7. Cấu trúc của đề tài
3.4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT THUỘC TÍNH QUANG ĐIỆN HÓA
3.4.1. Ảnh hƣởng của hình thái cấu trúc vật liệu đến thuộc tính quang điện hóa tách nƣớc.
Thuộc tính quang điện hóa tách nước của những điện cực chế tạo, được đo và so sánh với các hình thái cấu trúc vật liệu khác nhau, kết quả như cho thấy trong Hình 3.9 và Hình 3.10.
Hình 3.9. Mật độ dòng quang thuộc tính PEC của cấu trúc khác nhau ZnO/CdS-Fb, ZnO/CdS-3D, ZnO/CdS/CuInS2-Fb và ZnO/CdS/CuInS2-3D.
Hình 3.9 là đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ dòng quang dưới sự chiếu sáng của đèn Xenon (cường độ 100 mAcm-2) theo thế quét tuyến tính trong mức thế từ -0,6 (V) đến 0,6 (V) và tương ứng hình 3.10 là hiệu suất chuyển đổi quang điện hóa được tính toán theo công thức trong phương trình (1.11) của 4 loại điện cực quang ZnO/CdS-Fb, ZnO/CdS-3D, ZnO/CdS/CuInS2-Fb và ZnO/CdS/CuInS2-3D cho sự so sánh. Kết quả cho thấy, tại cùng một điều kiện đo thì quang điện cực cấu trúc ZnO/CdS/CuInS2- 3D có mật độ dòng quang cao nhất và tương ứng hiệu suất chuyển đổi quang cũng là cao nhất so sánh với 3 cấu trúc còn lại. Cụ thể, hiệu suất chuyển đổi quang của điện cực ZnO/CdS/CuInS2-3D là 3,51% cao hơn 2,4; 1,8 và 1,5 lần so sánh với hiệu suất 1,46% của điện cực ZnO/CdS-Fb, 1,9% của điện cực ZnO/CdS-3D và 2,34% của điện cực ZnO/CdS/CuInS2-Fb theo thứ tự. Kết
Hình 3.10. Hiệu suất chuyển đổi quang tƣơng ứng thuộc tính PEC của cấu trúc khác nhau ZnO/CdS-Fb, ZnO/CdS-3D, ZnO/CdS/CuInS2-Fb và ZnO/CdS/CuInS2-3D.
quả đạt được là như mong đợi, cho thấy vật liệu CuInS2 là vật liệu tiềm năng để làm điện cực quang cho hiệu suất cao nhờ vào khả năng hấp thụ ánh sáng cao trong vùng nhìn thấy của phổ mặt trời (CuInS2 có khe năng lượng nhỏ 1,53 eV). Hơn thế nữa, vật liệu CuInS2 khi kết cặp với một bán dẫn liền kề như vật liệu CdS sẽ tạo ra lớp tiếp xúc p-n, nhờ đó sẽ giúp cải thiện thêm khả năng tách cặp điện tử lỗ trống và ngăn cản khả năng tái hợp điện tử trong quá trình vận chuyển đến điện cực.
3.4.2. Ảnh hƣởng của thời gian mọc CuInS2đến thuộc tính quang điện hóa
Để tìm thời gian mọc tối ưu cho hiệu suất cực đại của điện cực quang, chúng tôi tiến hành mọc thủy nhiệt CuInS2 với các khoảng thời gian thay đổi 0,5 giờ, 1 giờ và 2 giờ. Hình 3.11 là đường biểu diễn mật độ dòng quang của các điện cực ZnO/CdS/CuInS2-3D với các thời gian mọc khác nhau. Kết quả cho thấy, tại tất cả các giá trị của thế quét thì điện cực mọc trong thời gian 1 giờ cho mật độ dòng quang cao nhất. Đồng thời kết quả khảo sát hiệu suất chuyển đổi quang của các điện cực cũng chỉ ra rằng đối với điện cực ZnO/CdS/CuInS2-3D mọc trong 1 giờ cho hiệu suất cao nhất (Hình 3.12).
Sự đạt được hiệu suất cực đại tại thời gian mọc thủy nhiệt 1 giờ của cấu trúc ZnO/CdS/CuInS2-3D vẫn chưa được hiểu biết một cách chính xác, cần phải được tìm hiểu và làm nhiều thí nghiệm khác để giải thích. Tuy nhiên, có thể hiểu là do sự vượt quá kích thước nano cho hiệu ứng hấp thụ ánh sáng hiệu quả. Hơn thế nữa, sự vượt quá kích thước nano còn tạo ra hàng rào thế ngăn cản sự vận chuyển điện tử gây ra sự tái hợp điện tử hoặc bẫy điện tử làm giảm hiệu suất tách nước. Do đó, trong điều kiện thực nghiệm của luận văn thì thời gian mọc thủy nhiệt cho hiệu suất tách nước cao nhất của cấu trúc ZnO/CdS/CuInS2-3D là 1 giờ.
Hình 3.11. Mật độ dòng quang thuộc tính PEC của cấu trúc ZnO/CdS/CuInS2-3D với các thời gian mọc khác nhau.
Hình 3.12. Hiệu suất chuyển đổi quang tƣơng ứng thuộc tính PEC của cấu trúc ZnO/CdS/CuInS2 với các thời gian khác nhau.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Từ các kết quả chế tạo và khảo sát thuộc tính quang điện hóa của các điện cực quang chúng tôi rút ra một số kết luận sau:
1.Bằng phương pháp phun điện kết hợp phương pháp thủy nhiệt đã chế tạo thành công các vật liệu điện cực quang cấu trúc ZnO-Fb, ZnO-3D, ZnO/CdS-Fb, ZnO/CdS-3D, ZnO/CdS/CuInS2-Fb và ZnO/CdS/CuInS2-3D.
2.Khảo sát thuộc tính quang điện hóa tách nước của các điện cực chế tạo được. Kết quả chỉ ra rằng, điện cực quang dựa trên cấu trúc ZnO/CdS/CuInS2-3D cho hiệu suất tách nước cao nhất, hiệu suất đạt được là 3,51% với các điều kiện chế tạo là: thời gian phun điện các sợi nano ZnO là 5 phút, thời gian mọc thủy nhiệt các nhánh nano ZnO là 4 giờ, thời gian mọc CdS là 30 phút và thời gian mọc thủy nhiệt CuInS2 là 1 giờ.
Tuy chúng tôi đã cố gắng thực hiện luận văn một cách tốt nhất nhưng vẫn còn một số vấn đề cần được nghiên cứu để hoàn thiện thêm, do đó chúng tôi đề xuất một số định hướng nghiên cứu tiếp theo gồm:
-Nghiên cứu thêm ảnh hưởng của các thông số thủy nhiệt đến thuộc tính quang điện hóa tách nước của vật liệu CuInS2 như: nhiệt độ, nồng độ dung dịch, ...
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] K. Zhang and L. Guo (2013), “Metal sulphide semiconductors for photocatalytic hydrogen production,” Catal. Sci. Technol., vol. 3, no. 7, p. 1672.
[2] K. Das, S. K. Panda, S. Gorai, P. Mishra, and S. Chaudhuri (2008), “Effect of Cu/In molar ratio on the microstructural and optical properties of microcrystalline CuInS2 prepared by solvothermal route,”
Mater. Res. Bull., vol. 43, no. 10, pp. 2742–2750.
[3] J.-H. Yun, Y. H. Ng, S. Huang, G. Conibeer, and R. Amal (2011), “Wrapping the walls of n-TiO2 nanotubes with p-CuInS2 nanoparticles
using pulsed-electrodeposition for improved heterojunction
photoelectrodes,” Chem. Commun., vol. 47, no. 40, p. 11288.
[4] G. Sberveglieri, S. Groppelli, P. Nelli, A. Tintinelli, and G. Giunta (1995), “A novel method for the preparation of NH3 sensors based on ZnO-In thin films,” Sensors and Actuators B: Chemical, vol. 25, no. 1– 3. pp. 588–590.
[5] J. A. Rodriguez, T. Jirsak, J. Dvorak, S. Sambasivan, and D. Fischer (2000), “Reaction of NO2 with Zn and ZnO: Photoemission, XANES, and Density Functional Studies on the Formation of NO3,” J. Phys. Chem. B, vol. 104, no. 2, pp. 319–328.
[6] C. Chen, J. Liu, P. Liu, and B. Yu (2011), “Investigation of Photocatalytic Degradation of Methyl Orange by Using Nano-Sized ZnO Catalysts,” Advances in Chemical Engineering and Science, vol. 01, no. 01. pp. 9–14.
[7] F. Lu, W. Cai, and Y. Zhang (2008), “ZnO hierarchical micro/nanoarchitectures: Solvothermal synthesis and structurally enhanced photocatalytic performance,” Advanced Functional Materials,
vol. 18, no. 7. pp. 1047–1056.
[8] Y. Qiu, K. Yan, H. Deng, and S. Yang (2012), “Secondary branching and nitrogen doping of ZnO nanotetrapods: Building a highly active network for photoelectrochemical water splitting,” Nano Letters, vol. 12, no. 1. pp. 407–413.
[9] M. Guptaand et al. (2009), “Preparation and characterization of nanostructured ZnO thin films for photoelectrochemical splitting of water,” Bulletin of Materials Science, vol. 32, no. 1. pp. 23–30.
[10] I. S. Chronakis (1889), Chapter 16 - Micro-/Nano-Fibers by Electrospinning Technology: Processing, Properties and Applications, First Edit. Elsevier Ltd..
[11] Nguyễn Duy Phương (2006), “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát một số tính chấtcủa màng mỏng ZnO và khả năng ứng dụng của chúng.” , Luận văn tiến sĩ khoahọc, Trường ĐH Khoa học Tự nhiên Hà Nội, Hà Nội. [12] T. Olorunyolemi et al. (2004), “Thermal Conductivity of Zinc Oxide:
From Green to Sintered State,” J. Am. Ceram. Soc., vol. 85, no. 5, pp. 1249–1253.
[13] H. and Ü. Morkoç (2009), “Doping of ZnO, in Zinc Oxide,” Wiley- VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, pp. 245-275.
[14] J. G. Claus F. Klingshirn, Andreas Waag, Axel Hoffmann (2010), “Zinc Oxide: From Fundamental Properties Towards Novel Applications,” Springer Berlin Heidelberg: Berlin, Heidelberg, pp. 95–119.
[15] J. C. Fan, K. M. Sreekanth, Z. Xie, S. L. Chang, and K. V Rao (2013), “Progress in Materials Science p-Type ZnO materials : Theory , growth , properties and devices,” Prog. Mater. Sci., vol. 58, no. 6, pp. 874–985. [16] R. Article (2007), “ZnO: From basics towards applications *,” vol.
3073, no. 9, pp. 3027–3073.
1424–1447.
[18] M. Samadi, M. Zirak, A. Naseri, E. Khorashadizade, and A. Z. Moshfegh (2016), “Recent progress on doped ZnO nanostructures for visible-light photocatalysis,” New York, vol. 605, pp. 2–19.
[19] I. Ivanov and J. Pollmann (1981), “Electronic structure of ideal and relaxed surfaces of ZnO: A prototype ionic wurtzite semiconductor and its surface properties,” Phys. Rev. B, vol. 24, no. 12, pp. 7275–7296. [20] K. Kim, S. Jeong, J. Y. Woo, and C. S. Han (2012), “Successive and
large-scale synthesis of InP/ZnS quantum dots in a hybrid reactor and their application to white LEDs,” Nanotechnology, vol. 23, no. 6.
[21] S. Ma, J. Xue, Y. Zhou, and Z. Zhang (2014), “Photochemical synthesis of ZnO/Ag2O heterostructures with enhanced ultraviolet and visible photocatalytic activity,” J. Mater. Chem. A, vol. 2, no. 20, pp. 7272–7280.
[22] M. A. Contreras et al. (1999), “Progress toward 20% efficiency in Cu(In,Ga)Se2 polycrystalline thin-film solar cells,” Prog. Photovoltaics Res. Appl., vol. 7, no. 4, pp. 311–316.
[23] C. H. Henry (1980), “Limiting efficiencies of ideal single and multiple energy gap terrestrial solar cells,” J. Appl. Phys., vol. 51, no. 8, pp. 4494–4500.
[24] Yunbin He (2003), “CuInS2 Thin Films for Photovoltaic : RF Reactive Sputter Deposition and Characterization Dissertation CuInS2 Thin Films for Photovoltaic :,” Justus-Liebig-Universität Gießen.
[25] M. Ben Rabeh, M. Kanzari, and B. Rezig (2009), “Effect of zinc incorporation in CuInS2 thin films grown by vacuum evaporation method,” Acta Phys. Pol. A, vol. 115, no. 3, pp. 699–703.
characterization,” vol. 128, pp. 93–106.
[27] M. I. Alonso, K. Wakita, J. Pascual, M. Garriga, and N. Yamamoto (2001), “Optical functions and electronic structure of CuInSe2, CuGaSe2, CuInS2, and CuGaS2” Phys. Rev. B, vol. 63, no. 7, p. 075203. [28] J. A. Groenink and P. H. Janse (1987), “A Generalized Approach to the
Defect Chemistry of Ternary Compounds,” Zeitschrift für Phys. Chemie, vol. 110, no. 1, pp. 17–28.
[29] S. P. Grindle, C. W. Smith, and S. D. Mittleman (1979), “Preparation and properties of CuInS2 thin films produced by exposing sputtered Cu-In films to an H2S atmosphere,” Appl. Phys. Lett., vol. 35, no. 1, pp. 24–26.
[30] X. Liu, F. Wang, and Q. Wang (2012), “Nanostructure-based WO3
photoanodes for photoelectrochemical water splitting,” Phys. Chem. Chem. Phys., vol. 14, no. 22, pp. 7894–7911.
[31] T. Bak, J. Nowotny, M. Rekas, and C. . Sorrell (2002), “Photo- electrochemical hydrogen generation from water using solar energy. Materials-related aspects,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 27, no. 10, pp. 991–1022.
[32] S. U. M. Khan, M. Al-Shahry, and W. B. Ingler (2002), “Efficient photochemical water splitting by a chemically modified n-TiO2,”
Science (80-. )., vol. 297, no. 5590, pp. 2243–2245.
[33] T. Bak, J. Nowotny, M. Rekas, and C. . Sorrell (2002), “Photo- electrochemical hydrogen generation from water using solar energy. Materials-related aspects,” Int. J. Hydrogen Energy, vol. 27, no. 10, pp. 991–1022.
[34] L. Hu and G. Chen (2007), “Analysis of optical absorption in silicon nanowire Arrays for photovoltaic applications,” Nano Letters, vol. 7.
pp. 3249–3252.
[35] C. A. Grimes (2007), “Synthesis and application of highly ordered arrays of TiO2 nanotubes,” J. Mater. Chem., vol. 17, no. 15, pp. 1451– 1457.
[36] G. K. Mor, K. Shankar, M. Paulose, O. K. Varghese, and C. A. Grimes (2005), “Enhanced photocleavage of water using titania nanotube arrays,” Nano Letters, vol. 5, no. 1. pp. 191–195.
[37] H. Nh, M. Vương, V. Nghĩa, and M. Thủ (2017), “CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU THUỘC TÍNH QUANG ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU CdS/ZnO CẤU TRÚC NANO PHÂN NHÁNH BA CHIỀU,” pp. 456– 460.
[38] I. S. Cho et al. (2011), “Branched TiO2 nanorods for photoelectrochemical hydrogen production,” Nano Letters, vol. 11, no. 11. pp. 4978–4984.
[39] M. Mapa and C. S. Gopinath (2009), “Combustion Synthesis of Triangular and Multifunctional ZnO 1− x N x ( x ≤ 0.15) Materials,”
Chem. Mater., vol. 21, no. 2, pp. 351–359.
[40] N. Chouhan, C. L. Yeh, S.-F. Hu, R.-S. Liu, W.-S. Chang, and K.-H. Chen (2011), “Photocatalytic CdSe QDs-decorated ZnO nanotubes: an effective photoelectrode for splitting water,” Chem. Commun., vol. 47, no. 12, p. 3493.
[41] Y.-X. Yu, W.-X. Ouyang, Z.-T. Liao, B.-B. Du, and W.-D. Zhang (2014), “Construction of ZnO/ZnS/CdS/CuInS2 Core–Shell Nanowire Arrays via Ion Exchange: p–n Junction Photoanode with Enhanced Photoelectrochemical Activity under Visible Light,” ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 6, no. 11, pp. 8467–8474.
[42] Y. Choi, M. Beak, and K. Yong (2014), “Solar-driven hydrogen evolution using a CuInS2/CdS/ZnO heterostructure nanowire array as an efficient photoanode,” Nanoscale, vol. 6, no. 15, p. 8914.
[43] X. Zou, H. Fan, Y. Tian, and S. Yan (2014), “Synthesis of Cu2O/ZnO hetero-nanorod arrays with enhanced visible light-driven photocatalytic activity,” CrystEngComm, vol. 16, no. 6, pp. 1149–1156.