phún xạ của bia V.
Sau khi xác định được góc nghiêng θo và tỉ lệ khí O2:Ar lý tưởng, chúng tôi tiến hành khảo sát màng TiO2:V theo công suất phún xạ của bia V. Đây là yếu tố quan trọng nhất, quyết định đến nồng độ pha tạp V vào màng TiO2 trong phương pháp đồng phún xạ này. Vì vậy chúng tôi khảo sát kỹ với nhiều phương pháp đo.
Trong phần này, chúng tôi tiến hành thí nghiệm với các thông số tạo màng sau đây được giữ nguyên: Giữ khoảng cách giữa bia - đế là 5cm, công suất phún xạ của bia Ti là 100W, góc θo giữa 2 bia là 25o, tỉ lệ khí O2:Ar là 10%, thời gian phún xạ 60 phút, áp suất ~ 3.10-3 torr, nhiệt độ đế là 200oC. Chúng tôi chỉ lần lượt thay đổi công suất phún xạ của bia V từ 20-100W.
Bảng 4.6. Các mẫu TiO2:V khảo sát theo sự thay đổi công suất phún xạ bia V.
Mẫu p (torr) Ts (oC) T (phút) O2:Ar (%) h (cm) θo I1 (A) V1 (V) P1 (W) I2 (A) V2 (V) P2 (W) M48 3x10-3 200 60 30 5 0 0.200 500 100 0 0 0 M63 3x10-3 200 60 20 5 25 0.200 500 100 0.050 400 20 M64 3x10-3 200 60 20 5 25 0.200 500 100 0.100 400 40 M65 3x10-3 200 60 20 5 25 0.200 500 100 0.150 400 60 M66 3x10-3 200 60 20 5 25 0.200 500 100 0.200 400 80 M67 3x10-3 200 60 20 5 25 0.200 500 100 0.250 400 100
Hình 4.7. Kết quả đo X-Ray của các mẫu trong Bảng 4.6.
Qua kết quả đo X-Ray cho thấy, khi nồng độ V pha tạp vào màng đủ lớn thì sẽ xuất hiện các đỉnh phổ (210) của V2O5 tại vị trí 2 theta = 28,67o , trong màng (M65, M66, M67). Tuy nhiên, như ta thấy, khi đỉnh phổ của V2O5 dần tăng thì đỉnh phổ A(101) của TiO2 tại 2 theta = 25,30olại dần bị giảm đi, chứng tỏ khi lượng tạp V pha
vào màng quá nhiều sẽ làm giảm đi cấu trúc tinh thể vốn có của TiO2 và hình thành các cấu trúc tinh thể khác V2O5dẫn đến tính chất quang xúc tác bị kém đi. Mặt khác, ta thấy ở mẫu M66 hai đỉnh phổ của TiO2 và V2O5 đều nhau và thấp, khi đó tính kết tinh tinh thể thấp nhưng bề mặt của màng có độ xốp nhất định cho nên tính quang xúc tác của màng này là tốt nhất, phù hợp với kết quả đo MB ở trên.
Chúng tôi tiếp tục so sánh kết quả trên với kết quả đo X-Ray của mẫu V1 được phún ở cùng điều kiện của mẫu M66 nhưng chỉ cấp nguồn và thế phún xạ cho bia V, bia Ti không làm việc. Chúng tôi thu được kết quả như hình 4.8.
Hình 4.8. Kết quả đo X-Ray của các mẫu V1.
Theo kết quả ở hình 4.8, chúng tôi nhận thấy khi chỉ cho bia V phún xạ, đỉnh phổ (210) của V2O5 vị trí 2 theta = 28,67o không xuất hiện trên màng. Qua đó có thể
kết luận rằng, tính chất quang xúc tác được nâng cao khi pha tạp V vào màng TiO2 là do sự thay thế và xen kẽ của V2O5 vào mạng tinh thể TiO2 tạo ra các mức bẫy diện tử làm chậm tốc độ tái hợp giữa điện tử và lỗ trống chứ không phải là do sự cộng hưởng 2 tính chất quang xúc tác riêng rẽ của tinh thể TiO2 và V2O5 với nhau.
Chúng tôi tiếp tục khảo sát tính quang xúc tác của các mẫu ở bảng 4.6 bằng phép đo góc thấm ướt và thu được kết quả như hình 4.9.
Thống kê lại kết quả, chúng tôi có được:
Bảng 4.7. Thống kê kết quả đo góc thấm ướt từ Hình 4.9.
Mẫu θ0 θ1 θ2 θ3 θ4 θ5 M48 70,6o 57,4o 49,2o 40,5o 32,1o 20,8o M63 78,2o 71,4o 64,3o 56,5o 48,6o 38,3o M64 83,2o 74,0o 66,5o 58,8o 44,5o 31,0o M65 84,3o 72,1o 60,2o 43,7o 29,1o 15,6o M66 95,3o 70,6o 41,5o 28,7o 13,3o 7,9o M67 89,4o 73,2o 59,6o 41,9o 27,2o 13,9o
Hình 4.10. Biểu đồ sự thay đổi góc thấm ướt theo thời gian chiếu UV của các mẫu trong Bảng 4.6.
So sánh hình 4.6 và hình 4.10, chúng tối thấy được sự tương đồng giữa kết quả đo MB và kết quả đo góc thấm ướt, qua đó cũng kiểm chứng lại được tính năng quang xúc tác của các mẫu. Mẫu M66 thể hiện khả năng phân hủy Metyl Blue và hiệu ứng siêu thấm ướt vượt trội so với các mẫu còn lại, mẫu đạt dến trạng thái siêu thấm ướt (θ
< 10o) chỉ sau 150 phút chiếu UV.
Tiến hành đo UV-Vis cho các mẫu ở bảng 4.6, chúng tôi thu được kết quả như sau:
Hình 4.11. Kết quả đo UV-Vis của các mẫu trong Bảng 4.6.
So với mẫu TiO2 thuần tốt nhất (M48), các mẫu có pha tạp V (M63, M64, M65, M66, M67) thể hiện được độ giảm độ rộng vùng cấm (bờ hấp thụ dịch bề vùng bước sóng dài), tuy nhiên độ giảm này chưa thật sự đáng kể. Đây sẽ là hướng đi và mục tiêu cần đạt đến của chúng tôi trong những nghiên cứu tiếp theo.
4.3. So Sánh Tính Chất Màng TiO2 Và TiO2:V.
Sau khi khảo sát màng TiO2 và TiO2:V với các điều kiện như trên, chúng tôi tiến hành so sánh tính chất của 2 màng TiO2 và TiO2:V tốt nhất mà chúng tôi chế tạo thành công.
Bảng 4.8. Mẫu TiO2 tốt nhất (M48) và TiO2:V tốt nhất (M66).
Mẫu p (torr) Ts (oC) O2:Ar (%) h (cm) θo I1 (A) V1 (V) P1 (W) I2 (A) V2 (V) P2 (W) M48 3x10-3 200 30 5 0 0.200 500 100 0 0 0 M66 3x10-3 200 20 5 25 0.200 500 100 0.200 400 80
*So sánh kết quả đo MB:
Hình 4.12. Kết quả đo của các mẫu trong Bảng 4.8.
Kết quả đo MB cho thấy rõ màng TiO2:V tốt nhất (M66) thể hiện tính phân hủy MB hơn hẳn màng TiO2 thuần tốt nhất (M48).
*So sánh kết quả đo AFM:
Hình 4.13. Kết quả đo AFM của mẫu M48. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Kết quả đo AFM cho thấy độ ghồ ghề bề mặt Rms của màng TiO2:V tốt nhất (M66) lớn MB hơn hẳn màng TiO2 thuần tốt nhất (M48).
*So sánh kết quả đo SEM.
Hình 4.15. Kết quả đo SEM của mẫu M48.
Qua kết quả đo SEM của 2 mẫu trên, ta thấy màng TiO2:V có được cấu trúc xốp, diện tích bề mặt hiệu dụng lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho khả năng quang xúc tác của màng.
Thông qua những phép so sánh vừa thực hiện, màng TiO2:V đã thể hiện tính năng quang xúc tác và hiệu ứng siêu thấm ướt vượt trội so với màng TiO2. Đây là mục tiêu chúng tôi hướng đến trong đề tài này, ngoài ra còn là cơ sở cho những nghiên cứu tiếp theo về sau.
4.4. Kiểm nghiệm độ lặp lại quang xúc tác của màng TiO2:V.
Sau nhưng khảo sát về điều khiện chế tạo trên, chúng tôi đã xác định được những thông số tốt nhất cho việc tạo màng, ở phần này, chúng tôi sẽ kiểm nghiệm lại tính quang xúc tác của màng TiO2:V bằng việc tạo 2 màng ở cùng diều kiện đó và đo tính năng quang xúc tác của chúng.
Bảng 4.9. Mẫu TiO2:V tốt nhất (M66) và 2 mẫu được chế tạo với cùng điều kiện.
Mẫu p (torr) Ts (oC) T (phút) O2:Ar (%) h (cm) θo I1 (A) V1 (V) P1 (W) I2 (A) V2 (V) P2 (W) M66 3x10-3 200 60 20 5 25 0.200 500 100 0.200 400 80 D4 3x10-3 200 60 20 5 25 0.200 500 100 0.200 400 80 K4 3x10-3 200 60 20 5 25 0.200 500 100 0.200 400 80
Hình 4.17. Kết quả đoMB của các mẫu trong Bảng 4.9.
Qua đây, chúng tôi kiểm chứng được sự lặp lại quang xúc tác của màng TiO2:V trong những điều kiện tốt nhất được thể hiện khá tốt.
Tiếp đến, chúng tôi thực hiện phép đo EDX cho những mẫu ở điều kiện tốt nhất này để xác định tỉ lệ các chất có trong màng. Cụ thể là đo EDX mẫu M66, chúng tôi thu được kết quả như sau.
Hình 4.18. Kết quả đo EDX của mẫu M66.
Bảng 4.9. Kết quả tỷ lệ các chất theo kết quả đo EDX ở Hình 4.18.
Thin Film Standardless Standard Quantitative Analysis(Oxide) Fitting Coefficient : 0.6557
Total Oxide : 24.0
Element (keV) Mass% Counts Error% Mol% Compound Mass% Cation O 40.79 Ti K (Ref.) 4.508 48.61 8536.07 2.60 90.71 TiO2 81.09 9.55 V K 4.949 10.59 1627.66 3.45 9.29 V2O5 18.91 1.96 Total 100.00 100.00 100.00 11.51
Theo kết quả đo EDX của mẫu M66 cho thấy tỷ lệ V được pha tạp vào màng khoảng 10%,.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN.
Qua khóa luận này, với mục đích là chế tạo và khảo sát tính chất quang xúc tác của màng TiO2:V, chúng tôi đã đạt được các kết quả như sau:
1. Chúng tôi đã thiết kế và thực nghiệm thành công hệ phún xạ magnetron dc đồng phún xạ.
2. Chế tạo thành công các loại màng TiO2:V có những tính chất quang xúc tác mong muốn. Kết quả tốt nhất đạt được là ở mẫu M66 với khả năng phân hủy 99% lượng MB và đạt trạng thái siêu thấm ướt chỉ sau 150 phút chiếu UV.
3. Bên cạnh đó khóa luận này cũng đóng góp một phần nhỏ về kiến thức và kinh nghiệm trong việc nghiên cứu chế tạo màng TiO2:V từ phương pháp đồng phún xạ phản ứng từ 2 bia.
*Hướng phát triển:
Với các kết quả bước đầu đạt được, chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu nhằm cải thiện thêm tính chất quang xúc tác của màng theo các thông số chế tạo khác như: chế tạo màng TiO2:V trên các loại đế khác nhau, pha tạp khí N vào màng để cải tiến tính năng quang xúc tác trong vùng khả kiến…. Đồng thời sẽ tiến tới nghiên cứu chế tạo các khả năng ứng dụng của màng trong thực tế.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt:
[1] Vũ Thị Hạnh Thu (2008), Luận văn tiến sĩ, Nghiên cứu chế tạo màng quang xúc tác.
[2] Đinh Công Trường (2010), Luận văn thạc sĩ, Nghiên cứu chế tạo màng mỏng quang xúc tác bằng phương pháp phún xạ phản ứng magnetron DC.
[3] Hoàng Thị Bích Liễu (2010), Luận văn thạc sĩ, Tổng hợp vả nghiên cứu tính chất của màng TiO2 pha tạp SnO2 ứng dụng trong các sản phẩm tự làm sạch. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
[4] Nguyễn Phạm Quốc Duy, Khóa luận tốt nghiệp, Tạo màng TCO (ZNO:V) bằng phương pháp đồng phún xạ phản ứng – Khảo sát tính chất điện và quang của màng.
[5] Lê Khắc Bình, Nguyễn Nhật Khanh, (2002), Vật lý chất rắn, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh.
[6] Lê Văn Hiếu, (2005), Vật lý điện tử, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh.
Tiếng Anh:
[7] Arturo I Martinez, Dwight R Acostal and Alcides A Lopez, (2004), Effect of deposition me thods on properties of photocatalyic TiO2 thin films prepared by spray pyrolysis and magnetron sputtering, Instituto de F’isica, UNAM, AP 20-365; 01000 M’exico DF, Mexico, J. Phys.: Condens Matter 16, S2335-S2344.
[8] Donald .L Smith, (1995), Thin film deposition-principle and practice, Mc Graw- Hill, Inc,New York San Fancisco Washinton DC, 1995.9T.
[9] Fujishima A., Rao N.T. and Tryk A.D, (2000), Titanium Dioxide Photocatalysis, Juornal of Photochemistry and Photobiology, C: Photochemistry Reviews 1, pp. 1-21.
[10] Hans Bach, Dieter Krause, (1997), Thin films on glass, Springer – Verlag Berlin Heidelberg.
[11] K.M. Parida, N.Sahu, N.R. Biswal, B. Naik, A.C. Pradhan, Prepartion, characterization, and photocatalytic activity of sulface-modified titania for
degradation of methyl orange under visible light, Colloid and materials Chemistry Department, Institue of Materials Technology (CSIR), Bhubaneswar 751 013. Orissa, Indian.
[12] Kaneko M. and Okura I. (Eds.) (2002), Photocatalysis Science and Technology, Kodansha Springer, Tokyo.
[13] Kazuhito Hashimoto, Hiroshi Irie and Akira Fujishima, (2005), TiO2
photocatalysis: A Historical Overview and Future Prospects, The Japan Society of Applied Physics.
[14] Mills A. and Le Hunt S, (1997), An Overview of Semiconductor Photocatalysis, Journal of Photochemistry and Photobiology, A:Chemistry 108, pp. 1-35.
[15] Milton Ohring, Materials Science of Thin films, Academic press, San Diego San Fancisvo New York Boston London Sydney Tokyo.
[16] Panagiotis Bouras, Elias Stathatos, Panagiotis Lianos (2007), Pure vesus metal- ion-doped nanocrystalline titania for photocatalysis, Engineering Science Depart men, University of Patras 26500 Patras, Greece Applied Catalysis B: Enrivoment 73 51-59. [17] Spurr A.R. and Myers H. (1957), Quantitative Analysis of Anatase-Rutil
Mixtures With An X-Ray Diffractometer, Hughes Research Laboratories California, pp 760-762.
[18] Yavorsky and Detlaf A, (1975), Handbook of Physics, Mir Publishers, Moscow.
[19] Lefu Mei, Kaiming Liang, Hong’ en Wang, (2007), N-dopping TiO2 thin film prepared by heat treatment in electric field, Laboratory for Advance Materials,
Department of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Bejjing 100084, China, Catalysis Communications 8 (2007) 1187-1190.