene, kích thước tinh thể trung bình vật liệu lai hóa giảm cấu trúc vật liệu lai hóa tổng hợp ổn định bền nhiệt độ cao, lên tới 5000C LỜI CẢM ƠN Chúng xin cảm ơn Phịng thí nghiệm Vật liệu
- Xem thêm -

Xem thêm: Tổng hợp, khảo sát cấu trúc của vật liệu lai hóa nano graphene / WO3, Tổng hợp, khảo sát cấu trúc của vật liệu lai hóa nano graphene / WO3