4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.3.3. Cơ chế truyền điện tích trong cấu trúc CdS/Au/TiO2
Song và cộng sự giải thích cơ chế truyền điện tích từ CdS đến TiO2 khi bị kích thích trong cấu trúc CdS/Au/TiO2 gồm 2 nguyên nhân chủ yếu sau:
Một là, CdS có độ rộng vùng cấm nhỏ sẽ tạo ra cặp quang điện tích khi bị kích thích trong vùng khả kiến ( > 450 nm). Mặt khác, vị trí thấp nhất mức năng lƣợng vùng dẫn của nó cũng cao hơn so với TiO2, do đó sẽ làm rất thuận lợi cho quá trình truyền electron từ CdS đến TiO2.
Hai là, vai trò của Au rất quan trong trong cấu trúc này. Khi bị kích thích bởi ánh sáng có bƣớc sóng > 450 nm, Au đóng vai nhƣ môi trƣờng truyền điện tích từ CdS đến TiO2 vì nó là kim loại. Điều này làm giảm sự tái hợp cặp điện tử - lỗ trống trên bề mặt CdS khi bị kích thích. Hay nói cách khác Au lúc này đóng vai trò nhƣ một "công tắc" một chiều, chỉ cho điện tử đi theo chiều CdS Au TiO2 điện cực.
Khi bị kích thích bởi ánh sáng có bƣớc sóng < 450 nm, do CdS không hấp thụ vùng ánh sáng này, nên các photon đến bề mặt Au tạo nên hiện tƣởng
cộng hƣởng plasmon bề mặt. Quá trình SPR này cung cấp các electron "nóng" tại nơi tiếp xúc Au/TiO2.
Chính hai lý do này làm tăng cƣờng hiệu ứng quang điện hóa của cấu trúc CdS/Au/TiO2. Toàn bộ quá trình này đƣợc mô tả trong hình 3.8.
Hình 3.8. Cơ chế truyền điện tích trong cấu trúc CdS/Au/TiO2 theo Song
Tuy nhiên, nếu lớp CdS quá dày (thời gian thủy nhiệt tăng) làm tăng các khuyết tật trên bề mặt Au. Các khuyết tật trên bề mặt các hạt Au có thể thành các tâm tái hợp, điều này làm tăng sự tái hợp cặp điện tử lỗ trống. Lúc này làm giảm tính quang điện hóa của vật liệu.
Đối với cấu trúc Au/CdS/TiO2 do lớp Au đã hấp thụ và tán xạ hầu hết các photon ánh sáng truyền tới nên làm cho tính quang điện hóa cấu trúc này có thuộc tính quang điện hóa thấp hơn so với cấu trúc Au/CdS/TiO2. Do đó, trong điều kiện thực nghiệm của luận văn thì thời gian mọc CdS tối ƣu cho hiệu suất tách nƣớc cao nhất của cấu trúc CdS/Au/TiO2 là 3 giờ.
KẾT LUẬN CHUNG
KẾT LUẬN
Chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang điện hóa tách nƣớc của cấu trúc CdS/Au/TiO2 nano sợi mọc trên đế ITO tại các thời gian thủy nhiệt CdS khác nhau và đạt đƣợc các kết quả nhƣ sau:
Phân tích ảnh SEM kết quả cho thấy chúng tôi đã đính thành công các hạt nano Au trên nền vật liệu TiO2 có cấu trúc nano sợi chiều bằng phƣơng pháp hóa lý và mọc trực tiếp các hạt tinh thể nano CdS trên nền cấu trúc vật liệu Au/TiO2 bằng phƣơng pháp thủy nhiệt phòng tại phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn Trƣờng ĐH Quy Nhơn.
Kết quả XRD cho thấy cấu trúc TiO2/Au/CdS tồn tại 3 pha anatase của TiO2, pha lập phƣơng tâm mặt của Au và pha lục giác của CdS.
Kết quả phân tích phổ hấp thụ UV-Vis cho thấy vật liệu CdS/Au/ TiO2 ngoài hai bờ hấp thụ tại hai bƣớc sóng 385 nm và 500 nm, một đỉnh hấp thụ mạnh đƣợc quan sát ở tại 600 nm là do hiện cộng hƣởng Plasmon bề mặt (SPR) của các hạt nano Au.
Kết quả khảo sát thuộc tính quang điện hóa tách nƣớc cho thấy rằng, dƣới bức xạ của ánh sáng đèn Xenon (150W) cƣờng độ sáng I = 100 mWcm-2 thì cấu trúc CdS/Au/TiO2 cho mật độ dòng quang khá cao 7,11 mA/cm-2
, cao hơn gấp lần so mật độ dòng của cấu trúc Au/CdS/TiO2 với thời gian mọc CdS là 3 giờ. Kết quả tăng cƣờng mật độ dòng quang của cấu trúc CdS/Au/TiO2 là của hai lý do: Thứ nhất, các hạt nano Au nằm trung gian giữa CdS và TiO2 tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền điện tử trung gian, do đó giảm khả năng tái hợp các cặp điện tử - lỗ trống, đồng thời tạo ra đƣợc nhiều điện tử tham gia vào quá trình dẫn. Thứ hai là, nhờ hiệu ứng plasmon bề mặt của các hạt nano Au, dƣới bức xạ ánh sáng nhìn thấy các hạt nano vàng hấp
thụ ánh sáng và phun ra các điện tử nóng đóng góp vào quá trình sinh ra dòng quang.
KIẾN NGHỊ
- Nghiên cứu thêm ảnh hƣởng của một số kim loại quí nhƣ Pt, Ru,... lên tính chất quang điện hóa của vật liệu CdS/TiO2.
- Khảo sát thêm một số tính chất của cấu trúc này nhƣ hoạt tính quang xúc tác, sensor,...
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. K. Song, X. Wang, Q. Xiang, and J. Xu, “Weakened negative effect of Au/TiO2 photocatalytic activity by CdS quantum dots deposited under UV-vis light illumination at different intensity ratios,” Phys. Chem.
Chem. Phys., vol. 18, no. 42, pp. 29131–29138, 2016.
[2]. A. Kumar, R. Jose, K. Fujihara, J. Wang, and S. Ramakrishna (2007), “Structural and optical properties of electrospun TiO2 nanofibers,” Chemistry of Materials, vol. 19, no. 26, pp. 6536–6542.
[3]. F. Xu, J. Mei, M. Zheng, D. Bai, D. Wu, Z. Gao, and K. Jiang (2017), “Au nanoparticles modified branched TiO2 nanorod array arranged with ultrathin nanorods for enhanced photoelectrochemical water splitting,” Journal of Alloys and Compounds, vol. 693, pp. 1124–1132.
[4]. J. Fang, L. Xu, Z. Zhang, Y. Yuan, S. Cao, Z. Wang, L. Yin, Y. Liao, and C. Xue (2013), “Au@TiO2-CdS ternary nanostructures for efficient visible-light-driven hydrogen generation,” ACS Applied Materials and Interfaces, vol. 5, no. 16, pp. 8088–8092.
[5]. J. Li, S. K. Cushing, P. Zheng, T. Senty, F. Meng, A. D. Bristow, A. Manivannan, and N. Wu (2014), “Solar hydrogen generation by a CdS-Au-TiO2 sandwich nanorod array enhanced with au nanoparticle as electron relay and plasmonic photosensitizer,” Journal of the American Chemical Society, vol. 136, no. 23, pp. 8438–8449.
[6]. N. V. H. Ngô Sỹ Lƣơng, Nguyễn Văn Tiến, “Nghiên cứu quy trình điều chế titan đioxit kích thƣớc nanomet từ tinh quặng ilmenit Hà Tĩnh bằng axit sunfuric. 1. Khảo sát quy trình nghiền và phân hủy quặng Hà Tĩnh bằng axit sunfuric quy mô phòng thí nghiệm”, pp. 145–149.
[7]. L. K. Long (2011), “Ứng dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ nghiên cứu cấu trúc, tính chất và hoạt tính xúc tác quang của bề mặt TiO2 rutile, bề mặt khuyết tật và bề mặt biến tính,” pp. 163–167.
[8]. N. Đ. Nghĩa (2007), “Hóa học nano – Công nghệ nền và vật liệu nguồn”, NXB Khoa học tự nhiên và Công nghệ, Hà Nội.
[9]. T. M. T. Trần Mạnh Trí (2006), “Các quá trình oxi hóa cao trong xử lý nƣớc và nƣớc thải”, NXB khoa học Kỹ thuật.
[10].T. Rutil (2012), “Tính chất và hoạt tính xúc tác quang của bề mặt”, vol. 50, no. 2, pp. 163–167.
[11].T. M. T. Trần Mạnh Trí (2006), "Các quá trình oxi hóa cao trong xử lý
nước và nước thải".
[12].B. O`Regan, “M. Gratzel,” no. Nature, p. 353.
[13].A. Kumar, R. Jose, K. Fujihara, J. Wang, and S. Ramakrishna (2007), “Structural and Optical Properties of Electrospun TiO2 Nanofibers,”
Chem.Mater., vol. 19, no. 26, pp. 6536–6542.
[14].C. yi Wang, J. Rabani, D. W. Bahnemann, and J. K. Dohrmann (2002), “Photonic efficiency and quantum yield of formaldehyde formation from methanol in the presence of various TiO2photocatalysts,” J.
Photochem.Photobiol. A Chem., vol. 148, no. 1–3, pp. 169–176.
[15].L. Ge, M. Xu, M. Sun, and H. Fang (2006), “Low-temperature synthesis of photocatalytic TiO2 thin film from aqueous anatase precursor sols,”
J. Sol-Gel Sci. Technol, vol. 38, no. 1, pp. 47–53.
[16].B. Li, X. Wang, M. Yan and L. Li (2002), “Preparation and characterization of nano-TiO2 powder,” Mater. Chem. Phys., vol. 78, pp. 184–188.
[17].O. K. Varghese and C. A. Grimes (2008), “Appropriate strategies for determining the photoconversion efficiency of water photoelectrolysis
cells: A review with examples using titania nanotube array photoanodes,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 92, no. 4, pp. 374–384. [18].R. R. Bacsa and J. Kiwi (1998), “Effect of rutile phase on the photocatalytic properties of nanocrystalline titania during the degradation of p-coumaric acid,” Appl. Catal. B Environ., vol. 16, no. 1, pp. 19–29.
[19].X. Meng, X. Feng, Z. Li, and Y. Zhang (2012), “Fabrication of Novel Poly ( Ethylene Terephthalate )/ TiO2 Nanofibers by Electrospin- ning and their Photocatalytic Activity ( a ) ( b )”, Curr. Nanosci, vol. 8, no. 1, pp. 3–6.
[20].G. K. Mor, K. Shankar, M. Paulose, O. K. Varghese, and C. A. Grimes (2005), “Enhanced photocleavage of water using titania nanotube arrays,” Nano Lett., vol. 5, no. 1, pp. 191–195.
[21].K. Fujihara, A. Kumar, R. Jose, S. Ramakrishna, and S. Uchida (2007), “Spray deposition of electrospun TiO2 nanorods for dye-sensitized solar cell,” Nanotechnology, vol. 18, no. 36, pp. 2–7.
[22].S. J. A. Moniz, S. A. Shevlin, D. J. Martin, Z. X. Guo, and J. Tang (2015), “Visible-light driven heterojunction photocatalysts for water splitting-a critical review,” Energy Environ. Sci., vol. 8, no. 3, pp. 731–759.
[23].D. F. S. (Faculty A. Mike Schmotzer (Grad Student) (2004), “Photocatalytic Degradation of Organics,” Dep. Chem. Enviroment
Eng.Univ. Arizona.
[24].L. Hu and G. Chen (2007), “Analysis of optical absorption in silicon nanowire Arrays for photovoltaic applications,” Nano Lett., vol. 7, pp. 3249–3252.
[25].J. Li et al.(2012), “Electrospinning Synthesis and Photocatalytic Activity of Mesoporous TiO 2 Nanofibers,” Sci. World J., vol. 2012, no. April 2012,1–7.
[26].Q. Zhang, C. S. Dandeneau, X. Zhou, and G. Cao (2009), “ZnO Nanostructures for Dye-Sensitized Solar Cells,” Adv. Mater., vol. 21, no. 41, pp. 4087–4108.
[27].S. C. Bianca Caratão, Edgar Carneiro, Pedro Sá, Bernardo Almeida (2014), “„Properties of Electrospun TiO2 Nanofibers”, J.
Nanotechnol..
[28].S. Chandrasekaran et al. (2018), “Spinel photocatalysts for environmental remediation, hydrogen generation, CO2 reduction and photoelectrochemical water splitting” J. Mater. Chem. A.
[29].A. Tanaka, K. Hashimoto, and H. Kominami (2017), “A very simple method for the preparation of Au/TiO2 plasmonic photocatalysts working under irradiation of visible light in the range of 600–700 nm,” Chem. Commun., vol. 53, no. 35, pp. 4759–4762.
[30].F. A. A. Tanaka, A. Ogino, M. Iwaki, K. Hashimoto, A. Ohnuma and B. O. and H. Kominami (2012), “Langmuir,” pp. 28, 13105.
[31].W. C. and D. W. B. M. R. Hoffmann, S. T. Martin (1995), “Chem. Rev.”, 95, 69.
[32].K. A. and Y. T. R. Asahi, T. Morikawa, T. Ohwaki (2001), “Science,” pp. 293, 269.
[33].T. M. and T. Ohno, M. Akiyoshi, T. Umebayashi, K. Asai and M. Matsumura (2004), “Appl. Catal., A,” pp. 265, 115.
[34].T. I. R. Konta and H. Kato and A. Kudo (2004), “J. Phys. Chem. B,” pp. 108, 8992.
[35].F. A. A. Tanaka, A. Ogino, M. Iwaki, K. Hashimoto, A. Ohnuma and B. Ohtani and H. Kominami (2012), “Langmuir”, pp. 28, 13105.
[36].P. He, M. Zhang, D. Yang, and J. Yang (2006), “Preparation of Au- loaded TiO2 by photochemical deposition and ozone photocatalytic decomposition,” Surf. Rev. Lett., vol. 13, no. 1, pp. 51–55.
[37].R. van de K. M. Grätzel (2012), Photoelectrochemical Hydrogen
Production.
[38].K. Z. Yahya (2010), “Characterization of Pure and dopant TiO2 thin films for gas sensors applications,” no. June, p. 147.
[39].C. A. Grimes (2007), “Synthesis and application of highly ordered arrays of TiO2 nanotubes”, J. Mater. Chem., vol. 17, no. 15, p. 1451.
[40].H. Wang, Y. Bai, H. Zhang, Z. Zhang, J. Li, and L. Guo (2010), “CdS Quantum Dots-Sensitized TiO2 Nanorod Array on Transparent Conductive Glass Photoelectrodes,” J. Phys. Chem. C, vol. 114, no. 39, pp. 16451– 16455.
[41].S. C. W. E. Thimsen, F.L. Formal, M. Grätzel (2011), “, Influence of plasmonic Au nanoparticles on the photoactivity of Fe2O3 electrodes for water splitting, Nano Lett.11,” p. 35.
[42].Y. F. Z. X.J. Bai, R.L. Zong, C.X. Li, D. Liu, Y.F. Liu (2014) “Enhancement of visible photocatalytic activity via AgC3N4 core- shell plasmonic composite”, Appl. Catal. B Environ. 147, p. 82.
[43].X. C. and S. S-Mao (2007), “Titanium Dioxide Nano materials: synthesis, properties, Mocldications, and Application”, Chem.Rev, vol. 107, pp. 2891–2959.
[44].F. Xu et al. (2017), “Au nanoparticles modified branched TiO2 nanorod array arranged with ultrathin nanorods for enhanced photoelectrochemical water splitting”, J. Alloys Compd., vol. 693, pp. 1124–1132.
[45].P. Kubelka and F. Munk (1931), “Ein Beitrag zur Optik der
Farbanstriche”, Zeitschrift für Tech. Phys., vol. 12, pp. 593–601.
[46].S. Valencia, J. M. Marin, and G. Restrepo (2010), “Study of the Bandgap of Synthesized Titanium Dioxide Nanoparticules Using the Sol-Gel Method and a Hydrothermal Treatment” Open Mater. Sci. J., vol. 4, no. 2, pp. 9–14.
[47].M. Zukalova et al. (2010), “Facile conversion of electrospun TiO2 into titanium nitride/oxynitride fibers,” Chem. Mater., vol. 22, no. 13, pp. 4045–4055.
[48].J. G. H. X.Y. Xu, B. Feng, G. Zhou, Z.J. Bao, “Efficient photon harvesting and charge collection in 3D porous RGO-TiO2 photoanode for solar water splitting”, Mater Design 101 95.
[49].H. Wang, T. You, W. Shi, J. Li, and L. Guo (2012), “Au /TiO2/Au as a Plasmonic Coupling Photocatalyst,” J. Phys. Chem. C, vol. 116, no. 10, pp. 2–6.