Tóm tắt luận án Tiến sĩ Vật lý kỹ thuật: Nghiên cứu tổng hợp, tính chất của vật liệu TiO2 đơn pha và ứng dụng trong chế tạo nanocomposite PPy/TiO2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO<br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI<br /> <br /> Nguyễn Trọng Tùng<br /> <br /> NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP, TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU<br /> TiO2 ĐƠN PHA VÀ ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO<br /> NANOCOMPOSITE PPy/TiO2<br /> <br /> Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật<br /> Mã số: 62520401<br /> <br /> TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT<br /> <br /> Hà Nội – 2017<br /> <br /> Công trình được hoàn thành tại:<br /> Trường Đại học Bách khoa Hà Nội<br /> <br /> Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Dương Ngọc Huyền<br /> <br /> Phản biện 1:<br /> Phản biện 2:<br /> Phản biện 3:<br /> <br /> Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ<br /> cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội<br /> Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………<br /> <br /> Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:<br /> 1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội<br /> 2. Thư viện Quốc gia Việt Nam<br /> <br /> 1<br /> MỞ ĐẦU<br /> Vật liệu nano đang được kỳ vọng sẽ tạo ra bước đột phá về khoa học và<br /> công nghệ trong tương lai. Khi kích thước giảm đến kích thước nano, gần<br /> giới hạn lượng tử, diện tích bề mặt riêng của vật liệu tăng, trạng thái của<br /> electron trong vật liệu bị ảnh hưởng rất mạnh bởi hiệu ứng lượng tử và tác<br /> động bề mặt. Như vậy, bằng cách thay đổi kích thước và tạo ra được tương<br /> tác bề mặt hợp lý ta có thể biến đổi được tính chất quang, điện của vật liệu<br /> nano và mở rộng khả năng ứng dụng của chúng.<br /> Trong số các vật liệu vô cơ, vật liệu TiO2 (tồn tại ở hai dạng thù hình phổ<br /> biến là anatase, rutile) là đối tượng nhận được sự quan tâm của nhiều nhà<br /> nghiên cứu do các tính chất quang, điện hóa đặc biệt. Với tính chất quang,<br /> điện hóa được phát hiện, vật liệu TiO2 kích thước nano được ứng dụng ở<br /> nhiều lĩnh vực như xúc tác quang, pin mặt trời, cảm biến khí… TiO2 nano có<br /> thể kết hợp với các vật liệu khác giúp cải thiện, tăng cường, bổ sung tính chất<br /> cho vật liệu mới. Để có được kích thước nano, vật liệu TiO2 có thể điều chế<br /> được bằng nhiều phương pháp bao gồm phương pháp vật lý (bốc bay chân<br /> không, phún xạ, bắn phá chùm ion…) và phương pháp hóa học (sol-gel, thủy<br /> nhiệt, thủy phân…). Trong phòng thí nghiệm, thủy phân là phương pháp được<br /> sử dụng khá phổ biến do quy trình đơn giản, giá thành thấp nhưng hiệu quả<br /> (kích thước hạt đồng đều, dễ điều chỉnh và có thể điều chế với số lượng lớn).<br /> Bằng việc khống chế các thông số nồng độ, nhiệt độ, thời gian phản ứng,<br /> người ta có thể tạo ra được vật liệu nano TiO2 ở dạng hạt, thanh, ống… Ngoài<br /> kích thước nano, do cấu trúc tinh thể và cấu trúc điện tử khác nhau tính chất<br /> điện, điện hóa quang hóa của các pha kết tinh của TiO2 cũng khác nhau; việc<br /> nghiên cứu chế tạo đơn pha TiO2 có kích thước nano và ứng dụng của chúng<br /> cũng đang là những vấn đề đang được quan tâm.<br /> Trong họ các vật liệu hữu cơ, polyme liên hợp có cấu trúc thẳng bao gồm<br /> các liên kết đơn và đôi xen kẽ; khi có tác động thích hợp từ bên ngoài (hóa<br /> học, vật lý) thì từ liên kết đôi các hạt dẫn (electron, lỗ trống) có thể được tạo<br /> ra và polyme liên hợp trở thành vật liệu dẫn điện (polyme dẫn). Tính chất đặc<br /> biệt này đã mở ra một lĩnh vực mới cho các hoạt động nghiên cứu cả về<br /> phương diện cơ bản và phát triển ứng dụng. Năm 2000, giải Nobel hoá học<br /> đã được trao cho ba nhà khoa học Heeger, MacDiarmid và Shirakawa với<br /> phát hiện và giải thích cơ chế dẫn điện của polyme dẫn điện. Với tính chất<br /> điện, điện tử đặc thù đồng thời dễ dàng tổng hợp, sẵn có và thân thiện với<br /> môi trường nên polyme dẫn điện là đối tượng được đặc biệt quan tâm nghiên<br /> cứu triển khai ứng dụng. Về phương diện điện hóa, polyme dẫn có thể ứng<br /> dụng trong lĩnh vực cảm biến sinh học, cảm biến khí, màng sinh học, lớp phủ<br /> bảo vệ chống ăn mòn, vật liệu hấp thụ sóng điện từ sử dụng trong quân sự,<br /> thiết bị mắt điện tử… Với khả năng lưu trữ điện năng lớn (>100 F/g), polyme<br /> <br /> 2<br /> dẫn đang được nghiên cứu để sử dụng như một siêu tụ điện. Trong công nghệ<br /> điện tử, các ứng dụng của polyme dẫn có thể là điốt phát sáng hữu cơ<br /> (OLED), tranzito, tế bào pin năng lượng mặt trời… Trong các loại polyme<br /> dẫn thì polypyrrole đã và đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên<br /> cứu bởi những tính chất nổi bật độ dẫn điện cao, dễ tổng hợp, ổn định trong<br /> nhiều môi trường, có khả năng ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực liên quan<br /> đến điện, điện hóa và quang hóa.<br /> Nanocomposite là vật liệu được tổng hợp từ hai hay nhiều loại vật liệu<br /> khác nhau (trong đó có ít nhất một thành phần có kích thước trong phạm vi<br /> nano mét (1 nm = 10-9 m)), nó có tính chất vượt trội hơn so với các vật liệu<br /> ban đầu. Sự tương tác bề mặt giữa các vật liệu ở kích thước nano có thể làm<br /> thay đổi tính chất của các vật liệu thành phần: tăng cường hay loại trừ hoặc<br /> có thể làm xuất hiện các tính chất mới. Với sự nhạy cảm cao với môi trường<br /> như polyme dẫn, lai gép polyme dẫn với vật liệu có tính chất điện, quang hóa<br /> mạnh như TiO2 có thể làm thay đổi và mở rộng tính chất đặc trưng của chúng.<br /> Với những lý do trên, chúng tôi quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng<br /> hợp, tính chất của vật liệu TiO2 đơn pha và ứng dụng trong chế tạo<br /> nanocomposite PPy/TiO2”.<br /> * Mục tiêu nghiên cứu của luận án là:<br /> 1. Tổng hợp vật liệu nano TiO2, xác định cấu trúc pha vật liệu TiO2 để làm<br /> thành phần pha tạp trong vật liệu nanocomposite;<br /> 2. Tổng hợp vật liệu nanocomposite từ vật liệu nền polypyrrole với vật liệu<br /> pha tạp là TiO2 pha anatase và rutile; khảo sát cấu trúc vật liệu<br /> nanocomposite PPy/TiO2;<br /> 3. Khảo sát biến đổi độ dẫn vật liệu nanocomposite với tác động của oxy,<br /> tử ngoại, nhiệt độ và đánh giá khả năng dẫn nhiệt.<br /> * Phương pháp nghiên cứu:<br /> Trong công trình này, chúng tôi sử dụng phương pháp nghiên cứu thực<br /> nghiệm, kết hợp phân tích số liệu và dự đoán mô hình lý thuyết, đồng thời so<br /> sánh với các kết quả đã được công bố. Các mẫu đo và kết quả nghiên cứu<br /> được thực hiện tại phòng thí nghiệm Quang học - Quang điện tử, Viện Vật lý<br /> Kỹ thuật, Đại học Bách khoa Hà Nội.<br /> Nghiên cứu cấu trúc, phân tích thành phần vật liệu được thực hiện bằng<br /> phương pháp giản đồ nhiễu xạ tia X, phổ tán xạ Raman, phổ hấp thụ hồng ngoại<br /> FTIR, phổ hấp thụ UV-Vis, hiển vi điện tử quét, hiển vi điện tử truyền qua.<br /> Các tính chất của mẫu vật liệu được thực hiện bằng các phương pháp đo độ<br /> dẫn, đặc trưng truyền nhiệt. Kết quả thu thập qua thiết bị đo Keithley 2000,<br /> Science Workshop 750 Interface được ghép nối với máy tính.<br /> * Ý nghĩa khoa học, thực tiễn của luận án:<br /> - Tổng hợp được vật liệu nano TiO2 đơn pha, xác định được điều kiện để<br /> <br /> 3<br /> phân tách được hai pha anatase và rutile của vật liệu nano TiO2 bằng phương<br /> pháp thủy phân ở nhiệt độ thấp (dưới 100oC).<br /> - Tổng hợp được vật liệu nanocomposite trên nền PPy với vật liệu pha tạp<br /> nano TiO2 anatase và rutile bằng phương pháp hóa học. Vật liệu<br /> nanocomposite có cấu trúc hạt nano bám trên nền polyme và cấu trúc vỏ-lõi<br /> của PPy và TiO2.<br /> - Khả năng ứng dụng của vật liệu được đánh giá qua ảnh hưởng không<br /> khí, nhiệt độ, tia tử ngoại làm thay đổi độ dẫn điện và độ dẫn nhiệt của vật<br /> liệu nanocomposite.<br /> * Đóng góp mới của luận án<br /> TiO2 tổng hợp bằng phương pháp thủy phân đã phân tách được các pha<br /> anatase, rutile có kích thước nano riêng biệt. Ảnh hưởng của thời gian, HCl<br /> lên quá trình hình thành pha anatase, pha rutile của TiO2 đã được nghiên cứu,<br /> kích thước hạt của hai pha, quá trình chuyển pha anatase-rutile theo kích<br /> thước đã được chúng minh.<br /> Vật liệu nanocomposite PPy/TiO2 được tổng hợp bằng phương pháp trùng<br /> hợp hóa học, có cấu trúc vỏ-lõi với lõi là thanh rutile TiO2 được PPy bao bọc<br /> bên ngoài, cấu trúc hạt nano anatase TiO2 bám ngoài bề mặt PPy. Vật liệu<br /> nanocomposite PPy/TiO2 được khảo sát biến độ độ dẫn với môi trường cho<br /> thấy khả năng nhạy khí oxy tăng lên 5 lần.<br /> Khảo sát tính chất nhiệt của vật liệu nanocomposite PPy/TiO2 cho thấy<br /> vật liệu có khả năng dẫn nhiệt và làm keo tản nhiệt. Ảnh hưởng của tia tử<br /> ngoại lên khả năng dẫn điện của vật liệu nanocomposite PPy/TiO2 cho thấy<br /> đặc tính mới của vật liệu.<br /> Ngoài ra, các kết quả từ luận án là nội dung chính của đề tài Nafosted<br /> thuộc ngành vật lý có Mã số: 103.02-2012.32 (đã được nghiệm thu và thanh<br /> lý với kết quả tốt) với nhan đề: Vật liệu nanocomposite biến đổi và tích trữ<br /> năng lượng trên cơ sở vật liệu polyme dẫn.<br /> * Bố cục luận án:<br /> Nội dung chính của luận án được trình bày từ phần Mở đầu đến phần Kết<br /> luận gồm 109 trang. Ngoài các phần Mục lục, Danh mục các ký hiệu, Hình,<br /> Bảng, Tài liệu tham khảo và phần Mở đầu, Kết luận, thì Luận án được trình<br /> bày trong 4 chương:<br /> - Chương 1: Tổng quan về vật liệu<br /> Trình bày tổng quát về vật liệu TiO2 và các ứng dụng của chúng, giới thiệu<br /> chung về vật liệu polyme dẫn điện và các ứng dụng. Giới thiệu khái quát về<br /> vật liệu nanocomposite nền polyme dẫn điện và các nghiên cứu ứng dụng của<br /> vật liệu nanocomposite trên nền vật liệu PPy.<br /> - Chương 2: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu đặc trưng vật liệu<br /> Trình bày phương pháp thực nghiệm chế tạo và khảo sát đặc trưng vật liệu<br /> <br />