Tổng hợp và biến tính vật liệu composite MS2/g-C3N4 làm chất xúc tác quang và vật liệu cực âm pin sạc lithium-ion

Mục tiêu nghiên cứu

Là các chất xúc tác quang đáp ứng ánh sáng khả kiến, MS2 và g-C3N4 có nhiều lợi thế như năng lượng vùng cấm (Eg) hẹp, diện tích bề mặt phong phú, độ bền hóa học cao và không độc hại. Hiệu ứng hiệp trợ giữa hai cấu tử thành phần thúc đẩy quá trình phân tách điện tích, giảm tái tổ hợp; từ đó nâng cao hiệu suất điện hóa và hoạt tính quang xúc tác của composite. Từ những vấn đề lý thuyết và thực tiễn trên, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu tổng hợp và biến tính MS2 (M = Sn, W) với g-C3N4 làm chất xúc tác quang và vật liệu anode pin sạc lithium-ion”.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đã khảo sát một cách có hệ thống mối quan hệ hàm lượng giữa các pha thành phần với hoạt tính quang xúc tác – điện hóa của composite MS2/g-C3N4 (M = Sn, W). Trong đó, khi hàm lượng g-C3N4 cao, composite được ưu tiên cho ứng dụng xúc tác quang; ngược lại, ở những hàm lượng g-C3N4 thấp, sử dụng composite làm anode cho LIBs thu được kết quả tốt hơn. Đối với ứng dụng xúc tác quang: Đã đề xuất cơ chế chuyển và phân tách điện tích theo sơ đồ S nhằm giải thích hiệu suất xúc tác quang vượt trội của composite MS2/g-C3N4 (M = Sn, W).

THỰC NGHIỆM 2.1. Tổng hợp vật liệu

Khảo sát hoạt tính quang xúc tác 1. Phân tích định lượng RhB

Trạng thái S1 không bền, do đó electron mau chóng nhường năng lượng dưới dạng nhiệt để về trạng thái kích thích có năng lượng thấp hơn T1, bước chuyển này gọi là dịch chuyển qua (intersystem crossing). Các hạt ở mức năng lượng thấp nhất của trạng thái kích thích S1 trở về trạng thái cơ bản So và giải phóng năng lượng dưới dạng photon ánh sáng, hiện tượng này gọi là huỳnh quang (fluorescence). Mẫu được đo trên hệ đo huỳnh quang iHR-550 với bước sóng kích thích laser 355 nm tại Phòng Hiển vi điện tử, Viện Khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.

Để phân tích định lượng RhB, chúng tôi sử dụng phương pháp phân tích quang trong vùng ánh sáng khả kiến (phương pháp đường chuẩn), bằng cách đo trực tiếp mẫu không sử dụng thuốc thử. Hoạt tính quang xúc tác của mẫu vật liệu được đánh giá một cách có hệ thống thông qua phản ứng phân hủy chất màu RhB dưới chiếu xạ của đèn sợi tóc 220 V–60 W có trang bị kính lọc tia UV. Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành thí nghiệm theo quy trình như sau: Cân 20 mg chất xúc tác vào cốc loại 100 mL, thêm tiếp 80 mL dung dịch RhB nồng độ 20 mg/L.

Để đánh giá ảnh hưởng của khí oxygen hòa tan đến quá trình quang phân hủy dung dịch RhB, chúng tôi chọn vật liệu đại diện là mẫu SCN30 và tiến hành các thí nghiệm như sau: Cho 80 mL dung dịch RhB 20 mg/L vào cốc loại 100 mL, sục khí O2 liên tục trong 1 giờ. Sau đó cân 20 mg vật liệu cho vào cốc, hỗn hợp được khuấy đều trên máy khuấy từ trong khoảng 1,5 giờ ở điều kiện bóng tối để đảm bảo đạt cân bằng hấp phụ - giải hấp phụ. Chú ý trong toàn bộ thời gian chạy hấp phụ và chiếu sáng, khí O2 phải duy trì sục liên tục để đảm bảo nồng độ khí trong dung dịch đạt bão hòa và vô hiệu hóa ảnh hưởng của quá trình hấp phụ [14].

Sau khi cho mẫu vật liệu tối ưu SCN30 chạy hấp phụ trong bóng tối với thời gian cân bằng hấp phụ - giải hấp phụ đã khảo sát ở trên, tiến hành cho 2 mL chất bắt gốc tự do nồng độ 10 mM vào cốc đựng dung dịch RhB.

Đặc trưng điện hóa

Trong thực nghiệm của luận án, để đơn giản hoá thuật ngữ, dòng áp trong quá trình phóng nạp dòng tĩnh được sử dụng ở định dạng cường độ dòng trên đơn vị khối lượng vật liệu hoạt động, i(mA g−1). Các bờ thế này thể hiện dung lượng của pin do các quá trình oxy hoá – khử của vật liệu điện hoá, tương ứng với các quá trình chèn cài và phóng thích ion Li+ đi kèm với sự chuyển pha của vật liệu điện cực. Ở các mật độ dòng cao, thời gian phóng nạp không đủ để hoàn thành quá trình chèn và giải chèn ion Li+, dẫn đến chỉ một phần dung lượng được lưu trữ hoặc phóng thích do sự phân cực lớn của pin.

Kết quả của phép đo CV phụ thuộc vào nhiều yếu tố: (i) tốc độ của quá trình chuyển điện tích, (ii) hoạt độ điện hoá của vật liệu điện cực và (iii) tốc độ quét của phép đo. Phép đo CV đòi hỏi một thiết bị phát sóng để tạo tín hiệu kích thích, một thiết bị potentiostat để áp tín hiệu này lên hệ điện hoá, thiết bị chuyển đổi dòng - thế để thu nhận dòng tín hiệu và một máy ghi dao động để hiển thị kết quả. Trong đó, n là số electron tham gia vào quá trình, F là hằng số Faraday, A là diện tích bề mặt điện cực, C là nồng độ của dạng oxy hoá, 𝜗 là tốc độ quét, R là hằng số khí lý tưởng, T là nhiệt độ tuyệt đối và D là hệ số khuếch tán của dạng oxy hoá.

Phép đo CV cho các thông tin hữu ích trong nghiên cứu các hệ điện hoá mới dựa trên hai thông số, đó là giá trị tách tín hiệu (∆Ep = Ep,a – Ep,c) và giá trị đạo hàm dòng (ip,a/ip,c). Với các hệ có điện trở chuyển điện tích cao (hệ bán thuận nghịch, ip không tỷ lệ thuận với 𝜗1/2), thế khử thường âm hơn và thế oxy hoá thường dương hơn, dẫn đến sự tăng giá trị ∆Ep và tín hiệu đỉnh thường tù. Trong một hệ điện hoá cơ bản, các thành phần chính trên điện cực bao gồm nồng độ các nhóm oxy hoá – khử, quá trình chuyển điện tích, quá trình chuyển khối từ trong dung dịch đến bề mặt điện cực và trở kháng của chất điện giải.

Các kết quả như điện trở dung dịch điện giải, điện trở chuyển điện tích và điện trở Warburg có thể thu được bằng phép phân tích đồ thị Nyquist sử sụng phần mềm chuyên dụng trên cơ sở các mạch tương đương phù hợp.