Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Chế tạo và nghiên cứu tính chất của vật liệu nano Zn2SnO4

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:23

Thêm vào BST

Báo xấu

33
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong luận văn này, tác giả sử dụng phương pháp thủy nhiệt để tổng hợp các tinh thể nano kẽm stannate (ZTO). Nghiên cứu tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ như tỷ lệ mol các hóa chất ban đầu, nhiệt độ phản ứng và thời gian phản ứng lên quá trình hình thành và chuyển đổi pha, cũng như các tính chất quang đặc trưng của Zn2SnO4.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Chế tạo và nghiên cứu tính chất của vật liệu nano Zn2SnO4

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN NGỌC TÚ CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO Zn2SnO4 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN NGỌC TÚ CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU NANO Zn2SnO4 Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 60440104 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN DUY PHƯƠNG
Hà Nội 2014
LỜI CẢM ƠN Trước khi trình bày nội dung chính của luận văn, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Duy Phương – giảng viên Học viện Kỹ thuật Mật mã và PGS.TS. Nguyễn Ngọc Long Trung tâm Khoa học Vật liệu Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, những người đã tận tình hướng dẫn tôi thực hiện nội dung luận văn. Cùng toàn thể các thầy cô giáo trong khoa Vật lý, thầy cô trong bộ môn Vật lý Chất rắn Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã dạy bảo tôi tận tình trong suốt quá trình học tập tại trường. Tôi xin cảm ơn các thầy cô của Trung tâm Khoa học Vật liệu – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong quá trình tạo mẫu và phân tích mẫu. Cảm ơn ThS. Nguyễn Duy Thiện – người mà tôi đã học hỏi được rất nhiều kỹ năng quan trọng trong quá trình làm thí nghiệm. Tôi xin chân thành cảm ơn đề tài "NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU HUỲNH QUANG PHA ĐẤT HIẾM TRÊN CƠ SỞ LaPO4, Zn2SnO4”, Mã số QGTĐ 13.04. Nhân dịp này tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn bên tôi, cổ vũ, động viên, giúp đỡ tôi trong trong quá trình làm luận văn này. Tác giả luận văn Nguy ễn Ng ọc Tú
LỜI NÓI ĐẦU Vật liệu kẽm stannate (Zn2SnO4) thường gọi là ZTO thuộc nhóm vật liệu AIIBIVO4 [3]. Đây là vật liệu bán dẫn vùng cấm rộng, độ rộng vùng cấm phổ biến của chúng là 3,6 – 3,7 eV nhưng cũng có khi lên tới 4,1 – 4,2 eV [9,14]. ZTO có độ linh động điện tử cao và nhiều đặc tính quang học hấp dẫn. Điều đó khiến chúng có phạm vi ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như trong pin mặt trời [7,14], làm sensor phát hiện độ ẩm và các loại khí ga dễ cháy [8], làm điện cực âm cho pin Li – ion và làm chất quang xúc tác phá hủy các chất hữu cơ ô nhiễm, các chất mầu công nghiệp [9,15]. So với các loại oxit hai thành phần, các loại oxit ba thành phần như ZTO có trạng thái bền vững hơn nên chúng được xem là rất lý tưởng cho việc ứng dụng trong các điều kiện khắc nghiệt như làm chất chống cháy và chất ức chế khói. Hiện nay trên thế giới có nhiều nhóm nghiên cứu về vật liệu ZTO, tuy nhiên các nghiên cứu thường chỉ tập trung vào sản phẩm tạo ra và nghiên cứu khả năng ứng dụng vật liệu nhằm nâng cao hiệu suất chất lượng của pin mặt trời, mà chưa có nhiều nghiên cứu về quá trình hình thành và phát triển vật liệu, về tối ưu hóa quy trình công nghệ, nguồn gốc các tính chất đặc trưng của vật liệu, các nghiên cứu về động học thủy nhiệt vẫn còn khá sơ khai. Để có thể đưa ZTO vào ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật và cuộc sống thì trong công nghệ chế tạo cần sử dụng các tiền chất dễ tìm và chi phí trong quá trình chế tạo phải hợp lý. Do đó việc nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm ZTO với những vật liệu và hóa chất phù hợp với điều kiện cơ sở vật chất ở Việt Nam là cần thiết. Trên cơ sở đó, chúng tôi đã lựa chọn và thực hiện nội dung luận văn của mình với tên gọi “Chế tạo và nghiên cứu tính chất của vật liệu nano Zn2SnO4”. Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng phương pháp thủy nhiệt để tổng hợp các tinh thể nano kẽm stannate (ZTO). Nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào việc khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ như tỷ lệ mol các hóa chất ban 6
đầu, nhiệt độ phản ứng và thời gian phản ứng lên quá trình hình thành và chuyển đổi pha, cũng như các tính chất quang đặc trưng của Zn2SnO4. Thuộc tính cấu trúc và quang học của các mẫu chế tạo ra đã được nghiên cứu bởi một số phép đo như nhiễu xạ tia X (XRD), phổ hấp thụ quang học UVVis, quang ph ổ hu ỳnh quang và phổ tán xạ Raman. Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn được chia làm ba chương: Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ZTO Trong chương này, chúng tôi sẽ trình bày về cấu trúc, hình thái, một số tính chất của vật liệu ZTO, cũng như các ứng dụng của vật liệu này trong đời sống. Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM Trình bày một số phương pháp thực nghiệm chế tạo tinh thể ZTO, phương pháp mà chúng tôi đã sử dụng và các phương pháp kỹ thuật được sử dụng để phân tích, khảo sát tính chất, hình thái học của tinh thể ZTO điều chế được. Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Phân tích, khảo sát các kết quả thu được từ các phép đo phổ nhiễu xạ tia X (XRD), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM), phổ hấp thụ quang học UVVis, phổ tán xạ Raman, phổ huỳnh quang (PL). Từ đó rút ra các vấn đề cần chú ý, quy trình chế tạo tốt nhất để định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo. 7
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU ZTO 1.1. Cấu trúc và hình thái của vật liệu ZTO 1.1.1. Cấu trúc mạng tinh thể Hình 1. . Phổ XRD của mẫu ZTO được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt [4]. ZTO là một vật liệu bán dẫn quan trọng có cấu trúc lập phương tâm mặt, ZTO thuộc nhóm không gian Fd3m [2] với hằng số mạng là 8,65 Ǻ. Từ phổ XRD ta thấy ZTO có các đỉnh nhiễu xạ (111), (220), (311), (222), (400), (442) , (511), (440) và (531) lần lượt tại vị trí các góc nhiễu xạ là 17,8o; 29,2o; 34,4o; 35,9o; 41,7o; 51,6o; 55,1o; 60,4o và 63,4o [4,19,21]. Hình 1.. Cấu trúc lập phương của tinh thể ZTO [12] Trong một ô cơ sở có 16 nguyên tử Oxy, 8 nguyên tử Zn và 4 nguyên tử Sn [12,19]. Phổ tán xạ Raman: 8
Hình 1.. Phổ tán xạ Raman của ZTO [13]. 1.1.2. Hình thái Hình 1.. Ảnh TEM (a, b) và ảnh SEM (c) của tinh thể nano ZTO được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt [19] Hình 1.4 là ảnh TEM của các tinh thể nano ZTO được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt, ta thấy kích thước hạt thay đổi từ vài trăm nm (hình 1.4a [19]) đến vài chục nm hoặc nhỏ hơn như hình 1.4b [15]. Hình 1.. Ảnh SEM của dây nano ZTO [17] 9
Hình 1.. Ảnh TEM của thanh nano ZTO và các tinh thể nano ZTO [19]. 1.2. Tính chất quang ZTO có độ rộng vùng cấm (Eg) phổ biến là 3,7 eV tuy nhiên cũng có khi là 3,2 eV hoặc 3,86 eV hay 4,1 eV, tùy theo khích thước của hạt nano ZTO [9,14,15]. ZTO phát huỳnh quang trong vùng bước sóng 550 nm đến 630 nm. Để xác định độ rộng vùng cấm của bán dẫn vùng cấm thẳng, người ta thường dùng phương pháp đo phổ hấp thụ của các mẫu vật liệu. Phổ hấp thụ: (a) (b) Hình 1.. Đồ thị sự phụ thuộc của vào của ZTO [19]. 10
Hình 1.7a là đồ thị sự phụ thuộc của vào của ZTO, ta thấy rằng ZTO có độ rộng vùng cấm là 3,7 eV [4,19,22]. Hình 1.7b là đồ thị sự phụ thuộc của vào của các mẫu ZTO nồng độ NaOH khác nhau, ta thấy độ rộng vùng cấm của ZTO có thể lớn hơn 3,7 eV. Phổ huỳnh quang (PL): Hình 1.. Phổ huỳnh quang của ZTO được kích thích tại bước sóng 280 nm [17]. Hình 1.8a là phổ huỳnh quang của ZTO. Ta thấy ZTO phát quang ở bước sóng 550 nm. Trong một số trường hợp phổ huỳnh quang của ZTO tách thành 2 đỉnh với bước sóng lần lượt là 606,8 nm và đỉnh 630,1 nm như trong hình 1.8b. Trong một số báo cáo, khi đo huỳnh quang của ZTO tại nhiệt độ phòng, ta thấy xuất hiện một đỉnh phát xạ UV tại 390 nm, một đỉnh phát xạ màu xanh lá cây tại 577,5 nm, các đỉnh màu cam đỏ tại 651,4 và 671,1 nm như trong hình 1.9. Các tâm phát xạ ánh sáng vùng khả kiến được cho là do khuyết tật của tinh thể, các nút khuyết oxy và sự điền kẽ Zn trong quá trình tổng hợp ZTO [9]. Hình 1.. Phổ huỳnh quang PL của ZTO tại nhiệt độ phòng [9]. 11
1.3. Tính chất quang xúc tác Hình 1.. Phổ hấp thụ của chất màu MO pha thêm ZTO với các khoảng thời gian khác nhau [19]. Điều đó nghĩa là chất màu MO đã bị ZTO phá hủy cấu trúc. 1.4. Ứng dụng Làm sensor phát hiện độ ẩm, khí gas [8,19]: Chế tạo pin mặt trời DSSCs: Hình 1.. Pin mặt trời với điện cực ZTO. 12
1.5. Một số phương pháp thực nghiệm chế tạo ZTO Phương pháp bốc bay nhiệt trong chân không: Phương pháp nhiệt plasma: Phương pháp thủy nhiệt: Phương pháp solgel: Dựa vào những ưu nhược điểm trên và điều kiện, cơ sở vật chất thí nghiệm, phương pháp được sử dụng để nghiên cứu trong luận văn này là phương pháp thủy nhiệt, điều kiện nhiệt độ trong các phản ứng là từ 140 oC đến 200 oC, luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của các điều kiện phản ứng lên sự hình thành pha tinh thể, cấu trúc, hình thái và khảo sát một số tính chất quang của ZTO. 1.6. Các cơ chế hấp thụ và phát quang 1.6.1. Cơ chế hấp thụ quang Quá trình hấp thụ ánh sáng luôn gắn liền với sự biến đổi năng lượng photon thành các dạng năng lượng khác trong tinh thể, nên một cách tự nhiên có thể phân loại các cơ chế hấp thụ như sau [1,2]: Hình 1.. Một số chuyển dời điện tử trong hấp thụ quang: 1 Hấp thụ riêng; 2Hấp thụ exciton 3a; 3b Hấp thụ bời các hạt tải điện tự do; 4a, 4b Hấp thụ tạp chất vùng gần; 4c, 4d Hấp thụ tạp chất vùng xa; 5 Hấp 13
thụ giữa các tạp chất [1]. 1.6.2. Cơ chế phát quang Hình 1.. Các quá trình hấp thụ và phát quang trong tinh thể [1]. 14
CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 2.1. Phương pháp thủy nhiệt chế tạo ZTO Tiền chất sử dụng trong thí nghiệm bao gồm ZnSO4.7H2O (99,99%), SnCl4.5H2O (99,99%) và NaOH (99,99%), quá trình tổng hợp ZTO được tiến hành cụ thể như sau: B1: Chuẩn bị dung dịch: Lấy 10 mmol ZnSO4.7H2O hòa tan với 15 ml nước cất 3 lần rồi cho vào cốc A. Lấy 5 mmol 8,25 mmol SnCl4.5H2O hòa tan với 15 ml nước cất 3 lần rồi cho vào một cốc B. Lấy 0,05 mol NaOH hòa tan với 20 ml nước cất 3 lần rồi cho vào một cốc C. B2: Tạo hỗn hợp dung dịch: Trộn dung dịch trong cốc A vào dung dịch trong cốc B rồi khuấy đều trên máy khuấy từ trong 15 phút. Nhỏ từ từ dung dịch trong cốc C vào hỗn hợp dung dịch trên và khuấy đều 15 phút trên máy khuấy từ. Cho toàn bộ 50 ml dung dịch thu được vào bình teflon và tiến hành thủy nhiệt. B3: Xử lý sản phẩm: Kết thúc quá trình thủy nhiệt, chúng tôi thu được dung dịch rắn màu trắng. Quay ly tâm dung dịch trên với tốc độ 3000 vòng/phút trong 15 phút, lặp đi lặp lại 3 lần. Chất bột trắng thu được sấy khô ở 70 oC trong 5 h, chất bột trắng cuối cùng có chứa nhiều ZTO. 15
2.2. Các phương pháp phân tích Các phương pháp được thực hiện để nghiên cứu tính chất của vật liệu được chế tạo bao gồm: Phân tích cấu trúc tinh thể các mẫu bằng phổ nhiễu xạ tia X (XRD). Xác định hình thái bề mặt của các mẫu bằng ảnh được chụp từ kính hiển vi điện tử quét (SEM). Phổ tán xạ Raman để xác định các mode dao động đặc trưng trong mạng tinh thể. Phân tích phổ huỳnh quang (PL) của mẫu ZTO. Phổ hấp thụ quang học UV Vis. 2.2.1. Phân tích cấu trúc bằng phổ nhiễu xạ tia X 2.2.2. Phép đo huỳnh quang 2.2.3. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 2.2.4. Phổ hấp thụ quang học (UV – Vis) 2.2.5. Phép đo phổ tán xạ Raman 16
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Cấu trúc và hình thái ZTO 3.1.1. Phổ XRD, phổ tán sắc năng lượng (EDS) và phổ tán xạ Raman Hình 3.. Phổ XRD của mẫu ZTO. ZTO chế tạo được có cấu trúc lập phương với các đỉnh nhiễu xạ (111), (220), (311), (222), (400), (442), (511), (440) và (531) lần lượt tại vị trí các góc nhiễu xạ 2 theta là 17,8o; 29,2o; 34,4o; 35,9o; 41,7o; 51,6o; 55,1o; 60,4o và 63,4o. Từ phổ XRD có thể thấy rằng mẫu chế tạo của chúng tôi là khá đơn pha. Hình 3.. Phổ tán sắc năng lượng. Hình 3.2 là Phổ tán sắc năng lượng của mẫu cho biết thành phần các chất cấu tạo nên ZTO chỉ bao gồm các nguyên tố Zn, Sn, O. Điều đó cũng nói lên mẫu chế tạo được không lẫn tạp chất. Phổ tán xạ Raman: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian tạo mẫu thông qua phổ Raman: Hình 3.. Phổ Raman của mẫu chế tạo với cùng điều kiện công nghệ nhưng thời gian tạo mẫu là 15 h, 20 h, 25 h. Dựa vào phổ Raman cho thấy sản phẩm thu được đều là ZTO. a, Phổ Raman của mẫu ZTO b, Phổ Raman của mẫu ZTO, ZnO và SnO2 Hình 3.. Phổ Raman của mẫu ZTO 17
Khảo sát phổ Raman chúng tôi nhận thấy rằng mẫu chế tạo ở nhiệt độ 200 oC có 2 đỉnh tại vị trí 666 cm1 và 530 cm1. Đây là hai đỉnh đặc trưng của ZTO đã được một số công trình công bố [13]. Đỉnh 530 cm1 tương ứng mode F2g được cho là liên quan đến dao động nội bộ của 4 nguyên tử oxy , còn đỉnh 666 cm1 tương ứng mode A1g thì liên quan đến liên kết kim loạioxy (MO) trong mạng bát diện. Hình 3.4b là phổ Raman của các mẫu ZTO, ZnO và SnO 2. Như vậy, có thể thấy rõ là phổ tán xạ Raman của ZTO hoàn toàn khác với phổ Raman của ZnO, SnO2 (hình 3.4b). Hình 3.. Phổ tán xạ Raman của mẫu ZTO và mẫu ZnSnO3 Tìm hiểu ảnh hưởng của nhiệt độ ủ mẫu lên phổ Raman của ZTO: a) Đã ủ nhiệt trong không khí: (d1) ở 1100 oC; (d2) ở 900 oC; b) Chưa ủ nhiệt (d3) ở 700 oC Hình 3.. Phổ Raman của ZTO ủ nhiệt và chưa ủ nhiệt Dựa vào phổ Raman hình 3.6a, ta thấy rằng trong phổ Raman của các mẫu đã qua ủ nhiệt ở nhiệt độ cao vẫn xuất hiện hai đỉnh tán xạ đặc trưng. So sánh hình 3.6a và hình 3.6b, ta thấy cường độ của các đỉnh trong phổ Raman tăng lên 18
rõ rệt và đỉnh tán xạ hơi dịch về phia năng lượng cao khi mẫu được ủ ở nhiệt độ càng cao. 3.1.2. Tính hằng số mạng a Bảng 3. . Bảng các giá trị của và (hkl) dhkl (111) 4,992 3 0,200 1,732 (220) 3,056 8 0,327 2,828 (311) 2,610 11 0,383 3,316 (400) 2,163 16 0,462 4,000 (440) 1,528 32 0,654 5,656 Kết quả này phù hợp với hằng số mạng trong thẻ chuẩn đã được công bố trên thế giới (a = 0,865 nm, JCPDC thẻ số 24 1470). 3.1.3. Tính kích thước hạt tinh thể Vậy kích thước hạt tinh thể ZTO tính theo mặt (311) là D = 76,4 nm. 3.2. Ảnh SEM của mẫu ZTO được chế tạo Hình 3.. Ảnh SEM của mẫu ZTO Kết quả cho thấy các tinh thể ZTO tạo ra có kích thước micro và nano, chúng có hình dạng là các thanh, tấm nano bao quanh các tinh thể ZTO to hơn và tập hợp thành các đám cầu có đường kính khoảng 500 nm – 700 nm. 3.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ mol Zn/Sn lên sự hình thành pha ZTO Hình 3.. Phổ XRD của các mẫu chế tạo có tỷ lệ mol Zn:Sn khác nhau: Trong các mẫu ZTO chúng tôi chế tạo được với các tỷ lệ khác nhau thì mẫu có tỷ lệ mol ZnSO4:SnCl4 là 10:6,25 mmol là cho ra kết quả tốt nhất. 19
3.4. Ảnh hưởng của nồng độ NaOH lên sự hình thành pha ZTO 120 (a) SnO2 350 (b) 2500 (c) ZnO Hình 3.. Phổ XRD của các mẫu chế tạo với nồng độ NaOH khác nhau Zn2SnO4 300 C êng ®é (®¬n vÞtï y ý) c êng ®é(®¬n vÞtï y ý) 100 C êng ®é(®¬n vÞtï y ý 2000 250 80 60 Từ kết quả này ta thấy rằng ảnh hưởng của nồng độ NaOH đến việc hình 200 1500 150 1000 40 thành pha tinh thể ZTO là rất lớn. Với nồng độ NaOH là 1 M thì phản ứng sẽ kết 20 100 500 50 tinh ZTO tốt nhất . 0 0 0 20 30 40 50 60 70 20 30 40 50 60 70 20 30 40 50 60 70 2 theta (®é) 2 theta (®é) 2 theta (®é) 3.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ chế tạo lên sự hình thành pha tinh thể ZTO Hình 3.. Phổ XRD của các mẫu ZTO chế tạo tại các nhiệt độ khác nhau. Sau khi khảo sát các quy trình công nghệ khác nhau, chúng tôi nhận thấy với mẫu chế tạo tại điều kiện nhiệt độ 200 oC, tỷ lệ mol ZnSO4:SnCl4 là 10:6,25 mmol, nồng độ NaOH 1 M với thời gian thủy nhiệt 20 h cho kết quả tốt nhất. 3.6. Ảnh hưởng của thời gian thủy nhiệt lên sự hình thành pha ZTO Hình 3.. Phổ XRD của các mẫu ZTO có thời gian chế tạo khác nhau: Để nhận được mẫu kết tinh với kích thước hạt không quá lớn thì thời gian thủy nhiệt vào khoảng 20 h là tốt nhất. 3.7. Tính chất quang của ZTO Phổ hấp thụ năng lượng UVVis Hình 3.. Phổ hấp thụ UV – Vis của mẫu ZTO Xác định được độ rộng vùng cấm Eg = 3.62 eV. Kết quả này là phù hợp so với một số kết quả được công bố trên thế giới [14,15,17,19]. Phổ huỳnh quang và kích thích huỳnh quang: 327nm 4000000 b) 20 3000000 2000000 Cuong do (d.v.t.y) 1000000