Luận án Chế tạo graphen, chấm lượng tử graphen và ứng dụng chúng để tăng cường tính chất quang xúc tác của TiO2

Tên luận án:

CHẾ TẠO GRAPHEN, CHẤM LƯỢNG TỬ GRAPHEN VÀ ỨNG DỤNG CHÚNG ĐỂ TĂNG CƯỜNG TÍNH CHẤT QUANG XÚC TÁC CỦA TiO2

Ngành:

Vật liệu quang học, quang điện tử và quang tử

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án tập trung nghiên cứu chế tạo, đặc trưng và đánh giá hệ vật liệu nano TiO2/GQDs và TiO2/GQDs pha tạp Fe, Co, Ni, Mn nhằm nâng cao hiệu quả quang xúc tác dưới ánh sáng khả kiến. Bối cảnh nghiên cứu xuất phát từ thách thức ô nhiễm môi trường do các hợp chất hữu cơ độc hại, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước. TiO2 là vật liệu quang xúc tác đầy hứa hẹn nhưng còn hạn chế do vùng cấm rộng (chỉ hấp thụ tia UV) và tái hợp điện tử – lỗ trống nhanh.

Để khắc phục nhược điểm này, luận án đề xuất biến tính TiO2 bằng cách kết hợp với graphen và chấm lượng tử graphen (GQDs), cũng như pha tạp ion kim loại chuyển tiếp. Các mục tiêu chính bao gồm chế tạo thành công TiO2, graphen, GQDs và các hệ vật liệu tổ hợp (TiO2/graphen, TiO2/GQDs, TiO2/GQDs pha tạp Fe, Co, Ni, Mn) bằng các phương pháp siêu âm, thủy nhiệt, vi sóng và sol-gel, nhằm tối ưu hóa cấu trúc, cải thiện đặc tính quang học và hiệu suất quang xúc tác. Đồng thời, nghiên cứu khảo sát mối liên hệ giữa cấu trúc, hình thái, tính chất quang và hiệu suất quang xúc tác trong quá trình phân hủy xanh methylen (MB) dưới chiếu xạ ánh sáng tử ngoại và khả kiến, cũng như đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ khối lượng và các nguyên tố kim loại pha tạp.

Kết quả cho thấy graphen được chế tạo thành công từ graphit bằng siêu âm công suất lớn, với hiệu quả tách lớp cao. GQDs được tổng hợp từ axit citric thông qua nhiệt phân bằng vi sóng và thủy nhiệt, tạo ra vật liệu có kích thước đồng đều và phát quang mạnh. Việc tổ hợp GQDs giúp giảm độ rộng vùng cấm của TiO2 từ 3,22 eV xuống 3,05 eV, mở rộng phổ hấp thụ sang vùng ánh sáng nhìn thấy. Các kỹ thuật đặc trưng như Raman, FTIR, XRD xác nhận sự hiện diện của GQDs và cấu trúc anatase ổn định. Khi pha tạp kim loại, đặc biệt là Fe và Co ở tỷ lệ 12%, độ rộng vùng cấm giảm đáng kể (còn 2,42 eV và 2,97 eV) và diện tích bề mặt tăng. Các vật liệu pha tạp thể hiện khả năng hấp thụ quang tốt và giàu khuyết tật có lợi.

Thử nghiệm phân hủy xanh methylen cho thấy mẫu TiO2/GQDs tỷ lệ 1:20 đạt hiệu suất cao nhất. Các mẫu pha Fe, Co cũng cho hiệu quả xử lý MB tốt hơn TiO2 tinh khiết. Cơ chế xúc tác được cải thiện nhờ GQDs nhận electron và ion kim loại tạo bẫy điện tử, giúp cải thiện tách điện tử – lỗ trống và kéo dài thời gian sống điện tích. Hệ vật liệu đảm bảo bền hóa học và hiệu quả cao dưới ánh sáng mặt trời, mở ra tiềm năng ứng dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường.

Mục lục chi tiết:

• Chương 1. Tổng quan về vật liệu TiO2, graphen.
• Chương 2. Các kỹ thuật thực nghiệm.
• Chương 3. Nghiên cứu một số tính chất của vật liệu tổ hợp TiO2/graphen.
• Chương 4. Chế tạo chấm lượng tử graphen, vật liệu tổ hợp TiO2, TiO2 pha Fe, Co, Ni, Mn/GQDs và nghiên cứu một số tính chất của chúng.