Luận án TS Vật lý: Chế tạo, tính chất vật liệu nano tổ hợp oxit Fe-Mn/Graphene

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Long Tuyên LUẬN AN TIEN SĨ VAT LY Hà Nội - 2024 ĐẠI HỌC QUOC GIA HÀ NOI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Long Tuyên Chuyén nganh: Vat ly chat ran Mã số: 9440130.02 LUẬN AN TIEN SĨ VAT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Phạm Quốc Triệu 2. Nguyễn Ngọc Đỉnh Hà Nội - 2024 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Phạm Quốc Triệu và TS.

Nguyễn Ngọc Đỉnh. Các kết quả này là trung thực và chưa từng được ai công bồ trong bat cứ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Long Tuyên LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới tập thể hướng dẫn là PGS. TS Phạm Quốc Triệu va TS.

Nguyễn Ngọc Dinh. Các thay đã tận tình chỉ bảo, tạo rất nhiều thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS. TS Đặng Văn Thành, đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất, thiết bị cũng như trao đổi học thuật trong quá trình tôi thực hiện Luận án.

Tôi gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô tại Khoa Vật lý và Phòng Đào tạo, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên — ĐHQG Hà Nội đã giúp đỡ tôi rất tận tình trong quá trình học tập tại Trường. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong nhóm nghiên cứu tại Đại học Y dược Thái Nguyên đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực nghiệm, đo đạc. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Hùng Vương, Lãnh đạo Khoa Khoa học Tự nhiên và các đồng nghiệp trong Khoa đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Nghiên cứu này được tài trợ từ đề tài có mã số TNMT.14 thuộc Bộ Tài nguyên và Môi trường.

Cuối cùng tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất tới những người thân trong gia đình đã luôn quan tâm, động viên dé tôi thực hiện thành công luận án. Tác giả luận án Nguyễn Long Tuyên MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN 1/9001 —. 1 DANH MỤC KI HIỆU VA CHỮ VIET TAT .---2- s52 ss©ssess5ss+s5 DANH MỤC CÁC BANG .--s- << set se E2SExsEEsEEsESeExeerserserssrksersrrssre 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VE, DO THỊ. GRAPHEN VÀ MỘT SO DẪN XUẤT CUA GRAPHEN.--sss<s°©ss©+se+xseExtExeEveEkserketkserkserkserssrrssrkserssersee 18 1.

Phương pháp chế (ạO. VAT LIEU TO HOP 0S. Tình hình nghiên cứu vật liệu tổ hợp ô-xít kim loại/graphen. Phân loại vật liệu quang XÚC CAC.

Yêu cầu đối với vật liệu quang xúc tÁc. Cơ chế quang xúc tác dị thé. Một số ô-xít quang xúc tác điển hình. Xác định độc tinh vật liệu quang XÚC (ắc.

Những yếu tố hạn chế chính của quang xúc tác. Các hướng nghiên cứu cải thiện hiệu quả quang xúc tác. Tái chế và tách từ trong quang XÚC tÁC. Một số khái niệm cơ bản về tụ điện.

Phân loại SiÊU tui. Các loại vật liệu điện cực cho siêu fỤ. CÁC PHƯƠNG PHAP CHE TAO VAT LIEU TO HỢP Ô-XÍT KIM LOAI/ GRAPHEN. Phương pháp trộn dung dich.

Phương pháp đồng kết tủa .----- 2-2 5£ ©se©ss©ssexsersstsserserserssrsee 48 1. Phương pháp SOÏ—£CÌ. Phương pháp lắng đọng điện hóa .- 2-5-5 s s52 se se =se=sesses 50 1. Phương pháp thủy nhiệt/ tong hợp nhiệt .- 5-2 s2 s2 se se <ses 51 1.

Phương pháp tự kết hop (tự lắp rap). So sánh các phương pháp chế tạo vật liệu tổ hợp. Phuong pháp điện hóa plasma bóc tách graphenn. CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM.

THIET BI, HOA 09. «-s<°++ss©+YxEY9EE7149E714E714 7147141 71412740 27442741 7A1nkke 57 2. CHE TAO VAT LIEU .---:- + St+E+E+EESE+E+EEEE+EEEEEEEEEEEEEEEEESEEEEEESEEEEEErErrkrkrree 58 2. Chế tạo graphen bằng phương pháp điện hóa plasma.

Chế tao ô-xít kim loại bang phương pháp đồng kết tủa. Chế tạo vật liệu tổ hợp dựa trên graphen bằng phương pháp điện hóa PLASMA. Các hệ vật liệu được chế ta0. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VAT LIỆU.

Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Phương pháp pho quang điện tử tia X (XPS). Phương pháp phố hồng ngoại biến đỗi Fourier (FTIR). Phương pháp phố Raman.2- 2 ° 5< 5£ 5£ s2 s£ s£SsSe£s2£se£seEsexsessesz 66 2.

Phương pháp kính hién vi điện tử quét (SEM). Kính hién vi điện tử truyền qua (TIEM). Phương pháp xác định tính chất từ của vật liệu bằng từ kế mẫu rung. Phương pháp pho phản xạ khuếch tam.

Phố quang phát quang (PL) .--s--s- << s°s£ se s£ss£ssessessess£sesessessesz 68 2. Quang phổ hấp thụ nguyên tử: (A A S). Phép do quang XÚC tac. Quy trình tái chế vật liệu quang xúc tác .-- s2 se se se=sessess 71 2.

Phương pháp xác định lượng vật liệu phôi ra. Phép do điện ha. KET QUA NGHIÊN CUU VÀ BAN LUẬN. ĐẶC TRƯNG CÂU TRÚC VÀ HÌNH THÁI.

Hệ vật liệu tổ hợp ô-xít mangan/graphen. Hệ vật liệu t6 hợp ô-xít sắt/graphen. CƠ CHE HÌNH THÀNH VAT LIỆU. Co chế hình thành vật liệu tổ hợp 6-xit mangan/graphen.

Cơ chế hình thành vật liệu tổ hợp ô-xít sắt/graphen. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG QUANG XUC TAC PHAN HUY THUOC NHUỘM XANH METHYLEN (MB). Đường CONG fừ HÓa. Vật liệu ØraJDh©II.

Hệ vật liệu tổ hợp ô-xít mangan/graphen. Hệ vật liệu tổ hợp ô-xít sắt/grapphen. Đánh giá ảnh hưởng của tỉ lệ Fe**/Fe”* lên đặc tính quang xúc tác. Cơ chế quang XÚC ta .---° se ©ss©ss©xseEseEssExserserserstsserserssrssrsee 113 3.

Xác định ảnh hưởng đến môi trường của vật liệu GE4. NGHIÊN CỨU TINH CHAT ĐIỆN HOA LAM ĐIỆN CUC SIÊU TỤ. Hệ vật liệu tổ hợp 6-xit mangan/graphen. Hệ vật liệu tổ hợp ô-xít sắt/grapphen.

KET LUẬN CHUONG 3.---55:25cc 22x22 tre 127 KET LUẬN VÀ KIEN NGHỊ, .- 2£ 5£ << S2 se se seEsessessesersersersee 129 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CUA TÁC GIÁ LIEN QUAN 5108 10. 131 TÀI LIEU THAM KHAO .-- 5-5252 s£ se S232 £Ss£EseEs2EsEsserserserssesee 132 DANH MUC Ki HIEU VA CHU VIET TAT Kí hiệu Tiéng Anh Tiếng Việt GO Graphene oxide Ô xí graphen rGO Reduced graphene oxide Ô xit graphen khử EDLC Electric double-layer capacitor Tụ điện hóa lop kép VB Valence band Vùng hóa trị CB Conduction band Vàng dẫn XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X XPS X-ray photoelectron spectra Phổ quang điện tử tia X FTIR Fourier transform infrared Phổ hông ngoại biến đổi Fourier SEM Scanning electron microscopy Kính hiển vi điện tử quét TEM Transmission electron microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua PL Photoluminescence Quang phổ phát quang AAS Atomic absorption spectrometry Quang phổ hấp thụ nguyên tử EIS Electrochemical impedance Phổ trở kháng điện hóa spectroscopy MB Methylene blue Xanh methylen DANH MỤC CAC BANG Bảng 1. Bang thông số độ rộng vùng cắm cho ô-xít mangan. So sánh ưu, nhược điểm của một số ô-xít quang xúc tác.

So sánh phương pháp chế tạo vật liệu tổ hợp nhiều thành phan. Thông số chế tạo của các mẫu MnxOy, mẫu tô hợp 6-xit mangan/graphen. Thông số chế tạo vật liệu ô-xít sắt/graphen. Ti số Ip/Ic của các mau GM1-GM3 theo thời gian phóng điện plasma.

Anh hưởng của thời gian đến việc hình thành các hat Mn„Oy. Kích thước tinh thé trung bình của các mẫu GF3-GF5 và Fe;Ov. So sánh thông số phố Raman của các mau GF3 — GF5 và mau graphen. Thành phan liên kết trong phố XPS C Is.

Bảng so sánh kêt quả quang xúc tác với một sô nghiên cứu trên cơ sở 6-xit mangan trong thời gian gan đây.----- + ¿+ +E+SE+EEEEE2EE2E2EEEEEEEEEEEEEEEEErrrreeg 105 Bảng 3. Bảng so sánh kêt quả quang xúc tác với một sô nghiên cứu trên cơ sở 6-xit sắt trong thời gian gần đây.------ + ©++SzckckEEEEEE1111211211211 21111111111 c1 cyee 110 Bảng 3. Bảng kết quả quang xúc tác phân hủy MB với vật liệu GF, pH7. Xác định lượng sắt trong vật liệu tổ hợp GF4.

Lượng sắt phôi ra trong mỗi chu kỳ quang xúc tác. So sánh điện dung riêng của các mẫu graphen, Mn,Oy, GM2 ở các tốc độ 80198 4190) 1. So sánh điện dung riêng của các mẫu graphen, MnxOy, GM2 ở các mật độ dong $1:0m. Bang so sánh kêt quả điện hóa với một sô nghiên cứu trên cơ sở 6-xit mangan trong thời gian gần đây.---- ¿22 k+SEeEE2EE2E1EE1E711711211271 711.

Điện dung riêng các mẫu Fe,Oy, GF3 — GF5 với tốc độ quét khác nhau. Điện dung riêng của các mẫu FexOy, GF3 — GF5 ở các mật độ dòng điện [4100 8. Bảng so sánh kết quả điện hóa với một số nghiên cứu trên cơ sở ô-xít sắt trong thời gian gần đây.- --:-©++Ss+S<2E2E2E21E715217111211211211 211111111111 re 127 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐÒ THỊ Hình 1. Các dạng graphen và dẫn xuất của nó: a) Graphen đơn lớp, b) Graphen đa lớp, c) Ô-xít graphen và đ) Ô-xít graphen khử [2I].----¿-¿-z+cs++zx+ssze- 17 Hình 1.

Graphen được oxy hóa thành GO với các nhóm chức khác nhau [36]. Cau trúc của GO với 4 kiểu nhóm chức chứa oxy [42]. Năng lượng vùng cấm, biên vùng năng lượng so sánh với điện cực hydro tiêu chuẩn (NHE) [ 1 1 7]. - - c5 SE EEEE‡EEEEEEEEEEEESEEEEEEEEEEEETEEEEEEEEETEEEkErkrkerkrkrri 29 Hình 1.

Chế tạo ZnO/rGO băng phương pháp thủy nhiệt [80]. Phương pháp điện hóa plasma bóc tách graphen [ 100]. a) Sơ đồ thiết lập và b) Hình ảnh thực tế của phương pháp điện hóa plasma chế tạo øraphen. Quy trình chế tạo graphen bang phương pháp điện hóa plasma.

Quy trình chế tạo hạt nano ô-xít kim loại bằng phương pháp đồng kết tủa. a) Mô hình chế tạo vật liệu tổ hợp ô-xít kim loai/ graphen; b) hình ảnh thực tế phương pháp điện hóa plasma chế tao vật liệu FexOy/ graphen. Quy trình chế tạo vật liệu tổ hợp bằng phương pháp điện hóa plasma. a) Mô hình và b) Hình ảnh thực tế của hệ quang xúc tác.

a) Quy trình tái chế vật liệu; b) Hình ảnh tái chế vật liệu ô-xít sắt/graphen nã 0810 SNNỚg. Sơ đồ biểu diễn của một tế bào điện hóa [3 I]. Giản đồ XRD đối với các mẫu graphen, MnxOy và mẫu GM2. Giản đồ XRD của 3 mẫu GMI — GM3.

Phố Raman của mẫu graphen, Mn,O; và mẫu tổ hợp GM2. So sánh phổ Raman của 3 mẫu GM1 — GM3. Pho FT-IR của graphen, Mn„Oy và GM2.2-©25¿©25+2cs+scsxesres 80 Hình 3. So sánh Phé FT-IR của 3 mẫu GM1 — GM3.-----©¿ 2 s+cx>sz 81 Hình 3.

Anh SEM của (a) Graphen, (b) MnxOy, (c) GM1, (d) GM2, (e) GM3. Anh TEM của mau (a) GM2 và (b) GM3.----2-5cc2ccccccxcrxcres 83 Hình 3. Phổ XPS a) Mn 2p của GM2 va Mn;Oy; b) C 1s của GM2 và graphen; c) O 1s của GM2 và MnxOy; d) O 1s của øraphen. Giản đồ XRD của các mẫu vật liệu tổ hợp GF3 — GES.

So sánh giản đồ XRD của 3 mau: Graphen, FexOy và mẫu tô hợp GF4. So sánh phô Raman của mẫu graphen, FexOy và mẫu tô hợp GF4; b) và c) được phóng đại từ hình a) [9 )].- 2c 3221121111119 111 191111111111 1 1T TH HH rệt 89 Hình 3.