Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất vật liệu quan xúc tác tio2 mos2 au ứng dụng trong phản ứng tách nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Phan Xuân Thiện NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC TiO2/MoS2/Au ỨNG DỤNG TRONG PHẢN ỨNG TÁCH NƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH VẬT LÝ CHẤT RẮN Hà Nội – Tháng năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC TiO2/MoS2/Au ỨNG DỤNG TRONG PHẢN ỨNG TÁCH NƯỚC Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH VẬT LÝ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Lê Hà Chi PGS.TS Phạm Duy Long Hà Nội – Tháng năm 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu luận văn cơng trình nghiên cứu tơi dựa tài liệu, số liệu tơi tự tìm hiểu nghiên cứu Chính vậy, kết nghiên cứu đảm bảo trung thực khách quan Đồng thời, kết chưa xuất nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực sai tơi hồn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày 30 tháng 09 năm 2021 Tác giả luận văn LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến TS.Lê Hà Chi PGS.TS.Phạm Duy Long, gửi lời cảm ơn đến Viện Khoa học vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học & Công nghệ Việt nam tận tình dẫn tạo điều kiện, mơi trường thuận lợi suốt q trình tơi thực hồn thành luận văn tốt nghiệp Tiếp theo, xin cảm ơn đến thầy cô Khoa Vật lí – Học viện Khoa học cơng nghệ, cảm ơn thầy đem đến kiến thức bổ ích hay đơi lời quan tâm, hỏi han đến sinh viên môi trường học tập mới, đời sống, giảng đường Đó kỷ niệm tươi đẹp mãi bạn Tôi xin cảm ơn đến Học viện Khoa học Công nghệ tạo điều kiện hỗ trợ cơng việc hành để tơi hồn thành thủ tục bảo vệ thời hạn Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn đến bố mẹ - người nuôi dưỡng, giáo dục ngày hôm Bố mẹ nguồn cổ vũ tinh thần lớn lao, luôn cổ vũ, động viên dù thành công hay thất bại nữa, nguồn động lực, điểm tựa để tơi cố gắng, vững vàng học tập công việc số Luận văn tài trợ đề tài KH&CN theo Nghị định thư Việt-Ý, mã đề tài NĐT/IT/21/27 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .6 MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 11 1.1 Phản ứng tách nước quang xúc tác .11 1.1.1 Lịch sử hình thành phát triển .11 1.1.2 Cơ chế phản ứng tách nước quang xúc tác 13 1.1.3 Cấu tạo nguyên lý làm việc linh kiện quang điện hóa tách hydro từ nước (PEC) .15 1.2 Đặc điểm tính chất vật liệu TiO2 17 1.2.1 Giới thiệu 17 1.2.1 Cấu trúc tinh thể 18 1.2.2 Tính chất quang quang xúc tác TiO2 19 1.3 Vật liệu MoS2 21 1.3.1 Cấu trúc tinh thể .21 1.3.2 Tính chất quang 23 1.4 Hiện hiệu ứng cộng hưởng plasmonic bề mặt định xứ (LSPR) khái niệm điện tử nóng hạt nano Au .25 1.4.1 Hiện hiệu ứng cộng hưởng plasmonic bề mặt định xứ (LSPR) .25 1.4.2 Khái niệm điện tử nóng 28 1.5 Hệ vật liệu Au/TiO2/MoS2 30 1.5.1 Sự hình thành chế truyền dẫn điện tử tiếp xúc kim loại – bán dẫn (Au/TiO2) .30 1.5.2 Cấu trúc dị thể TiO2 − MoS2 31 CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 34 2.1 Quá trình thực nghiệm 34 2.1.1 Hóa chất thiết bị thí nghiệm 34 2.1.2 Các phương pháp chế tạo mẫu 34 2.1.2.1 Phương pháp thủy nhiệt .34 2.1.2.2 Bốc bay nhiệt .35 2.1.2.3 Phương pháp in lưới 36 2.2 Quy trình thực nghiệm 37 2.2.1 Chế tạo mẫu 37 2.2.1.1 Chế tạo Au đế FTO phương pháp bốc bay chân không 37 2.2.1.2 Chế tạo màng TiO2 đế FTO/Au 38 2.2.1.3 Chế tạo MoS2 đế FTO/Au/TiO2 38 2.3 Các phương pháp khảo sát 39 2.3.1 Ghi phổ quang học 39 2.3.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét 40 2.3.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X .41 2.3.4 Phép đo phổ hấp thụ 43 2.3.5 Phương pháp phân tích phổ Raman 44 2.3.6 Phép đo quang điện hóa 46 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 47 3.1 Nghiên cứu chế tạo khảo sát màng Au cấu trúc nano 47 3.1.1 Kết nghiên cứu chế tạo màng nanoplasmonic Au kỹ thuật bốc bay kết hợp ủ nhiệt 47 3.1.2 Khảo sát ảnh hưởng chiều dày lớp màng Au đến kích thước hạt nano vàng 48 3.1.3 Ảnh hưởng kích thước hạt đến hiệu ứng hấp thụ cơng hưởng plasmonic hệ vật liệu nano Au 49 3.1.4 Khảo sát chế tạo màng TiO2 TiO2/MoS2 .50 3.1.4.1 Chế tạo màng TiO2 nano xốp 50 3.1.4.2 Khảo sát chế tạo màng MoS2 TiO2/MoS2 52 3.2 Kết khảo sát tính chất quang điện hệ vật liệu Au/TiO2/MoS2 55 KẾT LUẬN 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1: Cơ chế tách nước vật liệu 14 Hình Cấu hình linh kiện quang điện hóa (PEC) 16 Hình 3: Biểu diễn khối Ti3O (trái) đa diện TiO6 (phải) cho pha TiO2 rutile (a), anatase (b) brookite (c) (Ti (trắng); O (đỏ)) (10) 19 Bảng 1: Các thông số mạng tinh thể thực nghiệm độ rộng vùng cấm đa hình TiO2 (5) 19 Hình 1.4: Cơ chế quang xúc tác TiO2 (12) 21 Hình 5: Hình chiếu hình chiếu cạnh xếp (a) 2H (b) 1T MoS2 Trong 2H-MoS2, phối trí hình lăng trụ tam giác nguyên tử Mo 1T- MoS2, phối trí hình bát diện ngun tử Mo thể Nguyên tử S cho màu vàng; Nguyên tử Mo cho màu lục lam (22) 23 Hình 6: Cấu trúc vùng lượng MoS2 đơn lớp 24 Hình 7: Do màu sắc mãnh liệt chúng, Au NPs tìm thấy hàng nghìn năm sản phẩm người tạo (A) Ngà voi khảo cổ mạ vàng Ai Cập (thế kỷ thứ trước Công nguyên, sưu tập Louvre có nguồn gốc từ Arslan Tash, Syria) (B) Cúp Lycurgus La Mã kỷ thứ 4, có màu đỏ chiếu sáng từ phía sau màu xanh lục chiếu sáng từ phía trước (Bảo tàng Anh) (C) Ấm trà (1680) Johannes Kunckel thu kỹ thuật ‘Purple of Cassius’ (D) Các mẫu keo vàng ban đầu Michael Faraday (1852) 26 Hình 8: Hình minh họa plasmon dạng vàng khối (A) NP (B) (A) Số lượng lớn plasmon kích thích chùm điện tử (dưới cùng), PSPP kích thích trường phát sáng (trên) (B) LSP kích thích ánh sáng truyền không gian tự môi trường điện môi (C) LSP Au NP mơ hình hóa, phép gần đầu tiên, giống dao động điều hịa lị xo, mật độ electron tự tương đương với khối lượng 28 Hình 9: Hình ảnh phác họa tạo hạt tải nóng q trình kích thích SPR bơm điện tích vào vật liệu acceptor TiO2, mức lượng acceptor gần với mức Fermi Au NP (ΔEbarrier → 0) 29 Hình 10: Sơ đồ thể chỉnh lượng hệ vật liệu Au - TiO2 a) trước tiếp xúc b) sau tiếp xúc .30 Hình 11: Cấu trúc vùng liên kết dị thể sơ đồ chiếu sáng trình phân tách electron-lỗ trống xạ ánh sáng .32 Hình 1: Sơ đồ cấu tạo thiết bị bốc bay nhiệt chân không 36 Hình 2: Hình minh họa phương phương in lưới 36 Hình Hệ bốc bay chân không Viện Khoa học vật liệu .38 Hình 4: Sơ đồ trình thực nghiệm chế tạo vật liệu 39 Hình 5: Sơ đồ nguyên lý hệ tán sắc sử dụng lăng kính .40 Hình 6: Thiết bị đo kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường Hitachi S-4800 viện Khoa Học Vật Liệu 41 Hình 7: Nguyên lý tượng nhiễu xạ 42 Hình 8: Thiết bị đo phổ hấp thụ UV-Vis 2600 Shimazu Viện Vật lý 44 Hình 9: Sơ đồ chế tán xạ Raman 45 Hình 1: Màng Au sau bốc bay với chiều dày khác sau ủ 450oC 47 Hình 2: Hình ảnh SEM màng nano Au sau ủ nhiệt đế thủy tinh FTO, (a;b;c) đế thủy tinh tương ứng lớp màng Au dày nm; 5nm 10nm (d; e; f) đế FTO tương ứng chiều dày lớp Au dày 3nm; nm 10 nm .48 Bảng 1: Kích thước trung bình hạt nano Au màng tương ứng với chiều dày bốc bay khác .49 Hình 3: Phổ hấp thụ vùng ánh sáng khả kiến màng Au với chiều dày lớp Au khác đế thủy tinh (a) đế thủy tinh FTO (b) 50 Hình 4: Hình ảnh SEM bề mặt màng TiO2 với độ phóng đại (a) 5μm (b) 500 nm (c) mẫu TiO2 sau in lưới ủ nhiệt 51 Hình 5: Phổ Raman màng TiO2 chế tạo phương pháp phủ in lưới 51 Hình 6: Giản đồ XRD MoS2 ủ nhiệt độ 120°C, 300°C 400°C 53 Hình 7: Bảng kết tính tốn số Miller từ đỉnh nhiễu xạ tia X 53 Hình 8: Hình ảnh SEM bề mặt màng (a) TiO2 phủ trải màng MoS2 thủy nhiệt bề mặt TiO2 ủ nhiệt độ (b) 120oC , (c) 300oC .54 Hình 9: Phổ hấp thụ mẫu màng MoS2 ; TiO2; TiO2/MoS2 .54 Hình 3.10: Đường đặc trưng I-V linh kiện sử dụng điện cực TiO2/MoS2 Au /TiO2/MoS2 chiếu sáng .56 Hình 11: Đặc trưng I-t mẫu Au/TiO2/MoS2 với chiều dày lớp màng Au khác 57 Hình 12: Đặc trưng I-t cấu trúc màng TiO2 (1), TiO2/MoS2 (2) Au(3nm)/TiO2/MoS2 (3) 58 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Các thông số mạng tinh thể thực nghiệm độ rộng vùng cấm đa hình TiO2 (5) 19 Bảng 1: Kích thước trung bình hạt nano Au màng tương ứng với chiều dày bốc bay khác .49 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt PEC Photoelectrochemical LSPR Localized Resonance NPs Nano particles Hạt nano CB Conduction band Vùng dẫn VB Valence band Vùng hóa trị SERS Surface Enhanced Scattering SEM Scanning Điện tử Microscope Kính hiển vi điện tử quét XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X UV – VIS Ultraviolet – visible Vùng tử ngoại – khả kiến Tiếng Anh Tiếng Việt Quang điện hóa Plasmon Cộng hưởng plasmonic bề mặt định xứ Surface Raman Tăng cường bề mặt tán xạ Raman Từ ảnh SEM nhận thấy chiều dày lớp màng vàng tăng lên kích thước hạt nano Au nhận tăng lên tương ứng Trên bảng 3.1 kích thước trung bình hạt nano Au màng tương ứng với chiều dày bốc bay khác đế thủy tinh thủy tinh FTO xác định từ việc phân tích giản đồ phân bố kích thước hạt mẫu Bảng 1: Kích thước trung bình hạt nano Au màng tương ứng với chiều dày bốc bay khác Chiều dày lớp Au bốc bay nm nm 10 nm Kích thước hạt Au đế thủy tinh 20 nm 35 nm 73 nm Kích thước hạt Au đế thủy tinh FTO 22 nm 45 nm 78 nm Có thể nhận thấy phương pháp chế tạo hạt nano vàng kỹ thuật bốc bay ủ nhiệt chế tạo thành công hạt nano vàng đế khác Kích thước hạt nano Au khống chế thông qua chiều dày lớp màng Au bốc bay có phụ thuộc vào vật liệu đế Kích thước hạt phụ tỉ lệ thuận với độ dày lớp màng vàng 3.1.3 Ảnh hưởng kích thước hạt đến hiệu ứng hấp thụ công hưởng plasmonic hệ vật liệu nano Au Để khảo sát tính chất cộng hưởng plasmonic màng vàng, thực phép đo phổ hấp thụ với ánh sáng uv-vis từ 300 – 800nm Hình 3.3 thể phổ hấp thụ màng nano Au đế thủy tinh thủy tinh FTO với chiều dày khác Qua hình ta nhận thấy tất mẫu cho thấy hấp thụ cộng hưởng plasmonic đặc trưng màng vàng Tuy nhiên, độ dày màng tăng tương ứng kích thước hạt nano Au tăng lên đỉnh phổ hấp thụ trở lên rộng có chuyển dịch đỏ đỉnh phổ Ở đế thủy tinh độ dày màng tăng từ 3nm đến 10nm đỉnh phổ cộng hưởng dịch 49 chuyển từ 540nm đến 584nm Cũng tương tự đế thủy tinh FTO đỉnh phổ hấp thụ cộng hưởng chuyển từ 560 nm đến 580 nm Điều ảnh hưởng lớn kích thước đến hiệu ứng cộng hưởng plasmonic Như trình bày trên, kích thước hạt tăng độ dày màng tăng Ngoài thấy phổ hấp thụ cộng hưởng màng Au đế thủy tinh FTO có độ rộng phổ lớn so với màng đế thủy tinh Điều đế thủy tinh phẳng so với đế thủy tinh FTO hình ảnh SEM bề mặt phân bố kích thước hạt đế thủy tinh hẹp hay hạt đồng Hình 3: Phổ hấp thụ vùng ánh sáng khả kiến màng Au với chiều dày lớp Au khác đế thủy tinh (a) đế thủy tinh FTO (b) 3.1.4 Khảo sát chế tạo màng TiO2 TiO2/MoS2 3.1.4.1 Chế tạo màng TiO2 nano xốp Màng TiO2 chế tạo phương pháp in lưới, mực in hạt TiO2 dạng keo hang Solaronix chế tạo Hạt có kích thước từ 16nm đến 20nm Màng TiO2 phủ đế FTO qua xử lý thực in màng trình bày chương II Sau đó, màng đem sấy khô 120ºC ủ nhiệt 450°C để hình thành màng TiO2 nano xốp Hình 3.4 hình ảnh SEM màng TiO2 hình ảnh màng sau ủ nhiệt Màng TiO2 bám đính tốt đế 50 gần suốt Ảnh SEM cho thấy màng đồng phẳng, hạt TiO2 liên kết với tạo nên độ xốp màng Hình 4: Hình ảnh SEM bề mặt màng TiO2 với độ phóng đại (a) 5μm (b) 500 nm (c) mẫu TiO2 sau in lưới ủ nhiệt Tiếp theo đặc tính cấu trúc màng khảo sát bằng phương pháp đo phổ Raman Hình 3.5 hình ảnh phổ Raman màng TiO2 sau in lưới ủ nhiệt Nhận thấy, phổ có đỉnh số sóng 147, 398, 516 640 cm-1 Đây mode dao động đặc trưng TiO2 pha anatase Điều chứng tỏ chế tạo thành công màng TiO2 anatase có cấu trúc nano xốp Hình 5: Phổ Raman màng TiO2 chế tạo phương pháp phủ in lưới 51 3.1.4.2 Khảo sát chế tạo màng MoS2 TiO2/MoS2 Màng MoS2 TiO2/MoS2 chế tạo phương pháp thủy nhiệt Tiền chất để thực phản ứng thiocetamide sodium molybdate, tỷ lệ nồng độ dung dịch trình bày chi tiết phần thực nghiệm Đối với màng MoS2 đế thủy tinh trước khí đưa vào bình thủy nhiệt tạo lớp mầm MoS2 mỏng phương pháp bốc bay nhiệt Trong đế FTO/TiO2 sử dụng trực tiếp khơng cần tạo lớp mầm Q trình thủy nhiệt thực nhiệt độ 200oC 10 Sau thủy nhiệt, bình thủy nhiệt để nguội tự nhiên, mẫu sau lấy rửa lại nước cất sấy khô trước đem sử lý nhiệt nhiệt độ khác 120°C, 300°C 400°C Màng MoS2 đế thủy tinh dùng để khảo sát đặc tính cấu trúc phương pháp nhiễu xạ tia X để tìm nhiệt độ thích hợp hình thành nên MoS2 Hình 3.6 giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu sau xử lý nhiệt nhiệt độ khác Ta thấy khác biệt rõ ràng đỉnh nhiễu xạ mẫu ủ nhiệt nhiệt độ khác Quá trình ủ nhiệt khiến MoS2 hình thành nên cấu trúc tinh thể khác Sử dụng phần mềm “X’Pert HighScore Plus” để phân tích liệu thu từ trình đo nhiễu xạ tia X Kết cho thấy nhiệt độ 120°C màng nhận tương ứng với pha tinh thể monoclinic vật liệu Mo2S3 với xuất số đỉnh nhiễu xạ ứng pha 2θ = 10,5°; 14,9°; 21,084°;… ứng với số miller (hkl) (001), (100), (002) Ở nhiệt độ 300°C xuất đỉnh pha MoS2 với tinh thể hexagonal (2H) tương ứng với đỉnh 2θ = 14,391°; 29,015°; 32,692° với số miller tương ứng (002), (004) (100) cụ thể số liệu tính tốn hình 3.7 Cuối 400°C màng gần chuyển hẳn sang pha Mo3S4 Như nhiệt độ tối ưu để MoS2 hình thành pha 2H 300°C nhiệt độ để chế tạo màng TiO2/MoS2 cho bước 52 Hình 6: Giản đồ XRD MoS2 ủ nhiệt độ 120°C, 300°C 400°C Hình 7: Bảng kết tính tốn số Miller từ đỉnh nhiễu xạ tia X Hình thái học bề mặt màng MoS2 phủ lên lớp màng TiO2 phương pháp thủy nhiệt khảo sát thông qua chụp ảnh SEM Trên hình 3.8 53 hình ảnh SEM bề mặt màng TiO2 TiO2/MoS2 sau thủy nhiệt ủ nhiệt 120°C 300°C Ta thấy màng MoS2 phủ kín bề mặt màng TiO2 Hình 8: Hình ảnh SEM bề mặt màng (a) TiO2 phủ trải màng MoS2 thủy nhiệt bề mặt TiO2 ủ nhiệt độ (b) 120oC , (c) 300oC Có thể nhận thấy sau thủy nhiệt màng MoS2 tạo liên kết phủ kín bề mặt màng TiO2 Đối với màng MoS2 ủ nhiệt 120°C (hình 3.8b), màng hình thành nano có kích thước khoảng 50nm – 60 nm xếp chồng lên tạo lên độ xốp màng Khi ủ nhiệt 300°C (hình 3.8c), lớp xếp chặt có độ liên kết lớn Như thấy phương pháp thủy nhiệt lớp màng MoS2 có cấu trúc dạng nano lên lớp vật liệu TiO2 nano xốp Hình 9: Phổ hấp thụ mẫu màng MoS2 ; TiO2; TiO2/MoS2 54 Tính chất quang hệ vật liệu TiO2/MoS2 khảo sát phương pháp đo phổ hấp thụ uv-vis Hình 3.9 phổ hấp thụ uv-vis mẫu TiO2; MoS2 TiO2/MoS2 thủy nhiệt Mẫu TiO2/MoS2 có đỉnh hấp thụ đặc trưng TiO2 vùng tử ngoại 400nm ngồi có mặt lớp màng MoS2 giúp làm cải thiện độ hấp thụ phần đuôi kéo dài mẫu TiO2/MoS2 khoảng từ 400nm đến 900nm xuất đỉnh hấp thụ vùng 800nm Điều chứng tỏ cấu trúc dị thể TiO2/MoS2 cho phép mở rộng phổ hấp thụ hệ vật liệu vùng nhìn thấy Điều đem đến khả nâng cao hiệu suất cho trình quang điện hóa vật liệu điện cực sau 3.2 Kết khảo sát tính chất quang điện hệ vật liệu Au/TiO2/MoS2 Trên sở thông số khảo sát tiến hành chế tạo hệ vật liệu màng dị thể FTO/Au/TiO2/MoS2 tiến hành khảo sát tính chất quang điện hóa vật liệu điện cực phương pháp đo đường đặc trưng I-V điện kiện không chiếu sáng (tối) chiếu sáng Cấu hình linh kiện thiết lập gồm điện cực quang xúc tác FTO/Au/TiO2/ MoS2 điện cực đối FTO/Pt hạt nano gắn đối diện điền đầy dung dịch điện ly NaOH 0,5M Phép đo thực điều kiện chiếu sáng nguồn đèn mô phổ lượng mặt trời solar simulator Oriel Sol1A Khoảng điện quét từ 1,3V đến 1,3 V Trên hình 3.10 đường I-V chiếu sáng linh kiện sử dụng điện cực đối màng TiO2/MoS2 Au/TiO2/MoS2 Có thể nhận thấy giá trị độ lớn dòng quang điện mẫu Au/TiO2/MoS2 lớn đáng kể so với mẫu TiO2/MoS2 Điều cho thấy có mặt hạt nano Au hệ vật liệu dị thể góp phần cải thiện đáng kể dịng quang điện Điều giải thích hiệu ứng cộng hưởng plasmonic hạt nano Au làm tăng khả hấp thụ ánh sáng để sinh cặp hạt tải điện 55 Hình 3.10: Đường đặc trưng I-V linh kiện sử dụng điện cực TiO2/MoS2 Au /TiO2/MoS2 chiếu sáng Để làm khảo sát ảnh hưởng kích thước hạt nano Au chúng tơi tiến hành khảo sát dịng quang điện theo thời gian khơng đặt điện ngồi (ngắn mạch) chiếu sáng khơng chiếu sáng Hình 3.11 kết thể đáp ứng dòng quang điện hệ vật liệu Au/TiO2/MoS2 với màng Au có độ dày khác 56 Hình 11: Đặc trưng I-t mẫu Au/TiO2/MoS2 với chiều dày lớp màng Au khác (đường 1) Có thể nhận thấy dịng quang điện phụ thuộc vào chiều dày màng Au rõ rệt Dòng quang điện đạt cực đại 11,8 μA với độ dày màng Au ban đầu nm, sau giảm xuống 5,1 μA độ dày màng Au nm (đường 2) sau tăng lên 7,8 μA tăng độ dày ban đầu đến 10 nm (đường 3) Có thể thấy với chiều dày lớp màng Au nm tương ứng với kích thước hạt nano Au vào khoảng 20 nm cho đáp ứng dòng quang điện lớn Giải thích chế màng Au nm dịng quang điện cực đại? Trên hình 3.12 đáp ứng dòng quang điện phụ thuộc theo thời gian với điện cực TiO2 (1), TiO2/MoS2 (2) Au(3nm)/TiO2/MoS2 (3) Ở màng TiO2 thu dịng quang điện có giá trị nhỏ 1,5 μA Đối với mẫu TiO2/MoS2 dịng quang điện cải thiện lên 4,5 μA Điều xuất màng MoS2 tăng cường độ hấp thụ vùng ánh sáng khả kiến giúp mật độ hạt tải tăng lên cải thiện dòng quang điện Dòng quang điện tăng mạnh có thêm xuất Au, hệ vật liệu Au(3nm)/TiO2/MoS2 thu dòng quang điện cao mức 12 μA Dòng thu gấp lần màng TiO2 gần lần so với màng TiO2/MoS2 57 Hình 12: Đặc trưng I-t cấu trúc màng TiO2 (1), TiO2/MoS2 (2) Au(3nm)/TiO2/MoS2 (3) Sự thay đổi đáp ứng dòng quang điện trường hợp giải thích thơng qua hai chế vật lý trực tiếp liên quan tới tăng cường dịng quang điện hóa hệ vật liệu Thứ vật liệu MoS2 giúp cải thiện khả hấp thụ hệ vùng khả kiến Vật liệu MoS2 với độ rộng vùng cấm 1,8 eV hấp thụ ánh sáng vùng khả kiến Vùng cấm xiên làm giảm khả tái hợp cặp hạt tải Ngoài tiếp xúc dị thể lớp vật liệu TiO2/MoS2 khiến điện tử dịch chuyển qua biên tiếp xúc chênh lệch mức làm tăng khả tách cặp hại tải điện quang sinh Thứ hai hiệu ứng cộng hưởng plasmonic hạt nano Au Các hạt nano Au hấp thụ ánh sáng tạo điện tử nóng từ hạt nano Au nhảy lên vùng dẫn TiO2 giúp cải thiện dịng quang điện Hạt nano Au đóng vai trò chất nhạy quang, hấp thụ photon cộng hưởng tạo lượng điện tử nóng liên kết với kích thích LSPR electron nóng đưa điện tử từ hạt nano Au vào vùng dẫn TiO2 dẫn đến việc tạo dòng quang điện nâng cao 58 KẾT LUẬN Trong luận văn này, nghiên cứu phương pháp chế tạo khảo sát tính chất quang điện hệ vật liệu Au/TiO2/MoS2 Qua thu kết sau: Tiến hành khảo sát công nghệ chế tạo chế tạo thành công màng Au phương pháp bốc bay nhiệt kết hợp ủ nhiệt Đã tiến hàng khảo sát cấu trúc hình thái học màng Au bốc bay nhiệt nhận thấy ảnh hưởng độ dày màng q trình bốc bay đến kích thước hạt nano Au Khi độ dày màng tăng kích thước hạt tăng theo đồng thời đỉnh cộng hưởng chuyển dịch đỏ Trên sở khảo sát trình xử lý nhiệt màng MoS2 sau thủy nhiệt xác định nhiệt độ tối ưu để hình thành pha tinh thể 2H MoS2 300°C Đã chế tạo thành công hệ vật liệu màng tổ hợp dị thể Au/TiO2/MoS2, lớp nanoplasmonic Au chế tạo kỹ thuật chân không kết hợp ủ nhiệt, lớp màng TiO2 xốp chế tạo phương pháp in lưới từ mực TiO2 lớp MoS2 chế tạo phương pháp thủy nhiệt Đã tiến hành khảo sát tính chất quang điện hóa hệ vật liệu tổ hợp Au/TiO2/MoS2 thông qua phép đo đặc trưng I-V cấu hình linh kiện sử dụng hai điện cực vật liệu tổ hợp điện cực nano Pt xen lớp dung dịch NaOH 0,5M Các kết chứng tỏ hệ vật liệu tổ hợp chế tạo thể tốt hoạt tính quang điện hóa Tiến hành khảo sát tính chất quang điện hệ vật liệu với kích thước hạt vàng khác thông qua chiều dày màng Kết thu cho thấy màng vàng có độ dày nm đạt dòng quang điện cao Dòng quang điện lớn gấp (gần) lần so với trường hợp màng TiO2/MoS2 đến lần so với màng TiO2 Như vậy, với kết đạt chúng tơi đạt mục đích ban đầu mà khóa luận đề là: Chế tạo hệ vật liệu Au/TiO2/MoS2 Trong 59 vật liệu Au, MoS2 đóng vai trị vật liệu hỗ trợ TiO2 mở rộng phổ hấp thụ sang vùng ánh sáng khả kiến nâng cao hiệu suất dòng quang điện TiO2 Tuy nhiên số kết ban đầu vấn đề cần phải tiếp tục nghiên cứu sâu chi tiết Trong thời gian tới hướng nghiên cứu dự kiến:  Tiếp tục nghiên cứu tối ưu hóa cơng nghệ chế tạo lớp màng vật liệu tổ hợp đánh giá vai trò hiệu ứng cộng hưởng plasmonic lớp MoS2 đến việc nâng cao hiệu suất chuyển hóa lượng linh kiện quang điện hóa PEC  Phát triển công nghệ chế tạo vật liệu tổ hợp kết hợp với vật liệu khác graphene, phosphorene, WO3, CdS,…và so sánh với hệ vật liệu Au/TiO2/MoS2 60 10 11 12 13 TÀI LIỆU THAM KHẢO Zheng Wang, C.L.a.K.D (2018) "Recent developments in heterogeneous photocatalysts for solar-driven overall water splitting" The Royal Society of Chemistry, p1,2,4 Biao Chen, Y.M., Junwei Sha, Cheng Zhong, Wenbin Hu and Naiqin Zhao (2018) Preparation of MoS2/TiO2 based nanocomposites for photocatalysis and rechargeable batteries: progress, challenges, and perspective Nanoscale, p3-4 Coronado, J.M (2013) Design of Advanced Photocatalytic Materials for Energy and Environmental Applications Green Energy and Technology, Alfaifi B Y., U.H., Alfaifi S., Tahir A A., and Mallick T K (2018) Photoelectrochemical solar water splitting: From basic principles to advanced devices Veruscript Functional Nanomaterials, p2-3 Nazanin Rahimi, R.A.P., Evan MacA Gray (2016) Review of functional titanium oxides I: TiO2 and its modifications Progress in Solid State Chemistry Fujishima, A (1972) Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode Nature, p 37-38 Ahmad, H., S.K Kamarudin, L.J Minggu, and M Kassim (2015) Hydrogen from photo-catalytic water splitting process: A review Renewable and Sustainable Energy Reviews,, p4 Ocana, M., J.V Garcia-Ramos, and C.J Serna (1992) Low-Temperature Nucleation of Rutile Observed by Raman Spectroscopy during Crystallization of TiO2 Journal of the American Ceramic Society Marchand, R., L Brohan, and M Tournoux (1980) TiO (B) a new form of titanium dioxide and the potassium octatitanate K Ti O 17 Materials Research Bulletin Landmann, M., E Rauls, and W.G Schmidt (2012) The electronic structure and optical response of rutile, anatase and brookite TiO2 J Phys Condens Matter, ((accessed May 07, 2021)) https://www.electronicshub.org/schottky-diodeworking-characteristicsapplications/ Shoujun Zhu, Y.S., Xiaohuan Zhao, Jieren Shao, Junhu Zhang, and Bai Yang (2015) The photoluminescence mechanism in carbon dots (graphene quantum dots, carbon nanodots, and polymer dots): Current state and future perspective Nano Research al, R.F.S.e (2000) “Molybdenum and Molybdenum Compounds,” in Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry Wiley-VCH Verlag GmbH & Co KGaA 61 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 J.P Oviedo, S.K., N Lu, J Wang, K Cho, R.M Wallace, M.J Kim, (2015) In situ TEM characterization of shear-stress-induced interlayer sliding in the cross section view of molybdenum disulfde ACS Nano J.A Wilson, A.D.Y (1969) The transition metal dichalcogenides discussion and interpretation of the observed optical, electrical and structural properties, Adv Phys Deepika Gupta, V.C., Rajesh Kumar (2020) A comprehensive review on synthesis and applications of molybdenum disulfde (MoS2) material: Past and recent developments Inorganic Chemistry Communications F Wypych, R.S (2010) 1T-MoS2 a new metallic modifcation of molybdenum disulfde ChemInform R Kappera, D.V., S.E Yalcin, W Jen, M Acerce, S Torrel, B Branch, S Lei, W Chen, S Najmaei, J Lou, P.M Ajayan, G Gupta, A.D Mohite, M Chhowalla, (2014) Metallic 1T phase source/drain electrodes for feld effect transistors from chemical vapor deposited MoS2 APL Mater J Park, I.W.Y., G Han, C.S Hwang, J.H Choi (2019) Ferroelectric switching in bilayer 3R MoS2 via interlayer shear mode driven by nonlinear phononics Sci Rep J Shi, P.Y., F Liu, P He, R Wang, L Qin, J Zhou, X Li, J Zhou, X Sui, S Zhang, Y Zhang, Q Zhang, T.C Sum, X Qiu, Z Liu, X Liu, (2017) 3R MoS2 with broken inversion symmetry: a promising ultrathin nonlinear optical device Adv Mater R Somoano, V.H., A Rembaum, H.C Wolfe, D.H Douglass, (2013) Superconductivity in intercalated molybdenum disulfde AIP Conf Proc Z Li, P.S., X Zhan, Q Zheng, T Feng, P.V Braun, S Qi (2019) Metallic 1T phase MoS2/MnO composites with improved cyclability for lithium-ion battery anodes J Alloys Compd A Kuc, N.Z., T Heine (2011) Influence of quantum confnement on the electronic structure of the transition metal sulfde TS2 Phys Rev B Condens Matter Mater Phys Chem B A, M.S (2007) Plasmonics: Fundamentals and Applications Springer M, K.U.a.V (1995) Optical Properties of Metal Clusters Berlin: Springer Vincenzo Amendola, R.P., Marco Frasconi, Onofrio M Maragị, Maria Antonia Iatì (2017) Surface plasmon resonance in gold nanoparticles: a review Journal of Physics: Condensed Matter Biagioni P, H.J.a.H.B (2012) Rep Prog Phys Brongersma M L, H.N.J.a.N.P (2015) Nat.Nanotechnol Sousa-Castillo A, C.-H.M., Rodríguez-González B, Pérez-Lorenzo M, Wang Z, Kong X, Govorov A O and Correa-Duarte M A (2016) J Phys Chem 62 30 31 32 Ben-Shahar Y, S.F., Kriegel I, Moretti L, Cerullo G, Rabani E and Banin U (2016) Nat Commun Mukherjee S, Z.L., Goodman A M, Large N, AyalaOrozco C, Zhang Y, Nordlander P and Halas N J (2013) J Am Chem Soc Hồng, L.V (2019) Nghiên cứu chế tạo tính chất quang xúc tác, điệnquang xúc tác vật liệu cu2o với lớp phủ cấu trúc nanô Luận án tiến sĩ khoa học vật liệu 63 ... đặt vấn đề nghiên cứu ? ?Nghiên cứu chế tạo khảo sát tính chất vật liệu quang xúc tác TiO2/ MoS2/ Au ứng dụng phản ứng tách nước? ?? nhằm bước đầu tạo điện cực quang xúc tác cho linh kiện quang điện... 3.1.4 Khảo sát chế tạo màng TiO2 TiO2 /MoS2 .50 3.1.4.1 Chế tạo màng TiO2 nano xốp 50 3.1.4.2 Khảo sát chế tạo màng MoS2 TiO2/ MoS2 52 3.2 Kết khảo sát tính chất quang điện hệ vật liệu. .. DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ KHẢO SÁT TÍNH CHẤT VẬT LIỆU QUANG XÚC TÁC TiO2/ MoS2/ Au ỨNG DỤNG TRONG