Luận án Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang học của vật liệu TiO2 có cấu trúc nano pha tạp ion đất hiếm

Tên luận án:

Chế tạo và nghiên cứu tính chất quang học của vật liệu TiO2 có cấu trúc nano pha tạp ion đất hiếm.

Ngành:

Không có thông tin ngành học cụ thể trong tài liệu được cung cấp.

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án tập trung nghiên cứu chế tạo và đặc trưng tính chất quang học của vật liệu TiO2 cấu trúc nano pha tạp các ion đất hiếm (RE), cụ thể là Eu³⁺ và Sm³⁺. TiO2 nano được lựa chọn làm vật liệu nền do sở hữu nhiều tính chất dị thường, khả năng ứng dụng rộng rãi trong quang xúc tác, chuyển đổi năng lượng mặt trời, quang phân nước, cùng với độ bền và tính chất quang học nổi bật. Việc pha tạp ion đất hiếm nhằm khai thác các mức năng lượng đặc biệt của chúng để tăng cường khả năng phát quang và ứng dụng.

Nội dung nghiên cứu bao gồm các khía cạnh cơ bản và triển khai ứng dụng. Về cơ bản, luận án tiến hành chế tạo vật liệu TiO2 nano pha tạp RE bằng phương pháp siêu âm – thủy nhiệt và axit sulfuric, nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện công nghệ chế tạo (nhiệt độ nung) đến cấu trúc, vi cấu trúc và đặc tính quang phổ. Đồng thời, nghiên cứu hiệu ứng truyền năng lượng giữa mạng nền TiO2 và các tâm kích hoạt, hiệu ứng huỳnh quang của TiO2 nano pha tạp RE, và tính toán mô phỏng cấu trúc vùng năng lượng bằng phương pháp lý thuyết hàm mật độ (DFT). Về nghiên cứu triển khai ứng dụng, luận án khảo sát khả năng quang xúc tác của vật liệu TiO2 nano tinh khiết và pha tạp.

Các kết quả chính của luận án bao gồm việc xây dựng thành công quy trình công nghệ chế tạo TiO2 nano với dạng thanh nano (bằng siêu âm - thủy nhiệt) và hình cầu (bằng axit sulfuric), có kích thước vài nm đến vài chục nm. Luận án khẳng định việc pha tạp ion đất hiếm giúp hạn chế sự phát triển kích thước hạt và ngăn cản quá trình hình thành cấu trúc pha tinh thể anatase và rutile. Các nghiên cứu quang phổ cho thấy sự phát quang vạch hẹp đặc trưng của ion RE³⁺, chịu ảnh hưởng của điều kiện công nghệ và nồng độ pha tạp. Cơ chế phát quang được giải thích: Eu³⁺ phát quang chủ yếu từ các ion phân bố gần bề mặt hạt, với cường độ tăng từ 1-15% mol mà không bị dập tắt; Sm³⁺ phát quang chủ yếu từ các ion thay thế Ti⁴⁺ trong mạng tinh thể, đạt cực đại ở 1% mol rồi giảm khi tăng nồng độ. Kết quả mô phỏng cấu trúc vùng năng lượng của TiO2 và TiO2 pha tạp RE³⁺ phù hợp với thực nghiệm, cho thấy pha tạp làm giảm độ rộng vùng cấm. Vật liệu TiO2 nano pha tạp Sm³⁺ thể hiện khả năng quang xúc tác tốt hơn TiO2 pha tạp Eu³⁺ và TiO2 tinh khiết.

Mục lục chi tiết:

• MỞ ĐẦU

• CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

  • 1.1. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TiO2 CÓ CẤU TRÚC NANO

    • 1.1.1. Giới thiệu về TiO2 có cấu trúc nano

      • 1.1.1.1. Các dạng cấu trúc và một số tính chất vật lý của TiO2

      • 1.1.1.2. Cấu trúc vùng năng lượng của TiO2

      • 1.1.1.3. Một vài ứng dụng của TiO2 nano

    • 1.1.2. Các phương pháp chế tạo TiO2 nano

      • 1.1.2.1. Phương pháp thủy nhiệt

      • 1.1.2.2. Phương pháp sol – gel

      • 1.1.2.3. Phương pháp vi sóng

      • 1.1.2.4. Phương pháp siêu âm

      • 1.1.2.5. Phương pháp điện hóa

  • 1.2. ĐẶC TRƯNG QUANG PHỔ CỦA CÁC ION ĐẤT HIẾM

    • 1.2.1. Tổng quan về các nguyên tố đất hiếm

    • 1.2.2. Đặc trưng quang phổ của Europium và Samarium

      • 1.2.2.1. Đặc trưng quang phổ của Europium

      • 1.2.2.2. Đặc trưng quang phổ của Samarium

  • 1.3. SƠ LƯỢC VỀ QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU TiO2 NANO VÀ TiO2 NANO PHA TẠP

    • 1.3.1. Thực trạng nghiên cứu ở trong nước

    • 1.3.2. Tình hình nghiên cứu vấn đề khoa học ở ngoài nước

  • CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO, CẤU TRÚC, VI CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU TiO2 NANO PHA TẠP RE³⁺ (Eu³⁺, Sm³⁺)

    • 2.1. TỔNG HỢP VẬT LIỆU TiO2 NANO

      • 2.1.1. Tổng hợp TiO2 nano bằng phương pháp siêu âm - thủy nhiệt

      • 2.1.2. Tổng hợp TiO2 nano bằng phương pháp sử dụng axit sulfuric

      • 2.1.3. Chế tạo vật liệu TiO2 nano pha tạp RE

    • 2.2. CẤU TRÚC VÀ VI CẤU TRÚC CỦA TiO2 và TiO2 PHA TẠP

      • 2.2.1. Cấu trúc và vi cấu trúc của TiO2 nano

        • 2.2.1.1. Vi cấu trúc của TiO2 nano

        • 2.2.1.2. Cấu trúc tinh thể của TiO2 nano

      • 2.2.2. Cấu trúc, vi cấu trúc của TiO2 nano pha tạp RE³⁺

        • 2.2.2.1. Vi cấu trúc của TiO2 nano pha tap RE³⁺

        • 2.2.2.2. Cấu trúc tinh thể của TiO2 nano pha tạp RE

    • CHƯƠNG 3 ĐẶC TRƯNG QUANG PHỔ CỦA VẬT LIỆU TiO2 NANO PHA TẠP ION Eu³⁺, Sm³⁺

      • 3.1. PHỔ HẤP THỤ UV-VIS

      • 3.2. PHỔ HUỲNH QUANG CỦA TIO2 NANO PHA TẠP RE³⁺

        • 3.2.1. Phổ phát quang của TiO2 nano pha tạp RE³⁺

      • 3.3. CƠ CHẾ PHÁT QUANG CỦA CÁC TÂM ĐẤT HIẾM TRÊN NỀN TIO2 NANO

      • 3.4. MÔ PHỎNG CẤU TRÚC VÙNG NĂNG LƯỢNG CỦA TiO2 VÀ TiO2 PHA TẠP RE³⁺

        • 3.4.1. Giới thiệu về phần mềm Material Studio

        • 3.4.2. Giới thiệu về chương trình Castep

        • 3.4.3. Mô phỏng cấu trúc vùng năng lượng của TiO₂

        • 3.4.4. Mô phỏng cấu trúc vùng năng lượng của TiO2 pha tạp RE³⁺

    • CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG TiO2 VÀO LĨNH VỰC QUANG XÚC TÁC

      • 4.1. CƠ CHẾ QUANG XÚC TÁC CỦA TiO₂

      • 4.2. ỨNG DỤNG QUANG XÚC TÁC CỦA TiO₂ NANO

      • 4.3. ỨNG DỤNG QUANG XÚC TÁC CỦA TiO2 NANO PHA TẠP RE

    • KẾT LUẬN

    • DANH MỤC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN