CHƢƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.5. Nghiên cứu tính chất quang xúc tác của màng TiO2 và TiO2 pha
3.5.5. Sự phụ thuộc của cường độ dòng quang theo pha tạp
Như vấn đề đã nêu trong phần mở đầu, do độ rộng vùng cấm của màng TiO2 lớn nên chúng tôi muốn pha tạp các vật liệu khác với mục đích thu hẹp độ rộng vùng cấm hay giảm năng lượng kích hoạt tức là mở rộng vùng ánh sáng kích thích. Do đó, chúng tơi đã tiến hành pha tạp V vào vật liệu màng TiO2. Ở đây chúng tôi so sánh khả năng quang xúc tác của màng TiO2 và màng TiO2 pha tạp bằng việc so sánh cường độ dòng quang của hai màng này trong phép đo quang điện hóa với hai loại ánh sáng là bóng đèn cao áp thủy ngân và bóng đèn cao áp thủy ngân bị chặn tấm kính.
a. Đối với bóng đèn cao áp thủy ngân
Trên hình 3.16 cho thấy sự phụ thuộc của cường độ dòng quang vào thế dưới ánh sáng bóng đèn cao áp thủy ngân của hai màng TiO2 tinh khiết và màng TiO2 pha tạp. Đường a cho biết sự phụ thuộc cường độ dòng quang vào thế đối với màng
TiO2. Đường b cho biết sự phụ thuộc cường độ dòng quang vào thế đối với màng
TiO2 pha tạp.
Nhìn vào hình 3.16 ta thấy cường độ dòng quang của màng pha tạp lớn hơn cường độ dòng quang của màng tinh khiết. Chứng tỏ lượng electron nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn đối với màng pha tạp nhiều hơn đối với màng tinh khiết. Do đó cường độ dịng quang đối với màng pha tạp lớn hơn đối với màng tinh khiết khi chiếu cùng một loại ánh sáng là bóng đèn cao áp thủy ngân. Cường độ dòng quang tại thế 0.1 V đối với màng pha tạp là 1.015 mA, đối với màng tinh khiết là 0.29 mA. Tức là cường độ dòng quang khi pha tạp lớn gấp 3.5 lần so với khi không pha tạp. Điều này do đối với màng TiO2 tinh khiết chủ yếu hấp thụ ánh sáng vùng tử ngoại, cịn với màng TiO2 pha tạp thì vùng ánh sáng hấp thụ được mở rộng nên nhận được nhiều năng lượng hơn dẫn đến lượng electron dẫn lớn hơn và cường độ dòng quang lớn hơn.
-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0 200 I( A ) U(V) a.TiO2 b. TiO2-V a b
Hình 3.16: Sự thay đổi cường độ dòng quang theo sự pha tạp với ánh sáng chiếu cả trong vùng tử ngoại và trong vùng ánh sáng nhìn thấy.
Vậy đối với ánh sáng chiếu là vùng ánh sáng dưới hồng ngoại thì cường độ dòng quang của màng pha tạp lớn gấp 3.5 lần cường độ dòng quang đối với màng tinh khiết.
b. Đối với bóng đèn cao áp thủy ngân bị chắn kính
Lặp lại thí nghiệm tương tự như phần a nhưng ta chặn một tấm thủy tinh vào đường đi ánh sáng của bóng đèn cao áp thủy ngân nhằm hạn chế vùng ánh sáng tử ngoại để chứng minh khả năng quang xúc tác của màng pha tạp trong vùng ánh sáng nhìn thấy. Trên hình 3.17 cho thấy sự phụ thuộc của cường độ dịng quang vào thế khi chiếu ánh sáng nhìn thấy đối với màng TiO2 và màng TiO2 pha tạp. Đường a cho biết sự phụ thuộc cường độ dòng quang vào thế đối với màng TiO2. Đường b
cho biết sự phụ thuộc cường độ dòng quang vào thế đối với màng TiO2 pha tạp. Nhìn vào hình 3.17 ta thấy cường độ dịng quang của màng pha tạp khi được chiếu ánh sáng nhìn thấy lớn hơn nhiều so với màng tinh khiết. Tại thế là 0.1 V cường độ dòng quang của màng pha tạp và tinh khiết được tính lần lượt là 0.86 mA và 0.08 mA. Tức là cường độ dòng quang của màng pha tạp lớn hơn 10 lần so với màng tinh khiết khi được chiếu ánh sáng nhìn thấy. Chứng tỏ màng pha tạp có khả năng
-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0 200 I( A ) U(V) a. TiO2 b. TiO2-V a b
Hình 3.17: Sự thay đổi cường độ dòng quang theo sự pha tạp với ánh sáng chiếu là vùng ánh sáng nhìn thấy.
Khi chiếu cả hai loại ánh sáng là bóng đèn có chặn tấm kính và khơng chặn tấm kính đối với màng tinh khiết và pha tạp ta đều thấy cường độ dòng quang của màng pha tạp luôn lớn hơn cường độ dịng quang của màng tinh khiết. Từ đó ta thấy được tính hiệu quả của việc mở rộng vùng ánh sáng kích thích với màng pha tạp mà khơng cần sử dụng đến vùng ánh sáng có bước sóng ngắn như ánh sáng tử ngoại. Tuy nhiên, cường độ dòng quang của màng pha tạp lơn hơn nhiều hay ít so với cường độ dòng quang của màng tinh khiết cịn phụ thuộc vào khoảng cách từ bóng đèn đến điện cực được chiếu sáng mà chúng tôi đang tiến hành trong các nghiên cứu tiếp theo.
KẾT LUẬN
Trong thời gian nghiên cứu Luận văn, chúng tôi đã thu được một số kết quả sau:
Chế tạo thành công màng TiO2 và TiO2:x%V (x = 5, 10) kết tinh đơn pha anatase được chế tạo thành công bằng phương pháp sol-gel, kỹ thuật nhúng phủ thực hiện ở nhiệt độ phịng và sấy khơ ở 60o
C trong 10 phút sau mỗi lớp và nung ở 500oC trong 1h.
Khi nghiên cứu về khả năng quang xúc tác của màng TiO2 chúng tôi đã làm sáng tỏ được bản chất của quá trình quang xúc tác. Khi có ánh sáng thì xuất hiện dịng quang tăng lên do lượng electron nhận được năng lượng kích thích chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và trở thành electron dẫn tăng, khi tắt ánh sáng kích thích lượng electron trên vùng dẫn không được cấp thêm và một phần electron trên vùng dẫn tái hợp với các lỗ trống trong vùng hóa trị nên làm giảm cường độ dịng quang. Bên cạnh đó, chúng tơi cịn so sánh được khả năng quang xúc tác của màng có pha tạp và không pha tạp trong các ánh sáng khác nhau thơng qua cường độ dịng quang. Cường độ dòng quang của màng pha tạp lớn hơn 3.5 lần so với màng tinh khiết khi chiếu ánh sáng nằm trong cả vùng tử ngoại và ánh sáng nhìn thấy do vùng ánh sáng hấp thụ của màng pha tạp lớn hơn của màng tinh khiết. Hay năng lượng để kích hoạt đối với màng pha tạp nhỏ hơn đối với màng tinh khiết nên khi chiếu cùng một loại ánh sáng thì cường độ dịng quang của màng pha tạp ln lớn hơn cường độ dịng quang của màng tinh khiết. Cường độ dòng quang của màng pha tạp lớn hơn 10 lần so với màng tinh khiết khi chiếu ánh sáng bị chặn tấm kính thủy tinh. Do tấm thủy tinh hấp thụ gần hết vùng ánh sáng tử ngoại là vùng hấp thụ chủ yếu của màng TiO2.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Phần tiếng việt
[1] Nguyễn Thị Hằng, “Chế tạo và nghiên cứu tính chất nhạy khí của màng TiO2
và TiO2:Cu2+”, Luận văn tốt nghiệp.
[2] Nguyễn Văn Hiếu, “Chế tạo màng mỏng TiO2, TiO2:Fe bằng phương pháp sol-gel và nghiên cứu một số tính chất của màng”, Khoá luận tốt nghiệp
(2004).
[3] Trần Thị Huệ, “Chế tạo và nghiên cứu tính nhạy khí của TiO2, TiO2 pha tạp Co dưới dạng màng mỏng”, Luận văn thạc sĩ khoa học vật lý (2007).
[4] Nguyễn Văn Hùng, “Vật lý và công nghệ màng mỏng”. [5] Phùng Hồ, Phan Quốc Phô “Vật liệu bán dẫn”
[6] Nguyễn Thế Khôi, “Tính chất quang học của vật rắn”
[7] Lâm Văn Năng, “Chế tạo và nghiên cứu một số tính chất của màng mỏng TiO2, TiO2: Co2+ và TiO2: Er3+”, Luận văn thạc sĩ khoa học vật lý (2005).
[8] Đặng Thị Thanh Lê, Đặng Đức Vượng, Nguyễn Văn Duy, Nguyễn Văn Hiếu, Nguyễn Đức Chiến, “Chế tạo và nghiên cứu tính nhạy khí của các vật liệu nano
TiO2 và SnO2”, Trung tâm nghiên cứu khoa học công nghệ và vật liệu quốc tế
(ITIMS).
Phần tiếng anh
[9]Xiangxin Yang, B. Sc., University of Petroleum, Beijing, China, 1998 H. Berger, H. Tang, F. Kevy, J. Cryt. Growth, Sol-gel synthesized nanomaterials for
environmental applications 130 (1993) 108.
[10] Akira. Fujishima, K. Hashimoto. T. Natanabe (1996)
TiO2 Photocatalysis Fundamentals and Application.
[11] Tran Quoc Tuan, Nguyen Van Son, Nguyen Hoang Luong, Bui Thu Thuy, Nguyen Thi Van Anh, Nguyen Dinh Hoa, Nguyen Hoang Hai
Preparation and properties of silver nanoparticles loaded in activated carbon for biological andenvironmental applications.
[12] Amy L. Linsebigler, Guangquan Lu and John T. Yates, “Photocatalysis on TiO2 Surfaces: Principles, Mechanisms, and Selected Results”, Chem. Rev. (735-
758), 1995.
[13] A. J. Maira, K. L. Yeung, J. Soria, J. M. Coronado, C. Belver, C. Y. Lee and V. Augugliaro. “Gas-phase photo-oxidation of toluene using nanometer-size TiO2
catalysts” Applied Catalysis B: Environmental, Volume 29, Issue 4, 12 February 2001, Pages 327-336.
[14] Ulrike Diebold, “The surface science of titanium dioxide”, Surface Science
Report, Volume 48, Issues 5-8 (53-229) (2003).
[15] C. J. Brinker and G. W. Scherer, Sol-Gel Science, “The Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing”, New York, Academic Press, 1990.
[16] H. Schmidt, M. Mennig - Institut für Neue Materialien, Saarbrücken, Germany) “Wet Coating Technologies for Glass”, November 2000.
[17] Autolab Application Note EC08 Basic overview of the working principle of a potentiostat/galvanostat (PGSTAT) – Electrochemical cell setup
[18] M.A. Rauf⁎, M.A. Meetani, S. Hisaindee
An overview on the photocatalytic degradation of azo dyes in the presence of TiO2 doped with selective transition metals
[19] GUPTA Shipra Mital & TRIPATHI Manoj
A review of TiO2 nanoparticles
[20] Hoffmann M R, Martin S T, Choi W, et al. Environmental applications of semiconductor photocatalysis. Chem Rev, 1995, 95: 69–96
[21] Limmer S J, Chou T P, Cao G Z. A study on the growth of TiO2 nanorods using sol electrophoresis. J Mat Sci, 2004, 39: 895–901
[22] Asmussen R M, Tian M, Chen A. A new approach to wastewater remediation
based on bifunctional electrodes. Environ Sci Technol, 2009, 43: 5100–5105
[23] Yanqing Cong, Hyun S. Park, Hoang X. Dang, Fu-Ren F. Fan, Allen J. Bard, and C. Buddie Mullins Tantalum Cobalt Nitride Photocatalysts for Water Oxidation under Visible Light
[24]Yanfeng Gao, Yoshitake Masuda, Zifei Peng, Tetsu Yonezawa and Kunihito Koumoto Room temperature deposition of a TiO2thin film from aqueous peroxotitanate solution
[25] Haw-Yeu Chuang, Dong-Hwang Chen
Fabrication and photoelectrochemical study of Ag@TiO2 nanoparticle thin film electrode
[26] K.S. Raja, M. Misra, V.K. Mahajan, T. Gandhi, P. Pillai, S.K. Mohapatr
Photo-electrochemical hydrogen generation using band-gap modified nanotubular titanium oxide in solar light