6. Bố cục của luận văn
1.1.4.Một số ứng dụng của vật liệu MoS2
1.1.4.1. Ứng dụng điện tử
Trái ngược với Graphene, một trong những điểm đặc biệt hứa hẹn chính của MoS2 là vùng cấm của nó có giá trị khác 0. MoS2 hoạt động như một chất bán dẫn và nó hiệu quả đối với các thiết bị logic và điện tử vì độ dẫn điện của nó có thể bị thay đổi. Ngoài ra, phần lớn MoS2 có vùng cấm xiên được biến đổi thành một vùng cấm thẳng ở kích thước nano. Điều này gợi ý rằng đơn lớp MoS2 được tìm thấy ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử. MoS2 cũng có thể sử dụng các FET kênh ngắn và các thiết bị điện tử công suất thấp do cấu trúc 2D của nó cung cấp khả năng kiểm soát bản chất tĩnh điện của vật liệu. FET là phần cơ bản nhất của các thiết bị điện tử mới nhất. Công nghệ bán dẫn được phát triển; đặc biệt là kỹ thuật in thạch bản có thể làm giảm kích thước transistor trong phạm vi vài nanomet. Bên cạnh đó, sử dụng vật liệu MoS2 cho ứng dụng FET cũng có các ưu điểm như chuyển mạch nhanh, tiêu thụ điện năng thấp và giảm chi phí nhưng kích thước kênh dưới 14 nm. Để chế tạo các thiết bị có kích thước nano và để tránh hiệu ứng kênh ngắn, điều cần thiết là phải khám phá các vật liệu kênh mỏng hơn cũng như các vật liệu ôxít làm điện cực cổng mỏng hơn.
Đơn lớp của MoS2 có độ rộng vùng cấm thẳng là 1,8 eV nên thích hợp để làm vật liệu cho chuyển đổi các thiết bị nano [4].
1.1.4.2. Ứng dụng cảm biến
Các ứng dụng của MoS2 trong cảm biến có thể được chia làm bốn loại chính: cảm biến sinh học, cảm biến khí, cảm biến chỉ số khúc xạ và cảm biến quang (bộ tách sóng quang). Mỗi ứng dụng bao gồm các loại cảm biến khác nhau, ví dụ, cảm biến sinh học bao gồm cảm biến điện hóa, cảm biến dựa trên FET, cảm biến cộng hưởng plasmon bề mặt và quang học (SPR: Surface Plasmon Resonance). Cả hai cảm biến khí và bộ tách sóng quang là cảm biến
dựa trên FET. Cảm biến điện hóa đang được nghiên cứu gần đây siêu nhạy, và MoS2 cho thấy các đặc tính phát hiện điện hóa nhạy khi kết hợp với các vật liệu khác khi xảy ra sự thay đổi đáng chú ý về trở kháng điện hóa. Kỹ thuật này được sử dụng để phát hiện mầm bệnh thực phẩm. Dựa trên đặc tính huỳnh quang, dập tắt huỳnh quang và phục hồi huỳnh quang của MoS2, có thể ứng dụng trong cảm biến sinh học, cảm biến quang học, … [3]. Tính chất của MoS2 được sử dụng trong một số loại cảm biến được tóm tắt trong bảng dưới đây:
Bảng 1.1. Tóm tắt các ứng dụng cảm biến.
Thể loại Ứng dụng Tính chất của MoS2
Quang điện tử Chụp ảnh
(Bộ tách sóng quang)
Tính chất điện tử và quang học
Đặc điểm nhận dạng và IoT Cảm biến hình ảnh Tính chất quang học
Y học (cảm biến sinh học)
Phát hiện ung thư Nhận diện DNA
Nhận diện axit amin Cảm biến miễn dịch
PL
Lỗ nano MoS2, đặc tính làm nguội thuốc nhuộm Lỗ nano MoS2
Tính chất điện hóa và quang học
1.1.4.3. Siêu tụ điện
Siêu tụ điện có thể lưu trữ năng lượng cao với giới hạn điện áp thấp. So với pin thông thường, siêu tụ điện có thể lưu trữ năng lượng nhiều hơn từ 10 đến 100 lần trên một đơn vị thể tích. Trái ngược với pin có thể sạc lại, siêu tụ điện có thể chịu được nhiều chu kỳ sạc và xả. Các siêu tụ điện có nhiều đặc điểm hứa hẹn như điện dung riêng (SC: Specific Capacitance), mật độ công suất cao, ổn định ở nhiều chu kỳ và nhiệt độ làm việc đạt được. Siêu tụ điện giải quyết các vấn đề tồn tại của pin nhiên liệu, pin và tụ điện. Dựa trên cơ
chế truyền ion giữa chất điện phân và điện cực, cơ chế lưu trữ năng lượng của siêu tụ điện chủ yếu được chia thành ba loại tụ điện hai lớp điện hóa (EDLC), tụ điện giả và siêu tụ điện lai.
MoS2 cũng thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu khi khám phá cách sử dụng của nó trong các ứng dụng siêu tụ điện. Wang và các cộng sự đã điều chế các hạt nano MoS2 rỗng sử dụng phương pháp thủy nhiệt. Điện cực MoS2
đã được sử dụng như một siêu tụ điện và dung dịch KCl 1 M được điện phân ở 0,59 Ag-1 tạo ra siêu tụ điện có điện dung là 142 Fg-1. Sau 1000 chu kỳ, nó duy trì 92,9% điện dung ban đầu. Gao và cộng sự đã tổng hợp các tấm mỏng nano MoS2 thông qua phương pháp thủy nhiệt với sự trợ giúp của SiO2 ở dạng khuôn mẫu. Điện phân dung dịch KOH 2 M ở 1 Ag-1 tạo ra siêu điện dung là 683 Fg-1 và sau 10.000 chu kỳ, nó duy trì 85,1% điện dung ban đầu [4].
1.1.4.4. Xúc tác
Mỗi năm, một lượng lớn khí tổng hợp còn được gọi là (Syngas) được tạo ra bằng cách biến đổi các loại nguồn hydrocacbon khác nhau để sử dụng trong quá trình tạo ra hydro như một sản phẩm phản ứng để tạo ra nhiên liệu cho các nhà máy điện và cũng để tạo thành hóa dầu.
So với công nghệ phát điện thông thường, pin nhiên liệu oxyt rắn được coi là một ứng cử viên hiệu quả vì hiệu suất chuyển đổi cao hơn. Syngas có thể được sử dụng làm nhiên liệu trong pin nhiên liệu oxyt rắn (SOFC). Syngas có hai phần dễ cháy chính là CO và H2, tham gia vào các phản ứng này.
CO + 1
2 O2 = CO2 (1) H2 + 1
2 O2 = H2O (2)
Trong quá trình chuyển hóa hydrocacbon, nitơ và lưu huỳnh các thành phần của tài nguyên cũng được chuyển hóa và CO chuyển hóa thành CO2. Do
đó khí tổng hợp chưa qua xử lý có thành phần chính là H2 và CO với thành phần nhỏ là H2S và CO2 và các hợp chất của nitơ. Phạm vi nồng độ H2S chủ yếu được tìm thấy trong khoảng vài nghìn ppm đến vài trăm ppm. Nhược điểm chính của H2S trong hệ thống SOFC là nó ăn mòn các thành phần khác nhau của nó và chất xúc tác điện cực dương như Pt và Ni bị nhiễm độc.
MoS2 ở dạng khối thể hiện cấu trúc nhiều lớp. Xúc tác MoS2 đã được điều chế ở dạng cấu trúc có độ xốp cao và diện tích bề mặt lớn. MoS2 đã được sử dụng như một chất xúc tác làm điện cực dương trong SOFC. MoS2 thể hiện hoạt tính xúc tác tốt cho quá trình chuyển hóa H2S và H2 trong SOFC nhưng cho thấy hiệu suất kém trong quá trình chuyển hóa CO. Xu và cộng sự [8] đã chứng minh hiệu quả của chất xúc tác MoS2 được biến tính bằng chất xúc tác nano Au trong việc chuyển hóa CO và H2 trong SOFC bằng cách quan sát hiệu suất của pin nhiên liệu. Các hạt nano Au được hỗ trợ với MoS2 cho thấy khả năng xúc tác tuyệt vời đối với CO.
Hydro được coi là nhiên liệu trong tương lai được sản xuất từ hydrocacbon. Phản ứng tiến hóa hydro (HER) đòi hỏi chất xúc tác nâng cao hiệu suất của các quá trình điện hóa đáng kể. Kim loại nhóm Pt được coi là chất xúc tác điện có triển vọng nhất đối với HER nhưng thách thức đối với các nhà nghiên cứu là thu được chất xúc tác HER có hoạt tính cao và ít chi phí hơn. Đối với quá trình hydro hóa lưu huỳnh, MoS2 là một vật liệu thích hợp đã được các nhà khoa học khám phá.
Tách nước quang điện hóa (PEC) dựa trên năng lượng mặt trời chuyển đổi trực tiếp năng lượng mặt trời thu hoạch để thúc đẩy quá trình tách nước và được coi là một trong những cách tiếp cận hứa hẹn nhất để lưu trữ năng lượng mặt trời trực tiếp dưới dạng nhiên liệu hydro. Với hệ thống quang điện-điện phân hoặc hệ thống PEC tích hợp kết hợp hệ thống thu sáng với hệ thống tách nước trong một thiết bị duy nhất. Khi được thiết kế và tối ưu hóa phù hợp, các
hệ thống PEC tích hợp để tách nước trực tiếp tại giao diện bán dẫn có thể tiết kiệm hơn và đạt được hiệu quả tốt hơn và do đó hấp dẫn hơn. Năm 1998, Khaselev và Turner đã chứng minh một thiết bị tách nước PEC hiệu quả cao sử dụng thiết kế quang điện PEC nguyên khối tích hợp của các tế bào trạng thái rắn song song, bao gồm một tế bào đáy GaAs và một tế bào trên cùng GaInP2 và Pt làm chất xúc tác HER. Hiệu suất sản xuất hydro là 12,4% được chứng minh là tiêu chuẩn cho hiệu suất PEC, nhưng hệ thống này sử dụng chất bán dẫn và chất xúc tác đắt tiền và không ổn định lắm [8].
Hình 1.4. Sơ đồ của sự tách nước [8]