Tăng cường hiệu suất quang điện hóa tách nước sử dụng cấu trúc dị thể thanh Nano H-TiO2/CdS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN

LÊ THỊ LEN

TĂNG CƯỜNG HIỆU SUẤT QUANG ĐIỆN HÓA

TÁCH NƯỚC SỬ DỤNG CẤU TRÚC DỊ THỂ THANH

NANO H-TiO2/ CdS

Chuyên ngành: Vật lý chất rắn

Mã số: 8440104

Người hướng dẫn: PGS. TS. NGUYỄN MINH VƯƠNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự

hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Minh Vương. Các số liệu và kết quả này là

trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

Lê Thị Len

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn và kính trọng sâu sắc đối với

thầy hướng dẫn là PGS. TS. Nguyễn Minh Vương. Tôi là một học viên may

mắn khi có thầy hướng dẫn là một nhà khoa học đầy đam mê và nhiệt huyết

với nghiên cứu khoa học cũng như giảng dạy và đào tạo. Thầy đã định hướng

cho tôi một tư duy khoa học, truyền lửa đam mê nghiên cứu và tận tình chỉ

bảo, tạo rất nhiều thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn.

Tôi còn có may mắn nữa là nhận được nhiều sự giúp đỡ, chia sẽ về học

thuật từ các giảng viên Khoa Vật lý (cũ) – Trường Đại học Quy Nhơn. Ngoài ra,

trong thời gian học tập và nghiên cứu, tôi đã nhận được sự giúp đỡ của rất nhiều

các anh, chị, em học viên tại khoa Vật lý (cũ)– Trường Đại học Quy Nhơn.

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các cán bộ, giảng viên thuộc tổ Bộ môn Vật

lý và Khoa học Vật liệu, khoa Khoa học tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn

đã động viên, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi để tôi thực hiện tốt luận văn.

Cuối cùng tôi xin dành những tình cảm đặc biệt và biết ơn sâu sắc nhất tới

những người thân trong gia đình: Đặc biệt là bố mẹ tôi luôn ủng hộ, đồng

hành cùng tôi trong con đường nghiên cứu khoa học. Những người đã quan

tâm và chia sẻ những khó khăn, thông cảm, động viên, hỗ trợ tôi, cho tôi nghị

lực và tạo động lực để tôi thực hiện thành công luận văn.

Bình Định, ngày tháng năm 2022

Tác giả luận văn

Lê Thị Len

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH VỄ VÀ ĐỒ THỊ

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

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

2. Mục đích nghiên cứu................................................................................. 6

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: ........................................................... 7

4. Phương pháp nghiên cứu........................................................................... 7

5. Nội dung chính của luận văn.................................................................... 8

Chương 1: TỔNG QUAN............................................................................... 9

1.1. Các phương pháp sản xuất hydrogen ........................................................ 9

1.1.1. Phương pháp chuyển hóa hydrocarbon bằng nhiệt .......................... 10

1.1.2. Phương pháp điện phân nước ........................................................... 11

1.1.3. Phương pháp sinh học ...................................................................... 12

1.1.4. Phương pháp sử dụng hệ quang hóa................................................. 13

1.1.5. Các tham số đánh giá phẩm chất vật liệu làm điện cực quang......... 18

1.1.6. Vật liệu làm điện cực quang............................................................. 20

1.2. Vật liệu TiO2............................................................................................ 24

1.2.1. Cấu trúc tinh thể vật liệu TiO2.......................................................... 24

1.2.2. Cấu trúc dải năng lượng của TiO2 .................................................... 25

1.2.3. Các ứng dụng quang xúc tác khác của TiO2 .................................... 27

1.3. Vật liệu H-TiO2 và vật liệu CdS.............................................................. 29

1.3.1. Vật liệu H-TiO2 ................................................................................ 29

1.3.2. Vật liệu CdS...................................................................................... 31

1.4. Tổng quan về tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ................ 35

1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước..................................................... 35

1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ..................................................... 41

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM................................................................... 43

2.1. Hoá chất và thiết bị.................................................................................. 43

2.2. Thực nghiệm chế tạo mẫu ....................................................................... 44

2.2.1. Tổng hợp điện cực thanh nano H-TiO2 trên đế FTO ....................... 44

2.2.2. Tổng hợp điện cực TiO2/CdS và H-TiO2/CdS trên đế FTO............. 45

2.3. Một số phương pháp khảo sát mẫu ......................................................... 46

2.3.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ................................................ 46

2.3.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)................................. 47

2.3.3. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) .......................... 47

2.3.4. Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại – khả kiến (UV-Vis￾DRS) .......................................................................................................... 48

2.3.5. Phương pháp quét thế tuyến tính (Linear sweep voltammetry)....... 49

2.3.6. Đo thuộc tính quang điện hóa tách nước ......................................... 50

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................... 52

3.1. Tính chất hình thái và cấu trúc vật liệu ................................................... 52

3.1.1. Kết quả đo SEM ............................................................................... 52

3.1.2. Kết quả đo phổ XRD ........................................................................ 54

3.1.3. Kết quả phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) .................................. 55

3.2. Tính chất quang của vật liệu ................................................................... 56

3.3. Kết quả phân tích thuộc tính quang điện hóa tách nước ......................... 60

3.4. Cơ chế tăng cường quang điện hoá tách nước trong cấu trúc H-TiO2/CdS....63

KẾT LUẬN.................................................................................................... 65

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................ 66

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CHỮ VIẾT

TẮT TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT

ABPE Applied bias photon to current

efficiency

Hiệu suất chuyển đổi ánh

sáng thành dòng điện

CB Conduction band Dải dẫn

CE Counting electrode Điện cực đếm

CPD Contact potential difference Độ chênh lệch thế tiếp xúc

NHE Normal hydrogen electrode Điện cực hyđrô bình thường

PC photochemical Quang hóa

PEC Photoelectrochemical cell Tế bào quang điện hóa

PV-E Photovoltaic-electrolysis Quang điện – điện phân

PVP Polyvinyl-pyrolidone Polyvinyl-pyrolidone

QE Quantum efficiency Hiệu suất quang

RE Reference electrode Điện cực tham chiếu

SEM Scanning electron microscope Kính hiển vi điện tử quét

STH Solar-to-hydrogen Năng lượng mặt trời thành

hyđrô

TEM Transmission

electronmicroscope

Kính hiển vi điện tử truyền

qua

VB Valence band Dải hóa trị

WE Working electrode Điện cực làm việc

FTO Fluorine doped tin oxide Ôxít thiếc pha tạp flo

vs Versus Đối với

XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Đặc tính cấu trúc của các dạng thù hình của TiO2 [32].................. 25

Bảng 1.2. Các thông số vật lý đặc trưng của vật liệu CdS dạng khối ............ 34

Bảng 2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị thực nghiệm nghiên cứu .................. 43

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ, HÌNH VỄ VÀ ĐỒ THỊ

Trang

Hình 1.1. Sơ đồ bình điện phân sử dụng màng polyme với chất điện phân

là vật liệu rắn .................................................................................. 12

Hình 1.2. Minh họa ba loại hệ sản xuất hiđrô từ tách nước sử dụng năng

lượng mặt trời ................................................................................ 14

Hình 1.3. Cấu trúc của hệ quang điện hóa tách nước ba điện cực ................. 15

Hình 1.4. Cơ chế phản ứng quang điện hóa ................................................... 16

Hình 1.5. Sơ đồ năng lượng của hệ điện hóa điện cực bán dẫn - kim loại:

(a) chưa tiếp xúc, (b) tiếp xúc nhưng chưa chiếu ánh sáng, (c)

ảnh hưởng của chiếu sáng và (d) ảnh hưởng của chiếu sáng và

thế ngoài.......................................................................................... 17

Hình 1.6. Phổ phân bố năng lượng ánh sáng mặt trời .................................... 21

Hình 1.7. Giản đồ cho thấy khe năng lượng của các vật liệu ôxít khác

nhau so sánh với mức chân không và mức điện cực hiđrô trong

chất điện phân pH = 1 .................................................................... 22

Hình 1.8. Cấu trúc của tinh thể TiO2: (a) rutile; (b) anatase và (c) brookite . 24

Hình 1.9. Mạng tinh thể lý tưởng và các khuyết tật của mạng TiO2 ............. 25

Hình 1.10. Cấu trúc vùng năng lượng và giản đồ mật độ trạng thái của

rutile (a) và anatase (b) .................................................................. 26

Hình 1.11. Cấu trúc của CdS: lập phương giả kẽm (zinc blende) (a)

và lục giác (wurtzite) (b)................................................................. 32

Hình 1.12. Ảnh SEM điện cực TiO2 nano ống và mật độ dòng quang theo

nhiệt độ điện phân .......................................................................... 37

Hình 1.13. Ảnh SEM điện cực TiO2 thanh nano cấu trúc trật tự thẳng

đứng lần lượt theo các tài liệu [23], [42], [52] (thứ tự từ trái qua

phải) ................................................................................................ 37