Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ảnh hưởng của polianilin đến tính chất quang điện hóa của titan dioxit

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:37

Thêm vào BST

Báo xấu

52
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của đề tài: Biến tính vật liệu TiO2 nhờ phương pháp oxi hóa titan ở nhiệt độ cao (5000C) kết hợp với nhúng tẩm PANi để tạo ra vật liệu compozit cấu trúc nano nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng; nghiên cứu các điều kiện tổng hợp vật liệu compozit TiO2- PANi; nghiên cứu tính chất của vật liệu compozit TiO2- PANi đã tổng hợp.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ảnh hưởng của polianilin đến tính chất quang điện hóa của titan dioxit

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM THỊ TỐT NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA POLIANILIN ĐẾN TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN HÓA CỦA TITAN DIOXIT TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌCKHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM THỊ TỐT NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA POLIANILIN ĐẾN TÍNH CHẤT QUANG ĐIỆN HÓA CỦA TITAN DIOXIT Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý Mã số: 60440119 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. PHAN THỊ BÌNH
Hà Nội – 2014
1. Lý do chọn đề tài Cùng với sự phát triển của ngành công nghiệp công nghệ cao thì nhu cầu về việc sử dụng các loại vật liệu có tính năng ưu việt trong ngành này càng lớn. Để đáp ứng nhu cầu này thì các nhà khoa học đã nghiên cứu và tìm ra nhiều phương pháp để tạo ra các vật liệu mới có tính năng vượt trội như phương pháp pha tạp để biến tính vật liệu, phương pháp lai ghép giữa các vật liệu khác nhau để tạo thành các compozit. Các compozit được tạo ra bằng phương pháp lai ghép giữa các oxit vô cơ và các polime dẫn đang thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước. Trong đó có titan dioxit (TiO 2), một trong số các vật liệu bán dẫn điển hình có tiềm năng ứng dụng rất cao vì thân thiện môi trường, có khả năng diệt khuẩn tốt, có tính xúc tác quang hóa và quang điện hóa, đang được nghiên cứu lai ghép với polianilin (PANi), một trong số ít polyme dẫn điện điển hình vừa bền nhiệt, bền môi trường, dẫn điện tốt, thuận nghịch về mặt điện hóa, có tính chất dẫn điện và điện sắc, vừa có khả năng xúc tác điện hóa cho một số phản ứng điện hóa. Compozit TiO2PANi có khả năng dẫn điện tốt, tính ổn định cao, có khả năng xúc tác điện hóa và quang điện hóa tốt, có thể chế tạo được theo phương pháp điện hóa hoặc hóa học tùy theo mục đích sử dụng. Trong khuôn khổ của đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của polianilin đến tính chất quang điện hóa của titan dioxit”, chúng tôi muốn biến tính TiO2 nhờ phương pháp oxi hóa titan ở nhiệt độ cao (5000C) kết hợp với nhúng tẩm PANi để tạo ra vật liệu compozit cấu trúc nano nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng. 2. Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu. 1
Biến tính vật liệu TiO2 nhờ phương pháp oxi hóa titan ở nhiệt độ cao (5000C) kết hợp với nhúng tẩm PANi để tạo ra vật liệu compozit cấu trúc nano nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng. Nghiên cứu các điều kiện tổng hợp vật liệu compozit TiO2 PANi Nghiên cứu tính chất của vật liệu compozit TiO2 PANi đã tổng hợp. 3. Điểm mới của luận văn Đã tổng hợp thành công vật liệu compozit TiO 2 PANi bằng phương pháp oxi hóa titan ở nhiệt độ cao kết hợp với nhúng tẩm trong dung dịch PANi. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về quang điện hóa Những vấn đề cơ sở Bản chất của quang điện hóa Ứng dụng của quang điện hóa Tính chất quang điện hóa của titan dioxit 1.2. Giới thiệu về titan dioxit Tính chất vật lý của titan dioxit Tính chất hóa học của titan dioxit kích thước nano mét Điều chế TiO2 Ứng dụng của titan dioxit 1.3. Giới thiệu về polianilin (PANi) Cấu trúc phân tử PANi Một số tính chất của PANi 2
Phương pháp tổng hợp PANi Ứng dụng của PANi 1.4. Tổng quan về vật liệu compozit TiO2PANi Khái niệm, ưu điểm của vật liệu compozit Vật liệu compozit TiO2 PANi 3
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM 2.1. Phương pháp điện hóa Phương pháp quét thế tuần hoàn (CV) Phương pháp tổng trở điện hóa 2.2. Phương pháp phi điện hóa Phương phap phô hông ngoai IR ́ ̉ ̀ ̣ Phương pháp nhiễu xạ tia X Kính hiển vi điện tử quét (SEM) Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 2.3. Hóa chất và dụng cụ 2.3.1. Hóa chất và điện cực Điện cực: sử dụng điện cực titan dạng tấm 1 cm 3 cm 1 cm Hình 2.6: Hình dạng điện cực titan Hóa chất: Alinin (C6H7N) 99%, d = 1,023g/ml (Đức). Axit HCl 36,5%, d = 1,18g/ml (Trung Quốc). Axít H2SO4 98%, d = 1,8g/ml (Trung Quốc) Amonipersulfat: dạng tinh thể trắng (Đức). Nước cất. Cồn (C2H5OH) 99% (Trung Quốc). 4
Xút (NaOH): dạng tinh thể (Trung Quốc). 2.3.2. Dụng cụ Giấy nhám p400. Cốc thủy tinh: 25, 50, 100, 1000 ml. Đũa, đĩa thủy tinh, thìa thủy tinh và nhựa. Pipet: 1, 2, 5, 10, 20 ml của Đức. Các bình định mức: 50, 100ml của Đức. Giấy bọc thực phẩm, bình hút ẩm. 2.3.3. Các loại thiết bị Lò nung. Thiết bị đo tổng trở IM6 của Đức. Đèn chiếu tia UV SUNBOX loại 4 bóng (Đức). Bếp khuấy từ. 2.4. Quy trình tổng hợp mẫu 2.4.1. Tổng hợp TiO2  Xử lý bề mặt điện cực: + Điện cực titan: Được mài nhám bằng giấy nhám 400. Tẩy dầu mỡ trong dung dịch tẩy: 30 phút. Rửa mẫu trong nước nóng. Tẩy hóa học: ngâm trong HCl 20% trong 10 phút. Tia nước cất sạch bề mặt điện cực. Rửa siêu âm trong cồn 10 phút.  Sau khi bề mặt điện cực được làm sạch ta đem nung ở 500 0C trong 30 phút để tạo thành TiO2 t
2.4.2. Tổng hợp PANi PANi được tổng bằng phương pháp hóa học, sử dụng chất oxy hóa là amonipesunfat 0,1M cho vào dung dịch chứa HCl 0,1M và anilin 0,1M khuấy đều trong 20 phút ta thu được dung dịch PANi. H H chất oxi hóa (amonipesunfat) 2n N H N nH2O n 2.4.3. Tổng hợp composit TiO2 PANi Các tấm điện cực sau khi nung được đem nhúng trong dung dịch PANi mới tổng hợp với các thời gian khác nhau 30, 60, 90, 120 phút để thu được compozit TiO2 – PANi, tiếp theo compozit được nhúng trong dung dịch NH3 (4g/l) để chuyển sang dạng trung hòa và dùng trong các phép đo tiếp theo. 6
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Nghiên cứu hình thái cấu trúc của vật liệu 3.1.1. Phân tích giản đồ nhiễu xạ RơnGhen Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Sample L1-0 800 700 600 d=2.236 500 d=2.333 Lin (Cps) 400 300 d=1.722 200 d=2.546 d=1.473 100 d=3.023 0 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: Tot K23 mau L1-0.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 7 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.00 ° 00-044-1294 (*) - Titanium - Ti - Y: 46.04 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 2.95050 - b 2.95050 - c 4.68260 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P63/mmc (194) - 2 - 35.3028 01-089-4920 (C) - Rutile, syn - TiO2 - Y: 11.59 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 4.58400 - b 4.58400 - c 2.95300 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - P42/mnm (136) - 2 - 62. 01-078-2486 (C) - Anatase, syn - TiO2 - Y: 15.82 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 3.78450 - b 3.78450 - c 9.51430 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - I41/amd (141) - Hình 3.1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của TiO2 Quan sát trên hình 3.1 và 3.2 ta thấy xuất hiện các pic đặc trưng ở các góc 2θ đặc trưng cho TiO2. Với góc 2θ ở vị trí 36,20 đặc trưng cho dạng rutile của TiO2, các góc 2θ ở vị trí 370; 38,60 đặc trưng cho dạng anatase. Điều này chứng tỏ sự có mặt của lớp TiO2 đã xuất hiện trên nền titan. 7
Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Sample L1-1 800 700 d=2.235 d=2.333 600 500 Lin (Cps) 400 300 d=1.722 200 d=2.547 d=1.472 100 d=3.024 0 20 30 40 50 60 70 2-Theta - Scale File: Tot K23 mau L1-1.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 20.000 ° - End: 70.010 ° - Step: 0.030 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 12 s - 2-Theta: 20.000 ° - Theta: 10.000 ° - Chi: 0.00 00-044-1294 (*) - Titanium - Ti - Y: 50.65 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Hexagonal - a 2.95050 - b 2.95050 - c 4.68260 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 120.000 - Primitive - P63/mmc (194) - 2 - 35.3028 01-089-4920 (C) - Rutile, syn - TiO2 - Y: 11.97 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 4.58400 - b 4.58400 - c 2.95300 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Primitive - P42/mnm (136) - 2 - 62. 01-078-2486 (C) - Anatase, syn - TiO2 - Y: 15.65 % - d x by: 1. - WL: 1.5406 - Tetragonal - a 3.78450 - b 3.78450 - c 9.51430 - alpha 90.000 - beta 90.000 - gamma 90.000 - Body-centered - I41/amd (141) - Hình 3.2: Giản đồ nhiễu xạ tia X của compozit TiO2PANi (điện cực TiO2 nhúng 60 phút trong dung dịch PANi) 3.1.2. Phân tích phổ hồng ngoại 1 Signals (cm Số sóng (cm ) 1) Binding Liên kế t 3457 NH stretching 0.08 3457 2921, 3090 NH CH stretching 564.13 1667, 1620 2921, 3090 C=C stretching of benzoid CH 0.07 1508, 1473 1667, 1620 C=N stretching of quinoid C=C vòng benzen A 1202 CN stretching of aromatic ring b 0.06 1508, 1473 C=N vòng quiniod 489.32 896 aromatic CH 2457.18 564 1202 Adsorption of ClCN Intensity coefficient s 0.05 3457.18 896 NH vòng thơm o 681.86 0.04 564 Hấp phụ Cl r 1620.14 1508.90 b 0.03 1123.34 614.17 770.16 3090.61 1667.83 1202.81 a 0.02 2921.42 1473.58 990.90 1744.38 n 1326.42 c 0.01 896.72 e 0.00 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 1 Wavenumber (cm ) Hình 3.3: Phổ hồng ngoại của compozit TiO2PANi (điện cực TiO2 nhúng 60 phút trong dung dịch PANi) 8
Từ kết quả trên hình 3.3 ta thấy có sự xuất hiện của các nhóm đặc trưng cho PANi chứng tỏ sự có mặt của PANi trong compozit. 3.1.3. Phân tích ảnh SEM Hình 3.4: Ảnh SEM của TiO2 (a) (b) (c) (d) Hình 3.5: Ảnh SEM của compozit TiO2PANi (nhúng TiO2 trong dung dịch PANi với các thời gian khác nhau (a): 30 phút; (b): 60 phút; (c) 90 phút; (d): 120 phút) 9
Quan sát trên hình 3.4 và 3.5 ta thấy có sự khác biệt về cấu trúc hình thái học giữa mẫu TiO2 và compozit TiO2PANi. Điện cực TiO2 (hình 3.4) có kích thước hạt và sự phân bố không đồng đều trên nên bề mặt xuất hiện lồi lõm. Trong khi trên bề mặt các compozit (hình 3.5) có xuất hiện các sợi PANi đan xen giữa cát hạt TiO 2. Sự đan xen này phụ thuộc vào điều kiện chế tạo compozit, mà điều kiện ở đây chính là thời gian nhúng TiO 2 trong dung dịch PANi. Quan sát ta thấy thời gian nhúng càng lâu thì các sợi PANi xuất hiện càng nhiều nên tạo ra compozit có bề mặt đồng đều hơn. 3.1.4. Phân tích ảnh TEM TiO2PANi Print Mag: 39800x @ 51 nm 100 nm 3:30;46 p 10/7/2014 HV=80.0kV TEM Mode: Imaging Direct Mag: 20000x Hình 3.6: Ảnh TEM của compozit TiO2PANi (điện cực TiO2 trong dung dịch PANi trong 60 phút) Quan sát trên hình 3.6 ta thấy có hai màu khác nhau rõ rệt. Màu sáng hơn là màu của PANi, màu tối hơn là màu của TiO2 và chúng đều có kích thước nano. Điều này chứng tỏ đã tổng hợp thành công vật liệu compozit TiO2PANi bằng phương pháp phân hủy nhiệt kết hợp với nhúng tẩm. 10
3.2. Nghiên cứu tính chất điện hóa của vật liệu 3.2.1. Nghiên cứu phổ quét thế tuần hoàn (CV) a) Ảnh hưởng của tốc độ quét đến phổ CV Vật liệu được nung trong lò tại 5000C trong 30 phút sau đó được nhúng trong dung dịch PANi trong 90 phút và đem khảo sát CV trong dung dịch H 2SO4 0,5M dưới điều kiện chiếu và không chiếu tia UV để nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ quét đến tính chất quang điện hóa của vật liệu. i (μA/cm2) i (μA/cm2) 10 120 (a) (b) 0 80 10 20mV/s 40 50mV/s 20mV/s 80mV/s 50mV/s 20 100mV/s 0 80mV/s 100mV/s 30 40 0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 EAg/AgCl (V) EAg/AgCl (V) Hình 3.7: Ảnh hưởng của tốc độ quét (Phổ CV của TiO2 nhúng 90 phút trong dung dịch PANi ở chu kỳ 1 đo trong dung dịch H2SO4 0,5M, tốc độ quét 20, 50, 80, 100 mV/s, (a): chưa chiếu UV, (b): chiếu UV) Quan sát trên hình 3.7 ta thấy khi chưa chiếu tia UV thì ở tất cả các tốc độ quét thế đều xuất hiện một pic catot ở vùng 50mV đến 100mV và pic ở vùng anot là 0,8V. Khi tăng tốc độ quét thế thì cả dòng anot và dòng catot đều tăng. Khi chiếu tia UV thì dòng anot tăng lên rất nhiều. Ở tốc độ quét thế 20mV/s thì dòng anot cao gần bằng với tốc độ quét thế 100mV/s và cao hơn khá nhiều so với các 11
tốc độ quét thế còn lại. Vì vậy chúng tôi chọn tốc độ quét thế là 20mV/s trong các thì nghiệm tiếp theo để nghiên cứu hoạt tính quang điện hóa của vật liệu. b) Ảnh hưởng của thời gian nhúng đến phổ CV Vật liệu sau khi được tổng hợp chúng tôi đem khảo sát CV trong dung dịch H2SO4 0,5M, tốc độ quét 20mV/s dưới điều kiện chiếu và không chiếu tia UV để nghiên cứu tính chất quang điện hóa của vật liệu, đồng thời xem xét ảnh hưởng của PANi đến tính chất quang điện hóa của TiO2. *) Phổ quét thế tuần hoàn không chiếu tia UV i (μA/cm2) 4 0 0 phút 4 30 phút 60 phút 8 90 phút 120 phút 12 0 .5 0.0 0.5 1.0 1.5 EAg/AgCl (V) Hình 3.8: Ảnh hưởng của thời gian nhúng TiO2 trong dung dịch PANi (Phổ CV của vật liệu ớ chu kỳ 1 đo trong dung dịch: H2SO4 0,5M, tốc độ quét 20 mV/s) Quan sát trên hình 3.8 ta thấy với thời gian nhúng là 0 phút, tức là chỉ có TiO2, thì không thấy xuất hiện pic anot và catot, điều này chứng tỏ TiO 2 không có hoạt tính điện hóa ở vùng anot. Với thời gian nhúng là 30, 60, 90, 120 phút thì thấy xuất hiện 2 pic anot tù ở khoảng gần 0V và 0,8V, một pic catot ở vùng 50 đến 100 mV nhờ sự có mặt của PANi đã hình thành trong compozit. Tuy nhiên, ở vùng anot các vật liệu compozit có hoạt tính điện hóa còn rất thấp và xấp xỉ 12
nhau vì chiều cao các pic anot không đáng kể. Pic catot tăng một chút theo thời gian nhúng từ 30 đến 90 phút, nhưng sau đó lại giảm, nên thời gian nhúng có hiệu quả khi dừng ở 90 phút. 13
i (μA/cm2) i (μA/cm2) 4 (a) 4 ( b) 0 0 4 ck1 4 ck1 ck2 ck2 8 ck5 8 ck5 ck10 ck10 12 12 0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 EAg/AgCl (V) EAg/AgCl (V) i (μA/cm2) i (μA/cm2) 4 (c) 4 (d) 0 0 4 ck1 4 ck1 ck2 ck2 8 ck5 ck5 ck10 8 ck10 12 12 0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 EAg/AgCl (V) EAg/AgCl (V) i (μA/cm2) 4 (e) 0 4 ck1 ck2 8 ck5 ck10 12 0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 EAg/AgCl (V) 14
Hình 3.9: Ảnh hưởng của số chu kỳ quét tới phổ CV của các vật liệu khác nhau. Dung dịch đo: H2SO4 0,5M, tốc độ quét 20 mV/s Thời gian nhúng a) 0 phút, b) 30 phút, c) 60 phút, d) 90 phút , e) 120 phút Hình 3.9 là kết quả khảo sát 10 chu kỳ cho thấy các píc anot và catot đều giảm rõ rệt ở chu kỳ thứ 2, trong đó pic anot ở khoảng thế gần 0,8V không còn quan sát thấy nữa, tức là hoạt tính điện hóa đã giảm dần theo số chu kỳ quét. Tuy nhiên khi tiếp tục quét thì pic catot giảm không đáng kể. *) Phổ quét thế tuần hoàn dưới tác dụng của tia UV i (μA/cm2) 120 60 0 phút 30 phút 0 60 phút 90 phút 120 phút 60 0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 EAg/AgCl (V) Hình 3.10: Ảnh hưởng của thời gian nhúng TiO2 trong dung dịch PANi. (Phổ CV của vật liệu ở chu kỳ 1 đo trong dung dịch H2SO4 0,5M, tốc độ quét 20 mV/s) Để nghiên cứu xem một vật liệu có tính chất quang điện hóa hay không thì người ta chiếu tia UV vào và đo dòng đáp ứng. Ở mục 1.1.2 (trang 11) chúng tôi đã tổng quan về bản chất quang điện hóa rằng khi chiếu tia UV mà dòng đáp ứng đo được ở vùng anot hoặc vùng catot tăng lên thì chứng tỏ vật liệu có hiệu ứng quang điện hóa và là bán dẫn loại n loại p tương ứng. So sánh các đường cong trên hình 3.10 với hình 3.8 ta thấy rõ ràng dòng đáp ứng ở vùng anot đã tăng lên 15
rất nhiều chứng tỏ là hiệu ứng quang điện hóa đã xuất hiện và vật liệu thuộc bán dẫn loại n. Ngoài ra khi quan sát hình 3.10 và giá trị trên bảng 3.1 ta thấy dòng đáp ứng quang điện hóa của TiO2 thấp hơn so với compozit TiO 2PANi. Điều này chứng tỏ ảnh hưởng của PANi đến tính chất quang điện hóa của TiO2 là rất rõ. Khi thời gian nhúng tăng lên thì dòng đáp ứng cũng tăng lên, tuy nhiên khi tăng lên đến 120 phút thì dòng đáp ứng đã tăng chậm lại. Vì vậy thời gian nhúng TiO2 trong dung dịch PANi nên chọn là 90 phút. Bảng 3.1 phản ánh sự phụ thuộc dòng đáp ứng ở vùng anot ghi tại vị trí 1,4V vào thời gian nhúng điện cực TiO2 trong dung dịch PANi. Bảng 3.1: Dòng đáp ứng anot tại 1,4V của TiO2 và các compozit TiO2PANi Thời gian Đáp ứng dòng tại điện thế 1,4V (μA/cm2) Bản chất vật liệu nhúng Không chiếu tia UV Chiếu tia UV 0 TiO2 1,84 76,90 30 TiO2PANi 2,30 96,40 60 TiO2PANi 1,18 92,60 90 TiO2PANi 2,17 107,57 120 TiO2PANi 4,07 110,76 16