Chế tạo và ứng dụng vật liệu nano tổ hợp oxit kim loại sắt và mangan/graphene trong quang xúc tác và siêu tụ điện
MỤC LỤC
TONG QUAN
Trình bày tổng quan về các van đề liên quan đến Luận án như graphen, những ứng dụng của graphen, vật liệu tổ hợp, quang xúc tác, siêu tụ, các phương pháp chế.
KÉT QUÁ NGHIÊN CỨU VÀ BÀN LUẬN
GRAPHEN VA MOT SO DAN XUAT CUA GRAPHEN
Do vậy, độ dẫn điện của rGO mặc dù đã được cải thiện đáng kế so với GO, tuy nhiên vẫn không thé so sánh với độ dẫn điện của graphen nguyên sinh do cấu trúc graphitic của rGO vẫn còn bị lỗi trong quá trình xử lí. Sự hiện diện của các nhóm chức chứa oxy trong GO cho phép tương tác với các cation và cung cấp các vị trí phản ứng cho sự tạo mầm và phát triển của các hạt nano, dẫn đến sự phát triển nhanh chóng của các vật liệu tổ hợp dựa trên graphen khác nhau.
VAT LIEU TO HỢP
Vật liệu tô hợp dựa trên graphen có thể kết hợp các ưu điểm của thành phần graphen và vật liệu điện hóa dé đạt được hiệu suất điện hóa vượt trội, do đó đã được đề xuất ứng dụng trong các loại hệ thống lưu trữ năng lượng điện hóa khác nhau. Một số biện pháp đề đạt được điện dung riêng tốt là sử dụng vật liệu xốp nhằm tạo ra các cau trúc rỗng, thuận lợi cho quá trình trao đôi điện tích; hoặc bọc các hạt ô-xít mangan trong một mạng 3D dẫn điện, nhằm tạo sự phân bố đồng nhất của các hạt ô-xít mangan trên bề mặt graphen [69]; hoặc tạo các dạng hình thái hạt nano phù hợp thông qua các phương pháp chế tạo khác nhau.
QUANG XÚC TÁC 1. Chất xúc tác
Việc sử dụng ô-xít kim loại lai ghép với graphen tham gia vào các phản ứng. oxy hóa khử dẫn đến điện dung riêng lớn, độ ồn định tốt và hiệu suất điện hóa được nâng cao đáng kể. Ô-xít mangan thé hiện được phan ứng oxi hóa khử nhanh và thuận nghịch, do vậy vật liệu tô hợp graphen/ô-xít mangan được nghiên cứu nhiều làm điện cực trong các ứng dụng siêu tụ. Vật liệu tổ hợp GO/ô-xít mangan với các hạt nano ô-xít mangan được cố định trên bề mặt graphen đã đạt được hiệu suất điện hóa tuyệt vời. Một số biện pháp đề đạt được điện dung riêng tốt là sử dụng vật liệu xốp nhằm tạo ra các cau trúc rỗng, thuận lợi cho quá trình trao đôi điện tích; hoặc bọc các hạt ô-xít mangan trong một mạng 3D dẫn điện, nhằm tạo sự phân bố đồng nhất của các hạt ô-xít mangan trên bề mặt graphen [69]; hoặc tạo các dạng hình thái hạt nano phù hợp thông qua các phương pháp chế tạo khác nhau. Một ô-xít kim loại quan trọng khác là Fe2O3 cũng được nghiên cứu nhiều làm điện cực cho siêu tụ điện. Tuy nhiên, hiệu suất điện hóa trong các ứng dụng siêu tụ. điện của FexOy là nhỏ so với các ô-xít khác. QUANG XÚC TÁC. Phân loại vật liệu quang xúc tác. Chất xúc tác quang thường được chia thành hai loại:. - Chất xúc tác đồng thê: chất xúc tác cùng pha với hỗn hợp phản ứng, có nghĩa là chất xúc tác có mặt dưới dạng chất tan trong hệ phản ứng xúc tác đồng thê. - Chất xúc tác dị thể: chất xúc tác có mặt ở một pha khác với hỗn hợp phản ứng. Ưu điểm của xúc tác dị thê là có thé dé dàng tách ra khỏi hỗn hợp phản ứng và. có thể tái sử dụng. Yêu cầu đối với vật liệu quang xúc tác. ) có thé được sử dụng làm chất xúc tác cho các phản ứng quang hóa học do cấu trúc điện tử của chúng gồm vùng hóa trị (VB) đầy và vùng dẫn (CB) trống. Do đó, nhiều nỗ lực đã được tập trung dé cải thiện hoạt tính quang xúc tác của các hạt từ tính ô-xít sắt như phủ một lớp vỏ là vật liệu hữu cơ, hoặc hạt nano ô-xít sắt được “neo” trên bề mặt một vật liệu khác như graphen dé tăng cường sự phân tan, pha tạp các ion kim loại hoặc phi kim loại khác nhau, kết hợp các kim loại quý cũng như chế tạo vật liệu tô hợp với các chất xúc tác quang khác dé tạo ra các di cau trúc xúc tác quang từ tính.
SIEU TU
Các chất xúc tác quang ở dang huyền phù (lơ lửng trong dung dịch) có thé bị hạn chế về độ sâu do hiện tượng cản sáng (hiệu ứng đồ bóng) hoặc bởi sự tán xạ của các hạt chất xúc tác. Tuy nhiên, xu hướng của hầu hết các công trình nghiên cứu đều cho thấy rằng các hat min lơ lửng thé hiện hoạt tính xúc tác cao hơn so với chất xúc tác cố định [109].
59V) zat) Dài "
CÁC PHƯƠNG PHÁP CHÉ TẠO VẬT LIỆU TÔ HỢP Ô-XÍT KIM LOẠI/
Phương pháp sol-gel tại chỗ có ưu điểm là các nhóm chức trên GO/ rGO (ô- xít graphen bị khử) hoạt động như các vị trí phản ứng và vị trí tạo mam và tăng trưởng của các hạt ô-xít kim loại, do đó các cấu trúc nano ô-xít kim loại tạo ra được liên kết hóa học lên bề mặt GO/ rGO. Ví dụ, composite graphen - ZnO đã được chế tao bởi Wei và cộng sự thông qua phương pháp lắng đọng điện hóa cua ZnO trên các điện cực thủy tinh ITO (indi thiếc ô-xít) phủ GO, sử dụng dung dịch kẽm nitrat (Zn(NOs3)2) làm chất điện phân [1 13]. Trong phương pháp này, nhóm tác giả sử dụng điện thế lớn (60V) được đặt lên hai thanh graphit, trong đó một thanh (cực dương) được nhúng trong dung dịch kiềm, một thanh khác (cực âm) đặt cách bề mặt dung dịch một khoảng có định.
![Hình 1.5. Chế tạo ZnO/rGO bằng phương pháp thủy nhiệt [80].](https://media.store123doc.com/figures/003/428/hinh-che-tao-zno-phuong-phap-thuy-nhiet-3428384.webp)
KET LUẬN CHUONG 1
Luận án định hướng chế tạo vật liệu tô hợp ô-xít kim loại/graphen với phương án kết hợp điện hóa plasma bóc tách graphen với sự kết tủa của các ô-xít kim loại. Trước tiên là các thiết bị, hóa chất được sử dụng trong quá trình chế tạo và quá trình đo đạc. Cuối cùng là trình bày phương pháp xác định hoạt tính quang xúc tác, phương pháp tạo điện cực và xác định tính chất điện hóa của vật liệu làm điện cực.
CHÉ TẠO VẬT LIỆU
Kết thỳc quỏ trỡnh phúng điện plasma, dung dịch chứa vật liệu được dé nguội tự nhiên đến nhiệt độ phòng, rửa bằng nước cat hai lần đến pH trung tính và được lọc bằng cách sử dụng màng PVDF (kích thước lỗ trung bình 0,2 um). Mn,Oy (muối kim loại là MnCl). Tiền chat 1 được dé trong một bé rung siêu âm, tiền chất 2 được nhỏ giọt với tốc độ 1 giot/s vào trong tiền chất 1. Dung dich thu được tiếp tục được rung siêu âm trong 30 phút dé thu được hỗn hợp dung dịch đồng nhất. Sau đó, hỗn hợp chứa vật liệu được tách ra khỏi dung dịch thông qua quá trình lọc hỗ trợ bơm chân không. Vật liệu được rửa sạch bằng nước cất 2 lần cho đến khi đạt pH trung tính. Mẫu được sấy khô ở 80°C trong 24 giờ và được bảo quản cho các thí nghiệm tiếp theo. Chế tạo vật liệu tổ hợp dựa trên graphen bằng phương pháp điện. Buret XI bo. a) Mô hình chế tao vật liệu tổ hợp ô-xít kim loai/ graphen; b) hình ảnh thực tế phương pháp điện hóa plasma chế tạo vật liệu FexO,/ graphen. Nhằm khảo sát ảnh hưởng của thời gian phóng điện plasma lên tính chất vật liệu được chế tạo, một hệ mẫu ứng với tiền chất như nhau nhưng thời gian phóng điện plasma khác nhau đã được thực hiện (60 phút, 120 phút và 180 phút). Mẫu đối chứng MnxOy không chứa graphen cũng được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa. mẫu cụ thé được trình bày trong bảng 2.1. Thông số chế tao của các mau Mn,O)y, mẫu tổ hợp 6-xit mangan/graphen.
CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU
Mau ô-xít sắt/graphen được tông hợp trong môi trường kiềm có độ pH ban đầu bằng 14, kết hợp đồng thời với quá trình phóng điện plasma và quá trình rung siêu. Các phép đo số lượng điện tử thoát ra khỏi bề mặt vật liệu và động năng của điện tử tạo thành phổ XPS. Ưu điểm của phương pháp này là không phá mẫu, được sử dụng phân tích cho nhiều loại hợp chất vô cơ, bán dẫn, polyme,.
KIÊN NGHỊ
- Vật liệu nano tổ hợp œ-FeaOz/FesO4/graphen kết hợp giữa thành phần quang xúc tác (a-Fe2O3), thành phần thu hồi từ (FeaOa) va graphen thé hiện hiệu suất quang xúc tác tốt, khả năng tái chế băng phân tách từ cho thấy đây là một hướng nghiên cứu triển vọng cho các ứng dụng xúc tác quang xử lí chất thải ô nhiễm. Nguyễn Long Tuyên, Phạm Quốc Triệu, Nguyễn Ngoc Dinh, Ha Xuân Linh, Phan Ngọc Hồng, Phan Ngọc Minh, Đặng Văn Thành (2020), "Chế tạo vật liệu tổ hợp graphen/Mn304 băng phương pháp hóa siêu âm kết hợp plasma ứng dung cho quang xúc tác phân hủy thuốc nhuộm da cam trong nước”, Vietnam J. Nguyễn Long Tuyên, Phạm Quốc Triệu, Nguyễn Ngọc Đỉnh, Nguyễn Quốc Dũng, Lê Trọng Lu, Phan Ngọc Minh, Nguyễn Đình Dũng, Nguyễn Tuan Hong, Phan Ngọc Hồng (2020), "Nghiên cứu chế tao vật liệu tổ hợp Mn3O./graphen bang phương pháp điện hóa plasma dưới sự hỗ trợ của siêu âm định hướng ứng dụng làm điện cực cho.