T ỔNG QUAN
2.5 Khảo sát ứng dụng điện sắc
2.5.1 Hoá chất và thiết bị
a)Hoá chất
Bảng 2.4: Danh mục các hoá chất sử dụng trong thí nghiệm khảo sát tính chất điện sắc của vật liệu.
Tiền chất Loại chất Công thức hoá học Hãng sản xuất
N,N-Dimethylformamide
(DMF) Dung môi C3H7NO GHTECH
Propylene Carbonate (PC) Muối C4H6O3 Sigma Lithium perchlorate Chất điện ly LiClO4 Sigma
Nước cất hai lần Dung môi H2O
Ethanol Dung môi C2H5OH Xilong Acetone Dung môi C3H6O Xilong
b)Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm
Bảng 2.5: Danh mục các thiết bị và dụng cụ thí nghiệm được sử dụng trong thí nghiệm khảo sát tính chất điện sắc của vật liệu Ag@WO3.
Thiết bị thí nghiệm
Tên Thông số kỹ thuật Mã thiết bị Hãng sản xuất
Nguồn một chiều 0 – 30 V 0 – 5 A
QJ3005XE QJE
Nguồn xung AFG-2225 GWINSTEK Máy quang phổ UV-Vis Jasco
Máy rung siêu âm
Dụng cụ thí nghiệm
Tên Thông số kỹ thuật Hãng sản xuất
Đũa thuỷ tinh
Kính tráng lớp dẫn điện ITO Kích thước:50 mm x 8 mm Điện trở: 70 Ohm Cuvet thạch anh Băng dính đồng
Điện cực Graphite Ngòi chì Trung Quốc
Đầu côn 10 μL Trung Quốc Micropipete 1 –10 μL DLAB
2.5.2 Khảo sát tính chất điện sắc
Quá trình khảo sát ứng dụng điện sắc của các hệ mẫu đã chế tạo được tiến hành như sau:
Bước 1: Chế tạo kính điện sắc:
34 bột được phân tán vào dung dịch DMF với nồng độ 30 mg/ml, sau đó phân tán bằng máy rung siêu âm trong 30 phút. Dung dịch sau khi phân tán được phủ lên kính ITO đã được rửa sạch bằng dung dịch acetone, cồn và nước cất. Mỗi lớp màng điện sắc được phủ bằng một lượng 5 μL dung dịch điện sắc kể trên. Sau mỗi lần phủ, kính được sấy ở khoảng 80ºC trong 1 phút để loại bỏ dung môi DMF. Quy trình phủđược lặp lại 10 lần.
Sau khi phủxong, kính điện sắc được ủ nhiệt ở 100ºC trong 2 giờđể loại bỏ hoàn toàn DMF và ổn định lớp màng.
Hình 2.10: Bố trí thí nghiệm khảo sát tính chất điện sắc.
Bước 2: Khảo sát tính chất điện sắc của màng
Sau khi hoàn tất quy trình phủ kính, thí nghiệm được tiến hành như bố trí trong Hình 2.10. Khoảng cách giữa kính điện sắc và điện cực graphite là 8 mm. Các mức điện áp làm việc thay đổi từ 2 – 4 V. Sự thay đổi về độ truyền qua của kính được xác định bằng phép đo phổ truyền qua UV-Vis trong dải bước sóng từ 350 đến 900 nm.
35
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Các tính chất lý hoá của vật liệu
3.1.1 Hình thái vật liệu
a)Hệ mẫu chế tạo ở 120ºC
Hình 3.1 là các ảnh FESEM với độphóng đại 100.000 lần của các mẫu bột được chế tạo ở 120ºC. Ảnh FESEM của mẫu thuần (mẫu T120-00, Hình 3.1a) cho thấy mẫu thuần có hình thái dạng các cấu trúc các khối vật liệu vỡ vụn. Các khối này có đường kính không đồng đều, cỡ khoảng vài chục đến vài trăm nano mét.
Hình 3.1: Ảnh FESEM của các mẫu chế tạo ở 120ºC: (a) T120-00, (b) T120-03, (c) T120-05, (d) T120-10 và (e) T120-15.
Với các mẫu tổ hợp với AgNO3, các cạnh của các khối kể trên không còn có thể quan sát rõ ràng (Hình 3.1b-d). Cụ thể, mẫu T120-03 (Hình 3.1b) có thể quan sát các đám vật liệu bám lên bề mặt các khối nano. Các đám vật liệu này giống như sự vỡ vụn của các khối kể trên. Khi hàm lượng bạc trong mẫu tăng lên đến 5%, hình
36 thái mẫu T120-05 xuất hiện nhiều các đám hạt nano (Hình 3.1c), tuy nhiên vẫn có thể quan sát thấy sự tồn tại của các hình thái khối nano ở mẫu T120-10 (Hình 3.1d). Khi lượng bạc trong mẫu càng tăng lên, có thể quan sát thấy các đám hạt nano trong mẫu trởnên đồng đều hơn, khiến cho hình thái bề mặt của mẫu có dạng giống như bề mặt bông cải (broccoli-like), đặc biệt là mẫu T120-15 (Hình 3.1e).
b)Hệ mẫu chế tạo ở 150ºC
Với hệ mẫu chế tạo ở 150ºC, hình thái thu được có dạng thanh nano rõ ràng (Hình 3.2). Ở mẫu T150-00, có thể quan sát thấy mẫu chứa các thanh nano ngắn, có kích thước khoảng 100 nm, xen lẫn với các đám vật liệu có kích thước lớn, cỡ vài trăm nanomet (Hình 3.2a).
Hình 3.2: Ảnh FESEM của các mẫu chế tạo ở 150ºC: (a) T150-00, (b) T150-03, (c) T150-05, (d) T150-10 và (e) T150-15.
Khi tổ hợp với bạc, có thể quan sát thấy một phần các thanh nano ngắn kể trên sắp xếp lại và bó lại với nhau, hình thành nên các bó nano nằm xen kẽ với các hạt nano bị kết đám trong mẫu (mẫu T150-03 - Hình 3.2b). Xu hướng này
37 tiếp tục xảy ra khi hàm lượng bạc trong mẫu tăng lên 5 và 10%, tương ứng với mẫu T150-05 và T150-10, như biểu diễn trong Hình 3.2c-d). Khi lượng bạc trong mẫu tăng lên đến 15% (T150-15), có thểquan sát được khối vật liệu dạng thanh nano xếp chặt với các cạnh bên khá sắc nét, với kích thước không đồng đều (Hình 3.2e). Tuy nhiên, vẫn có thểquan sát được sự tồn tại của các đám hạt nano xen kẽ với các khối kể trên.
c)Hệ mẫu chế tạo ở 180ºC
Hình thái bề mặt của hệ mẫu chế tạo ở điều kiện 180ºC được biểu diễn thông qua ảnh FESEM với độ phóng đại 100.000 lần (Hình 3.3). Hình 3.3a cho thấy hình thái của mẫu thuần T180-00 là các bó nano đường kính cỡ vài trăm nanomet do các thanh nano kết đám lại.
Hình 3.3: Ảnh FESEM của các mẫu chế tạo ở 180ºC: (a) T180-00, (b) T180-03, (c) T180-05, (d) T180-10 và (e) T180-15.
Đối với các mẫu có sự có mặt của bạc, vẫn có thể hình thái dạng bó nano nhưng bắt đầu xuất hiện sự gãy vụn và hình thành các bó nano có kích thước
38 nhỏ hơn, khoảng 40–50 nm – đối với mẫu T180-05 (Hình 3.3c). Số lượng các bó nano với kích thước nhỏ tăng lên khi lượng bạc trong mẫu tăng lên, đồng thời cũng có xu hướng đồng đều hơn (như mô tả trong Hình 3.3c-e).
d)Nhận xét
Từ các kết quả khảo sát trên, có thể thấy rõ ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ bạc đến hình thái bề mặt của vật liệu. Bạc trong mẫu có vai trò như chất hoạt động bề mặt, ngăn cản sự kết tụ của mầm tinh thể, khiến cho các mẫu có nồng độ bạc càng cao thì kích thước các dạng hình thái càng nhỏvà có xu hướng đồng đều hơn. Bên cạnh đó, có thể quan sát thấy rằng nhiệt độ của phản ứng nhiệt thuỷ phân cũng ảnh hưởng đến sự phát triển của mầm tinh thể. Tức là khi tăng nhiệt độ nhiệt thuỷ phân, vật liệu có xu hướng phát triển theo định hướng của mặt ưu tiên, dẫn đến sự hình thành vật liệu có cấu trúc dạng bó nano thay vì hình thái hạt nano kết đám. Các kết quả sẽđược bàn luận tiếp trong phần phân tích kết quả XRD.
e) Phổ tán sắc năng lượng EDX
Hình 3.4: (a) Ảnh SEM chụp bề mặt vùng khảo sát; (b-d) ảnh quét thể hiện sự phân bố của các nguyên tố W, O, và Ag trong mẫu T180-05.
Để khẳng định sự tồn tại của Ag trong mẫu và khảo sát sự phân bố của bạc trên mẫu, phép đo phổ tán sắc năng lượng (EDX) được sử dụng. Hình 3.4 cung cấp thông tin về phân bố nguyên tố trong mẫu T180-05 với diện tích khảo sát là 26×20μm2. Từ kết quả khảo sát EDX cho thấy nguyên tố bạc phân bốđều trong mẫu. Các kết quảtương tự cũng thu được ở các mẫu tổ hợp bạc khác. Phần trăm khối lượng Ag trong các mẫu tính được tính toán từ các kết quả khảo sát ba điểm
39 bất kỳ và lấy giá trịtrung bình được trình bày trong Bảng 3.1. Theo đó, có thể thấy rằng hàm lượng bạc trong mẫu nhỏhơn so với giá trị lý thuyết. Điều này được giải thích là do hiệu suất của quá trình tổng hợp vật liệu bạc với WO3 [70].
Bảng 3.1: Phần trăm khối lượng bạc lai hoá và % khối lượng bạc trung bình thực tế trong các mẫu chế tạo ở 180ºC
Mẫu T180-05 T180-10 T180-15 Lý thuyết (%) 5 10 15
Thực tế (%) 3,18 5,88 8,17
3.1.2 Cấu trúc tinh thể
Để phân tích các thông tin về cấu trúc tinh thể của vật liệu, các mẫu được tiến hành khảo sát nhiễu xạ tia X. Kết quả XRD thu được sau đó sẽ được xử lý bằng phần mềm Highscore Plus.
Hình 3.5: Giản đồ nhiễu xạ XRD của các hệ mẫu tổng hợp ở các nhiệt độ khác nhau: (a) 120ºC, (b) 150ºC và (c) 180ºC.
Hình 3.5a, b và c biểu diễn giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của các mẫu bột chế tạo tương ứng ở 120, 150 và 180ºC. Kết quả nhiễu xạ tia X cho thấy các hệ mẫu đều có cùng cấu trúc tinh thể là cấu trúc hexagonal WO3 tương ứng với thẻ chuẩn ICDD 01-075-2187 với các thông số cấu trúc là a=7,298 Å, b=7,298 Å, c=3,899 Å, α = β = 90⁰, và γ=120⁰. Trong giản đồ XRD không xuất hiện tín hiệu pha khác của WO3 hay tạp chất. Trong các mẫu tổ hợp với bạc, tín hiệu XRD của bạc hay các hợp chất của bạc không thu được. Điều này được giải thích là do lượng bạc trong mẫu tổ hợp rất nhỏ hoặc bạc trong mẫu thu được có tính tinh thể kém nên tín hiệu rất nhỏ so với tín hiệu của WO3 [71].
40
Bảng 3.2: Vị trí các đỉnh nhiễu xạ của mặt tinh thể (001) và (200) của các mẫu chế tạo
Mặt tinh thể (001) (200) Nhiệt độ chế tạo (ºC) 120 150 180 120 150 180 Nồng độ bạc tổ hợp (%) 0 22,86 22,78 22,76 28,18 28,11 28,12 2θ (º) 3 22,82 22,81 22,86 28,11 28,11 28,16 5 22,88 22,81 22,81 28,13 28,08 28,06 10 22,88 22,87 22,80 28,09 28,05 28,04 15 22,92 22,89 22,82 28,07 28,07 28,02 Dựa vào kết quả XRD của hệ mẫu 120ºC (Hình 3.5a), có thể thấy rằng tính tinh thể của các mẫu giảm dần khi lượng bạc tiền chất tăng lên, kết quả này phù hợp với những kết quảtươngứng quan sát được ởảnh FESEM của hệ mẫu. Tuy nhiên, ở hệ mẫu chế tạo ở điều kiện 150ºC (Hình 3.5b), tính tinh thể của hệ mẫu tăng dần khi nồng độ bạc tiền chất tăng lên đến 5 % (tức là mẫu T150-05), rồi sau đó giảm khi lượng bạc tiếp tục tăng (T150-10 và T150-15). Hình 3.5c mô tả giản đồ nhiễu xạ của các mẫu chế tạo ở 180ºC, có thể thấy rằng mẫu T180-00 thể hiện độ tinh thể cao nhất, tuy nhiên, khi so sánh riêng biệt các mẫu có sự có mặt của bạc, thì có thể thấy rằng, tính tinh thể của các mẫu tăng dần khi hàm lượng bạc trong mẫu tăng lên. Bên cạnh đó, khi quan sát đến cực đại nhiễu xạđặc trưng của mặt (001) và (200) trong giản đồ XRD, có một sự dịch đỉnh nhẹ về vùng góc nhiễu xạ lớn hơn (đối với mặt (001)), và về vùng góc nhiễu xạ nhỏ hơn (đối với mặt (200)) khi lượng bạc tổ hợp trong mẫu tăng lên (Bảng 3.2). Từ các kết quả nhiễu xạ tia X, có thể kết luận rằng sự có mặt của bạc đã ảnh hưởng đến sự hình thành và phát triển của mầm tinh thể.
Bảng 3.3: Kích thước tinh thể trung bình và ứng suất tính toán được dựa trên kết quả XRD bằng phương pháp Williamson – Hall của các hệ mẫu
T120-00 T120-03 T120-05 T120-10 T120-15 Kích thước tinh thể trung bình (nm) 25,1 15,6 19,8 18,1 18,3 Ứng suất (%) 0,4 0,4 0,8 0,3 0,6 T150-00 T150-03 T150-05 T150-10 T150-15 Kích thước tinh thể trung bình (nm) 23,1 22,6 24,6 23,9 17,9 Ứng suất (%) 0,4 0,1 0,1 0,3 0,2 T180-00 T180-03 T180-05 T180-10 T180-15 Kích thước tinh thể trung bình (nm) 31,9 18,2 20,5 18,1 17,6 Ứng suất (%) 0,5 0,4 0,8 0,4 0,3
Các tính chất tinh thể của các mẫu được phân tích sâu hơn bằng cách sử dụng phương pháp Williamson – Hall (PT 3.1) [72].
41 0,9 cos 2 sin d = + PT 3.1
Trong đó, là bề rộng bán đỉnh tương ứng của đỉnh nhiễu xạở vị trí 2,
là góc nhiễu xạ, là bước sóng tia X, là ứng suất và d là kích thước tinh thể trung bình. Kích thước tinh thể và ứng suất của các mẫu được tính toán thông qua đồ thị cos theosin . Các giá trị tính toán được của các mẫu được trình bày trong Bảng 3.3. Kết quả cho thấy sự có mặt của bạc ảnh hưởng đến kích thước tinh thể của vật liệu WO3. Kích thước tinh thể của các mẫu thể hiện xu hướng giảm khi tổ hợp 3 % bạc và tăng nhẹ trở lại ở mẫu tổ hợp 5 %, sau đó giảm dần khi nồng độ bạc tăng lên 10 và 15 %. Mẫu T180-00 cho thấy kích thước tinh thể lớn nhất trong tất cả các mẫu (31,9 nm) cho thấy ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo đển vật liệu. Các mẫu tổ hợp 15 % đều có kích thước khoảng 18 nm. Đồng thời, các hệ mẫu đều cho giá trịứng suất thay đổi nhỏhơn 1 %, tức là việc tổ hợp với bạc không làm biến đổi về cấu trúc tinh thể của vật liệu nền WO3. Điều này có thể giải thích là do kích thước của ion bạc lớn hơn rất nhiều ion W6+, nên bạc không thểđi vào mạng tinh thểvà làm thay đổi cấu trúc tinh thể của vật liệu [73].
Hình 3.6: Xu hướng của kích thước tinh thể trung bình và ứng suất theo nồng độ bạc trong mẫu tổ hợp.
Qua các kết quả phân tích nhiễu xạ tia X, có thể thấy rõ ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt thuỷ phân và nồng độ của bạc đến cấu trúc tinh thể của mẫu, đồng thời có thể xem bạc như một tác nhân đóng vai trò như chất hoạt động bề mặt trong quá trình tổng hợp.
3.1.3 Kết quả tán xạ Raman
Để khảo sát sựtương tác giữa bạc và WO3 được nghiên cứu kỹhơn thông qua phổ Raman. Phổ tán xạ Raman của các hệ mẫu đã chế tạo được biểu diễn trong Hình 3.7. Phổ Raman của các mẫu đều có cùng dáng điệu của pha tinh thể hexagonal của WO3 và chia thành ba vùng dao động chính: vùng 1 có số sóng nhỏ hơn 400 cm-1, vùng 2 có số sóng nằm trong khoảng từ 600 – 900 cm-1, và vùng 3 bao gồm các dải phổ có số sóng lớn hơn 900 cm-1.
Vùng có số sóng nhỏhơn 400 cm-1 gồm 2 dải phổ yếu và rộng nằm ở vị trí khoảng 243 và 324 cm-1
, lần lượt đặc trưng cho dao động uốn cong liên kết W-O-W của oxy góc [74]. Vùng số sóng từ 600 – 900 cm-1 xuất hiện đỉnh đặc trưng nằm ở
42 vị trí ~ 665, ~812 cm-1 và một vai đỉnh ở khoảng 757 cm-1. Trong đó, hai đỉnh nằm ở vi trí ~812 và 665 cm-1tươngứng với dao động kéo dãn của O–W–O, đặc trưng cho các dao động trong pha tinh thể hexagonal của WO3 [71]. Trong vùng phổ thứ 3, xuất hiện một dải phổ nằm trong khoảng từ 925 – 965 cm-1, các dao động này gắn liền với liên kết -W=O của WO3, dải phổnày thường đặc trưng cho sự khuyết oxy trên bề mặt vật liệu [59].
Bảng 3.4: Vị trí đỉnh dao động của liên kết (-O-W-O-) và (-W=O) trong các mẫu chế tạo
Dao động O-W-O -W=O
Nhiệt độ chế tạo (ºC) 120 150 180 120 150 180 Nồng độ bạc tổ hợp (%) 0 812 812 810 931 930 928 Số sóng (cm-1) 3 812 811 810 931 926 925 5 808 810 809 938 920 925 10 807 808 808 925 915 924 15 805 806 807 923 924 919
Hình 3.7: Phổ tán xạ Raman của các hệ mẫu chế tạo ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau: (a) 120ºC, (b) 150ºC và (c) 180ºC.
Bên cạnh đó, trong toàn bộ mẫu, có thểquan sát được rằng khi nồng độ bạc trong mẫu tăng lên, dải phổ trong vùng lớn hơn 900 cm-1 bị thu nhỏ lại thành một đỉnh nằm ở vị trí ~ 924 cm-1. Đồng thời, đỉnh dao động ở khoảng 812 cm-1 bị dịch nhẹ về cùng có số sóng nhỏ hơn(~805 - 807 cm-1) (Bảng 3.4). Các dao động bị dịch về vùng có số sóng nhỏhơn đồng nghĩa với sự dài ra của các liên kết O-W- O và -W=O. Những kết quả này một lần nữa khẳng định tương tác giữa bạc và WO3 trong mẫu không chỉđơn thuần là tổ hợp vật lý giữa hai loại vật liệu.
43
3.1.4 Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)
Phổ FTIR là một công cụ hữu ích trong phân tích các vật liệu tổ hợp/lai hoá. Phổ FTIR của các mẫu thuần (T120-00, T150-00, và T180-00) và mẫu tổ hợp 10 %