Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang xúc tác của vật liệu nano tổ hợp CuO/ZnO

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

TRỊNH ĐỨC THÀNH GIANG

CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG

XÚC TÁC CỦA VẬT LIỆU NANO TỔ HỢP CuO/ZnO

Chuyên ngành: Quang học

Mã số: 8440110

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN ĐẮC DIỆN

THÁI NGUYEN - 2022

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tác giả dưới

sự hướng dẫn khoa học của TS Nguyễn Đắc Diện và chưa từng được ai khác

công bố.

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học

TS. Nguyễn Đắc Diện

Tác giả luận văn

Trịnh Đức Thành Giang

ii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin được tỏ lòng cảm ơn chân thành nhất tới các thầy cô

tại Viện Khoa học và Công nghệ, Trường Đại học Khoa học, Đại học Thái

Nguyên đã trang bị kiến thức cho em trong hai năm học tập và nghiên cứu.

Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo

trường Đại học khoa học Thái Nguyên và các cán bộ nhân viên phòng thí nghiệm

đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ em thực hiện luận văn thạc sĩ này.

Em xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám hiệu trường THPT Đào Duy Từ

Thái Nguyên đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ em thực hiện luận văn.

Cuối cùng em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Đắc Diện

– người thầy đã giao đề tài và hướng dẫn em thực hiện luận văn này. Em

cũng xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Vũ Xuân Hòa và TS. Phạm Thị Thu Hà

đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn. Dù đã rất cố gắng trong quá trình thực

hiện luận văn này, nhưng do còn hạn chế về mặt năng lực, thời gian nên chắc

chắn không tránh khỏi những thiếu sót cần bổ sung, sửa chữa. Vì vậy em rất

mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của quý thầy cô để luận văn thạc sĩ của

em được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN................................................................................................i

LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................ii

MỤC LỤC .........................................................................................................iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT...............................................................v

DANH MỤC CÁCD BẢNG.............................................................................vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.........................................................................vii

MỞ ĐẦU.............................................................................................................1

1. Lý do chọn đề tài .............................................................................................1

2. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................2

3. Nội dung nghiên cứu .......................................................................................2

4. Các kết quả chính của luận văn .......................................................................2

5. Kết cấu luận văn ..............................................................................................2

Chƣơng 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT.........................................................4

1.1. Tính chất và ứng dụng của vật liệu nano......................................................4

1.2. Lịch sử phát triển của quang xúc tác ............................................................5

1.3. Các phương pháp vật lý và hóa học chế tạo các cấu trúc nano....................6

1.3.1. Phương pháp sol-gel..................................................................................6

1.3.2. Phương pháp thủy nhiệt.............................................................................7

1.4. Tình hình nghiên cứu trong nước về vật liệu quang xúc tác ........................8

1.5. Tình hình nghiên cứu trên thế giới về vật liệu quang xúc tác ....................11

1.6. Cơ chế của hiện tượng quang xúc tác.........................................................13

1.6.1. Khái niệm.................................................................................................13

1.6.2. Vùng hóa trị - vùng dẫn, năng lượng vùng cấm......................................14

1.6.3. Cặp electron - lỗ trống quang sinh...........................................................14

1.6.4. Cơ chế phản ứng quang xúc tác...............................................................15

1.7. Ứng dụng của vật liệu nano ZnO trong quang xúc tác...............................17

1.7.1. Cấu trúc vật liệu ZnO ..............................................................................17

1.7.2. Các tính chất của vật liệu ZnO ................................................................17

1.7.3. Vật liệu nano ZnO trong quang xúc tác ..................................................19

1.8. Ứng dụng của vật liệu nano CuO trong quang xúc tác ..............................20

1.8.1. Cấu trúc của vật liệu CuO .......................................................................20

iv

1.8.2. Tính chất quang của vật liệu CuO...........................................................21

1.8.2. Vật liệu CuO trong xúc tác quang ...........................................................21

1.9. Các vật liệu tổ hợp nano ứng dụng trong quang xúc tác ............................23

Chƣơng 2. THỰC NGHIỆM ..........................................................................25

2.1. Chế tạo vật liệu nano ZnO bằng phương pháp sol-gel...............................25

2.2. Chế tạo vật liệu nano CuO bằng phương pháp thủy nhiệt .........................25

2.3. Chế tạo tổ hợp vật liệu nano ZnO/CuO......................................................25

2.4. Các phương pháp khảo sát tính chất của vật liệu .......................................25

2.4.1. Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)................................................26

2.4.2. Phép đo phổ hấp thụ ................................................................................27

2.4.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)........................................................29

2.4.4. Phổ tán sắc năng lượng (EDS) ................................................................30

2.5. Khảo sát khả năng phân hủy MB dưới ánh sáng kích thích.......................31

Chƣơng 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN......................................................33

3.1. Kết quả chế tạo vật liệu CuO, ZnO, CuO/ZnO ..........................................33

3.1.1. Ảnh SEM .................................................................................................33

3.1.2. Cấu trúc vật liệu và thành phần hoá học .................................................34

3.1.3. Phổ hấp thụ ..............................................................................................37

3.2. Tính chất quang xúc tác của vật liệu nano CuO thuần và ZnO thuần........40

3.3. Tính chất quang xúc tác của tổ hợp CuO/ZnO với các tỉ lệ khác nhau......42

KẾT LUẬN.......................................................................................................47

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................49

v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

STT Viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

1 AOP Advanced Oxidation Progress Quá trình oxi hóa tiên tiến

2 BLED Blue Light Emitting Diode ánh sáng LED xanh lục

3 CB Conduction Band Vùng dẫn

4 CNT Carbon nanotube Ống nano cacbon

5 EDS Energy Dispersive X-ray

Spectroscopy

Phổ tán sắc năng lượng

tia X

6 FEG field-emission gun súng phát xạ trường

7 FWHM Full Width at Half Maximum bề rộng đỉnh ở nửa cực

đại

8 GO Graphene oxide graphene oxit

9 JCPDS Joint Committee on Powder

Diffraction Standards

Tiêu chuẩn nhiễu xạ bột

10 MB Methylene Blue C16H18ClN3S

11 MG Malachite Green C23H25N2

12 MO Methyl Orange C14H14N3NaO3S

13 MR Methyl Red C15H15N3O2

14 NBE Near – Band – Edge gần bờ vùng

15 NIR Near Infrared hồng ngoại gần

16 PAN polyacrylonitrile (C3H3N)n

17 R6G Rhodamine 6G C28H31N2O3Cl

18 rGO reduced graphene oxide graphene oxit khử

19 RhB Rhodamine B C28H31ClN2O3

20 SEM Scanning Electron Microscopy Hiển vi điện tử quét

21 TEM Transmision Electron Microscopy Hiển vi điện tử truyền qua

22 UV Ultraviolet Tia tử ngoại

23 UV-Vis Ultraviolet – Visible Spectroscopy Phổ tử ngoại – khả kiến

24 VB Valence Band Vùng hóa trị

25 XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X