Luận án Nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nano TiO2 dạng sợi ứng dụng trong lĩnh vực quang điện hóa

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU TỔ HỢP NANO TiO2 DẠNG SỢI ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC QUANG ĐIỆN HÓA

Ngành:

VẬT LÝ CHẤT RẮN

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án này tập trung vào nghiên cứu chế tạo vật liệu tổ hợp nano TiO2 dạng sợi nhằm ứng dụng trong lĩnh vực quang điện hóa, đặc biệt là tách nước để sản xuất hydro. Bối cảnh nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu năng lượng toàn cầu ngày càng tăng và những hạn chế của nhiên liệu hóa thạch, đòi hỏi tìm kiếm các nguồn năng lượng sạch, bền vững. Trong đó, hydro được xem là phương tiện lưu trữ năng lượng lý tưởng, và công nghệ quang điện hóa (PEC) tách nước bằng ánh sáng mặt trời là một giải pháp đầy hứa hẹn. Điện cực quang đóng vai trò then chốt trong hiệu suất của hệ PEC.

Nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu TiO2 cấu trúc sợi nano bằng phương pháp phun tĩnh điện, với cấu trúc tinh thể anatase sau nung ở 500°C và đường kính trung bình 132 ± 16 nm. Điện cực TiO2 này đạt hiệu suất quang điện hóa 0,027% (80 µA/cm²) dưới chiếu sáng Xenon. Để cải thiện khả năng hấp thụ ánh sáng khả kiến, các hạt tinh thể nano CdS (pha lục giác, kích thước ~10 nm) đã được mọc trực tiếp trên nền sợi TiO2, giúp mở rộng vùng hấp thụ ánh sáng dưới 520 nm và nâng cao hiệu suất tách nước lên 3,2% với thời gian phủ CdS tối ưu là 2 giờ. Tiếp theo, vật liệu plasmonic Au cấu trúc nano (pha lập phương tâm mặt, kích thước ~15 nm) được đính lên bề mặt sợi TiO2, cho phép hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến (500-620 nm) nhờ hiệu ứng SPR, đạt hiệu suất 0,52% với thời gian chiếu xạ UV 15 phút. Cuối cùng, luận án đã chế tạo thành công điện cực quang có cấu trúc tổ hợp đa lớp CdS/Au/TiO2, có khả năng làm việc ở vùng bước sóng kích thích dưới 680 nm và đạt hiệu suất cao nhất là 4% tại 0,3V (so với điện cực Ag/AgCl). Điện cực này thể hiện độ hồi đáp tốt và độ bền điện hóa cao. Nghiên cứu cũng đã thiết kế thành công hệ thống thu khí hydro quy mô phòng thí nghiệm, thu được 35 mL hydro/cm² sau 1 giờ chiếu sáng, cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tế.

Mục lục chi tiết:

• CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

  • 1.1. NĂNG LƯỢNG HIĐRÔ
    • 1.1.1. Vai trò và tầm quan trọng của năng lượng hiđrô
    • 1.1.2. Các phương pháp sản xuất hiđrô
  • 1.2. CÔNG NGHỆ QUANG ĐIỆN HÓA TÁCH NƯỚC [41]
    • 1.2.1. Nguyên lý và cấu trúc của tế bào quang điện hóa (PEC)
    • 1.2.2. Cơ chế của phản ứng tách nước
    • 1.2.3. Mô hình năng lượng của PEC
    • 1.2.4. Các tham số đánh giá phẩm chất vật liệu làm điện cực quang
    • 1.2.5. Vật liệu làm điện cực quang
  • 1.3. VẬT LIỆU TiO2
    • 1.3.1. Cấu trúc của vật liệu TiO2
    • 1.3.2. Cấu trúc dải năng lượng của TiO2
  • 1.4. VẬT LIỆU TiO2 PHA TẠP, VẬT LIỆU CdS VÀ KIM LOẠI Au
    • 1.4.1. Vật liệu TiO2 pha tạp
    • 1.4.2 Vật liệu CdS
    • 1.4.3. Tổng quan về kim loại Au cấu trúc nano
  • 1.5. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI
    • 1.5.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
    • 1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước

• CHƯƠNG 2: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN

  • Thực nghiệm chế tạo mẫu
    • Khảo sát các điều kiện chế tạo điện cực quang có cấu trúc nano một chiều TiO2 trên đế dẫn ITO bằng phương pháp phun tĩnh điện điện.
    • Chế tạo vật liệu nano tổ hợp CdS/Au/TiO2 trên vật liệu sợi TiO2 để đảm bảo điện cực quang hấp thụ một tỷ phần lớn phổ ánh sáng mặt trời.
    • Thiết kế và thu nhận lượng hiđrô sinh ra từ phản ứng.

• CHƯƠNG 3: TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU TiO2 CẤU TRÚC NANO SỢI

  • 3.1. TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU TiO2 CẤU TRÚC NANO SỢI
    • 3.1.1. Chọn điều kiện phun tĩnh điện
      • 3.1.1.1. Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng TTip/PVP
      • 3.1.1.2. Sự ảnh hưởng của điện trường lên hình thái vật liệu
      • 3.1.1.3 Sự ảnh hưởng của tốc độ phun lên hình thái vật liệu
    • 3.1.2. Kết quả phân tích cấu trúc và vi cấu trúc của sợi TiO2
      • 3.1.2.1. Kết quả XRD
      • 3.1.2.2. Kết quả SEM, TEM
    • 3.1.3. Kết quả phổ quang electron tia X (XPS)
  • 3.2. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH THUỘC TÍNH QUANG ĐIỆN HÓA

• CHƯƠNG 4: TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU NANO TỔ HỢP TiO2 CẤU TRÚC DẠNG SỢI

  • 4.1. TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU CdS/TiO2 CẤU TRÚC NANO SỢI
    • 4.1.1. Kết quả phân tích cấu trúc của vật liệu
    • 4.1.2. Kết quả phân tích hình thái bề mặt bằng ảnh SEM, TEM
    • 4.1.3. Kết quả phân tích phổ phản xạ khuếch tán của vật liệu
    • 4.1.4. Kết quả phân tích phổ quang electron tia X
    • 4.1.5. Kết quả phân tích thuộc tính quang điện hóa tách nước
  • 4.2. TÍNH CHẤT VẬT LIỆU Au/TiO2 CẤU TRÚC NANO SỢI
    • 4.2.1. Kết quả phân tích cấu trúc của vật liệu
    • 4.2.2. Kết quả phân tích SEM, TEM
    • 4.2.3. Kết quả phân tích phổ hấp thụ của vật liệu
    • 4.2.4. Kết quả phân tích phổ quang electron tia X
    • 4.2.5. Kết quả phân tích thuộc tính quang điện hóa tách nước
  • 4.3. TÍNH CHẤT VẬT LIỆU CdS/Au/TiO2 CẤU TRÚC NANO SỢI
    • 4.3.1. Kết quả phân tích cấu trúc của vật liệu
    • 4.3.2. Kết quả phân tích hình thái bề mặt vật liệu
    • 4.3.3. Kết quả phân tích phổ hấp thụ của vật liệu
    • 4.3.4. Kết quả phân tích thuộc tính quang điện hóa tách nước
    • 4.3.5. Cơ chế năng truyền điện tích của điện cực quang CdS/Au/TiO2 trong mô hình PEC
    • 4.3.5. Thiết kế hệ thống thu nhận khí hiđrô qua mô hình PEC