6. Bố cục của luận văn
3.4.KHẢO SÁT TÍNH CHẤT ĐIỆN HÓA VÀ QUANG ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU
CỦA VẬT LIỆU NANO MoS2
Từ các vật liệu MoS2 được chế tạo ở trên, chúng tôi bước đầu khảo sát tính chất điện hóa và quang điện hóa của chúng thông qua phép đo quét thế tuyến tính (LSV). Dung dịch điện phân (electrolyte) được sử dụng là K2HPO4 nồng độ 1M. Phổ dòng điện – điện thế được đo dưới hai chế độ: không chiếu ánh sáng và chiếu sáng bằng ánh sáng mặt trời mô phỏng của đèn Xenon với cường độ 100 mW/cm2.
Hình 3.7 thể hiện phổ mật độ dòng điện – điện thế, đo ở chế độ không chiếu sáng, của các mẫu vật liệu MoS2 được tổng hợp với các nồng độ tiền chất AM khác nhau. Có thể quan sát rằng, khi tăng nồng độ AM từ 5 mM đến 20 mM thì mật độ dòng điện của các mẫu MoS2 cũng tăng lên nhanh chóng, đạt giá trị là -25 A/cm2; -60 A/cm2 và -93 A/cm2 tại điện thế - 0,58 V, ứng với các mẫu lần lượt là M5, M10 và M20. Bên cạnh đó, điện thế mở (Voc) của các mẫu trên cũng giảm dần với các giá trị lần lượt là -0,26 V; -0,17 V và -0,08 V. Khi tăng nồng độ AM lên 30 mM thì giá trị mật độ dòng điện bị giảm xuống còn -67 A/cm2 tại điện thế - 0,58 V, trong khi đó thế mở Voc vẫn có giá trị là -0,08 V.
Hình 3.7. Phổ dòng điện – điện thế (I – V) của các mẫu vật liệu MoS2 được tổng hợp với các nồng độ AM khác nhau.
Phổ mật độ dòng quang điện – điện thế, được đo dưới sự chiếu sáng, của các mẫu vật liệu MoS2 được tổng hợp với các nồng độ tiền chất AM khác nhau được thể hiện trong hình 3.8.
Hình 3.8. (a) Phổ mật độ dòng quang điện – điện thế và (b) Giá trị mật độ dòng quang điện tại điện thế ngoài 0 V của các mẫu vật liệu MoS2 được tổng hợp với các nồng độ
AM khác nhau.
Quan sát hình 3.8(a) có thể thấy rằng, dưới sự chiếu sáng, tất cả các mẫu MoS2 đều thể hiện dòng quang điện. Tuy nhiên, giá trị dòng quang điện khá bé ở điện thế ngoài nhỏ hơn 0 V và bắt đầu tăng nhanh khi điện thế ngoài
lớn hơn 0 V. Giá trị mật độ dòng quang điện tại điến thế ngoài 0 V của các mẫu M5, M10, và M20 lần lượt là 3,2 A/cm2; 6,8 A/cm2 và 10,2
A/cm2. Có thể nhận thấy rằng, trong quá trình tổng hợp MoS2, khi tăng nồng độ tiền chất AM từ 5 mM đến 20 mM thì mật độ dòng quang điện gần như tăng tuyến tính với sự tăng nồng độ AM, như được thể hiện trong đồ thị ở hình 3.8(b). Tuy nhiên, tiếp tục tăng nồng độ AM lên đến 30 mM thì mật độ dòng quang điện lại bị giảm xuống còn 7,9 A/cm2.
Sự tăng cường giá trị mật độ dòng điện trong cả hai chế độ đo không chiếu sáng và chiếu sáng ở trên có thể là do sự đóng góp bởi hình thái bề mặt của lớp vật liệu MoS2 tổng hợp được, trong đó, nồng độ AM càng tăng thì độ dày lớp vật liệu MoS2 càng lớn và mật độ các tấm mỏng nano trong mẫu cũng càng cao, như được quan sát trong ảnh SEM của các mẫu ở hình 3.2 và 3.3. Điều này làm tăng diện tích tiếp xúc riêng của mẫu, hệ quả là làm tăng các phản ứng oxi-hóa khử giữa vật liệu với dung dịch điện phân, do đó hoạt tính điện hóa và quang điện hóa được tăng cường. Sự giảm hoạt tính điện hóa và quang điện hóa của vật liệu khi nồng độ AM khá lớn (30 mM) có thể là do sự giảm diên tích tiếp xúc riêng của mẫu và sự bám dính không tốt của mẫu với đế FTO, như được quan sát trên hình 3.2(d) và 3.3(d).
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
Trên cơ sở những kết quả nghiên cứu của đề tài, chúng tôi đưa ra một số kết luận sau:
1. Đã chế tạo được các mẫu vật liệu nano MoS2 có cấu trúc lớp dạng hai chiều bằng phương pháp thủy nhiệt. Kết quả khảo sát hình thái bề mặt bằng kĩ thuật SEM cho thấy các tấm mỏng nano (nanoflakes) hình thành đồng đều trên đế dẫn điện FTO, độ dày của lớp vật liệu khoảng từ 130 nm đến 430 nm, tùy thuộc vào nồng độ tiền chất được sử dụng.
2. Đã khảo sát cấu trúc và tính chất của vật liệu MoS2 tổng hợp được.
Kết quả nghiên cứu phổ XRD và phổ tán xạ Raman cho thấy các mẫu MoS2
có cấu trúc hexagonal ở dạng 2H-MoS2. Kết quả khảo sát tính chất hấp thụ của các mẫu vật liệu MoS2 thông qua phổ UV-Vis cho thấy mẫu vật liệu MoS2 có dạng vùng cấm thẳng, có giá trị độ rộng vùng cấm quang học được xác định cỡ 1,77 eV (đối với mẫu M10).
3. Bước đầu đã khảo sát tính chất điện hóa và quang điện hóa của các mẫu vật liệu MoS2 chế tạo được, thông qua việc nghiên cứu phổ mật độ dòng điện – điện thế đo ở chế độ không chiếu sáng và chiếu sáng. Kết quả khảo sát tính chất điện hóa cho thấy giá trị mật độ dòng điện tăng theo độ dày của mẫu, trong đó mẫu M20 có độ dày 400 nm cho giá trị mật độ dòng điện lớn nhất là -93 A/cm2 tại điện thế - 0,58 V. Bên cạnh đó, giá trị điện thế mở (Voc) cũng thể hiện giảm so với độ dày mẫu. Kết quả khảo sát tính chất quang điện hóa của các mẫu cũng thể hiện sự tăng của mật độ dòng quang điện theo độ dày mẫu, giá trị mật độ dòng quang điện lớn nhất của mẫu M20 đạt được là 10,2 A/cm2 tại điện thế 0 V.
KIẾN NGHỊ
Trên cơ sở các kết quả thu được từ nghiên cứu này, chúng tôi có một số kiến nghị sau:
1. Nghiên cứu sâu hơn về tính chất điện hóa và quang điện hóa của vật liệu thông qua một số phép đo đạc như: quét thế vòng (C-V), phổ tổng trở (EIS), phổ dòng điện – thời gian (I – t),…
2. Nghiên cứu tăng cường tính chất điện hóa và quang điện hóa của vật liệu để có thể sử dụng trong các ứng dụng như tách nước, siêu tụ điện, pin, ..
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] S. Kumar, D. D. Rodene, and R. B. Gupta (2018), “Recent advancements in semiconductor materials for photoelectrochemical water splitting for hydrogen production using visible light,” Renew. Sustain.
Energy Rev.,89, 228–248.
[2] Xu Danyun, Zhu Yuanzhi, Liu Jiapeng and et al (2016). "Microwave- assisted 1T to 2H phase reversion of MoS 2 in solution: a fast route to processable dispersions of 2H-MoS 2 nanosheets and nanocomposites". Nanotechnology. 27 (38), 385604.
[3] Samy, O.; Zeng, S.; Birowosuto, M.D.; El Moutaouakil, A. (2021), “A Review on MoS2 Properties, Synthesis, Sensing Applications and Challenges”. Crystals 2021 , 11,355.
[4] Gupta, Deepika; Chauhan, Vishnu; Kumar, Rajesh (2020). “A
comprehensive review on synthesis and applications of molybdenum disulfide (MoS2) material: Past and recent developments”. Inorganic
Chemistry Communications, 121, 108200.
[5] Huang, Yinxi; Guo, Jinhong; Kang, Yuejun; Ai, Ye; Li, Changming (2015). “Two dimensional atomically thin MoS2 nanosheets and their sensing applications”. Nanoscale, 10.1039.C5NR06144J.
[6] Liang, S. (2019), “Electrical Spin Injection and Detection in Molybdenum Disulfide Multilayer Channel”. Nat. Commun, 8, 9. [7] Tsai, Y.-C.; Li, Y. (2018), “Impact of Doping Concentration on
Electronic Properties of Transition Metal-Doped Monolayer Molybdenum Disulfide”. IEEE Trans. Electron Device 2018, 65, 733–738.
[8] Ding, Qi; Song, Bo; Xu, Ping; Jin, Song (2016). “Efficient Electrocatalytic and Photoelectrochemical Hydrogen Generation Using MoS2 and Related Compounds”. Chem, 1(5), 699–726. [9] Maeda K. (2011). “Photocatalytic water splitting using semiconductor
particles: History and recent developments”. J Photochem
Photobiol C Photochem Rev,12(4), 237–268.
[10] Liao C.-H., Huang C.-W., và Wu J.C.S. (2012). “Hydrogen Production from Semiconductor-based Photocatalysis via Water Splitting”.
Catalysts, 2(4), 490–516.
[11] Jiang C., Moniz S.J.A., Wang A. và cộng sự. (2017).
“Photoelectrochemical devices for solar water splitting – materials and challenges”. Chem Soc Rev, 46(15), 4645–4660.
[12] Saraswat S.K., Rodene D.D., và Gupta R.B. (2018). “Recent
advancements in semiconductor materials for
photoelectrochemical water splitting for hydrogen production using visible light”. Renew Sustain Energy Rev, 89, 228–248. [13] Li Y. và Zhang J.Z. (2009). “Hydrogen generation from
photoelectrochemical water splitting based on nanomaterials”.
Laser Photonics Rev, 4(4), 517–528.
[14] J. Xie, H. Zhang, S. Li and et al (2013). “Defect-Rich MoS2 Ultrathin Nanosheets with Additional Active Edge Sites for Enhanced Electrocatalytic Hydrogen Evolution”. Materials views. Adv. Mater. 2013.
[15] B. Xie, Y. Chen, M. Yu anh et al (2015). “Hydrothermal synthesis of layered molybdenum sulfide/N-doped graphene hybrid with enhanced supercapacitor performance”. Carbon, 99 (2016), 35-42.
[16] Bùi Thị Thu Hiền, Trần Thị Kim Chi, Nguyễn Tiến Thành và cộng sự (2020). “ Tính chất quang điện hóa của cấu trúc lai giữa thanh nano ZnO với một vài đơn lớp MoS2”. Tạp chí Khoa học Đại học Huế:
Khoa học Tự nhiên, 129(1C), 15-22.
[17] Pan, Qingguang; Zhang, Chi; Xiong, Yunjie; Mi, Qixi; Li, Dongdong; Zou, Liangliang; Huang, Qinghong; Zou, Zhiqing; Yang, Hui (2018). “Boosting charge separation and transfer by plasmon enhanced MoS2 /BiVO4 p-n heterojunction composite for efficient photoelectrochemical water splitting”. ACS Sustainable Chemistry & Engineering.
[18] Liu, Ying; Yu, Yu-Xiang; Zhang, Wei-De (2013). “MoS2/CdS Heterojunction with High Photoelectrochemical Activity for H2
Evolution under Visible Light: The Role of MoS2”. The Journal of
Physical Chemistry C, 117(25), 12949–12957.
[19] Pesci, Federico M.; Sokolikova, Maria S.; Grotta, Chiara; Sherrell, Peter C.; Reale, Francesco; Sharda, Kanudha; Ni, Na; Palczynski, Pawel;
Mattevi, Cecilia (2017). “MoS2/WS2 Heterojunction for
Photoelectrochemical Water Oxidation”. ACS Catalysis, 4990–4998. [20] Reimer L. (2013), “Scanning Electron Microscopy: Physics of Image
Formation and Microanalysis” .
[21] Nhiễu xạ tia X (2020). Wikipedia tiếng Việt, Địa chỉ: https//vi.wikipedia.org/wiki/Nhiễu_xạ_tia_X, [truy cập ngày 21/08/2020].
[22] A. L. Patterson (1939). “The Scherrer Formula for X-Ray Particle Size Determination”. Phys Rev, 56, 978–982.
[24] Bumbrah G.S. và Sharma R.M. (2015). “Raman spectroscopy – Basic principle, instrumentation and selected applications for the characterization of drugs of abuse”. Egypt J FORENSIC Sci. [25] Quang phổ Raman - Cơ sở phương pháp (phần 1). Địa chỉ:
https://www.biomedia.vn/review/quang-pho-raman-co-so-phuong phap.html, [truy cập ngày: 21/08/2020].
[26] Trung, Tran Nam; Seo, Dong-Bum; Quang, Nguyen Duc; Kim, Dojin; Kim, Eui-Tae (2018). “Enhanced photoelectrochemical activity in the heterostructure of vertically aligned few-layer MoS2 flakes on ZnO”.
Electrochimica Acta, 260, 150–156.[28] G.Z. Magda, J. Pető, G.
Dobrik, C. Hwang, L.P. Biró (2015). “Exfoliation of large-area transition metal chalcogenide single layers”. Nat. Publ. Gr. 5, 14714.
[27] J. Sun, X. Li, W. Guo, M. Zhao, X. Fan, Y. Dong, C. Xu, J. Deng, Y. Fu (2017). “Synthesis methods of two-dimensional MoS2: a brief review”. Crystals 7 (198), 1–11.
[28] Y. Lee, X. Zhang, W. Zhang, M. Chang, C. Lin, K. Chang, Y. Yu, J.T. Wang, C. Chang, L. Li, T. Lin (2012). “Synthesis of large-area MoS2 atomic layers with chemical vapor deposition”. Adv. Mater.
24, 2320–2325.
[29] C.B. López-Posadas, Y. Wei, W. Shen, D. Kahr, M. Hohage, L. Sun (2019). “Direct observation of the CVD growth of monolayer MoS2 using in situ optical spectroscopy”. Beilstein J. Nanotechnol. 10, 557–564.
[30] Joshua V. Pondick, John M. Woods, Jie Xing, Yu Zhou, Judy J. Cha (2018). “Stepwise sulfurization from MoO3 to MoS2 via chemical vapor deposition, ACS Appl”. Nano Mater. 10, 5655–5661.
large-area and highly crystalline MoS2 thin layers on insulating substrates”. Nano Lett. 12, 1538–1544.
[32] Y. Shi, W. Zhou, A. Lu, W. Fang, Y. Lee, A.L. Hsu van der Waals (2012). “Epitaxy of MoS2 layers using graphene as growth templates”. Nano Lett. 12, 2784–2791.
[33] S. Balendhran, J.Z. Ou, M. Bhaskaran, S. Sriram, S. Ippolito, Z. Vasic, E. Kats, S. Bhargava, S. Zhuiykov, K. Kalantar-zadeh (2012). “Atomically thin layers of MoS2 via a two step thermal evaporation– exfoliation method”. Nanoscale 4, 461–466.
[34] Y. Yu, C. Li, Y. Liu, L. Su, Y. Zhang, L. Cao (2013). “Controlled scalable synthesis of uniform, high- quality monolayer and few- layer MoS2 films”. Sci. Rep. 3, 1866.
[35] X. Feng, Q. Tang, J. Zhou, J. Fang, P. Ding, L. Sun, L. Shi (2013). “Novel mixed – solvothermal synthesis of MoS2 nanosheets with controllable morphologies”. Cryst. Res. Technol. 6, 1–6.
[36] X. Zhou, B. Xu, Z. Lin, D. Shu, L. Ma (2014). “Hydrothermal synthesis
of flower-like MoS2 nanospheres for electrochemical
supercapacitors”. J. Nanosci. Nanotechnol. 14, 7250–7254.
[37] H. Song, A. Tang, G. Xu, L. Liu, Y. Pan, M. Yin (2018). “Hydrothermal
synthesis and electrochemical properties of MoS2 /C
nanocomposite”. Int. J. Electrochem. Sci. 13, 6708–6716.
[38] H. Liao, Y. Wang, S. Zhang, Y. Qian (2001). “A solution low- temperature route to MoS2 fiber”. Chem. Mater. 13, 6–8.
[39] A.W. Maijenburg, M. Regis, A.N. Hattori, H. Tanaka, K. Choi (2014). “MoS2 nanocube structures as catalysts for electrochemical H2
Interfaces 6, 2003–2010.
[40] J. Kibsgaard, Z. Chen, B.N. Reinecke, T.F. Jaramillo (2012). “Engineering the surface structure of MoS2 to preferentially expose active edge sites for electrocatalysis”. Nat. Mater. 11, 963–969.
[41] Q. Li, E.C. Walter, W.E. Van Der Veer, B.J. Murray, J.T. Newberg, E.W. Bohannan, J.A. Switzer, J.C. Hemminger, R.M. Penner (2005). “Molybdenum disulfide nanowires and nanoribbons by electrochemical/chemical synthesis”. J. Phys. Chem. B. 109, 3169– 3182.