Đang tải... (xem toàn văn)
Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN LÊ HOÀNG NGÂN LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO LAI HOÁ TRÊN ĐẾ ĐỒNG Cu ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN LÊ HOÀNG NGÂN LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO LAI HOÁ TRÊN ĐẾ ĐỒNG (Cu) ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU XÚC TÁC CHO QUÁ TRÌNH KHỬ CO2 Bình Định - năm 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN LÊ HOÀNG NGÂN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO LAI HOÁ TRÊN ĐẾ ĐỒNG (Cu) ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU XÚC TÁC CHO QUÁ TRÌNH KHỬ CO2 Ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Người hướng dẫn: TS PHAN THANH HẢI LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nghiên cứu trong đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano lai hoá trên đế Đồng (Cu) định hướng ứng dụng làm vật liệu xúc tác cho quá trình khử CO2” là kết quả nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất cứ một công trình nghiên cứu nào Học viên Nguyễn Lê Hoàng Ngân LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới TS Phan Thanh Hải và đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ bảo và động viên tôi hoàn thành tốt luận văn này Trong quá trình thực hiện luận văn, tôi đã nhận được rất nhiều sự quan tâm và tạo điều kiện của quý Thầy, Cô Khoa Khoa học tự nhiên trường Đại học Quy Nhơn và Trung tâm thí nghiệm thực hành A6 – Trường Đại học Quy Nhơn Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới quý Thầy, Cô Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và tập thể lớp Cao học Vật lý chất rắn K23 đã luôn động viên, khích lệ tinh thần trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu khoa học Mặc dù đã rất cố gắng trong thời gian thực hiện luận văn nhưng vì còn hạn chế về kiến thức cũng như thời gian, kinh nghiệm nghiên cứu nên không tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự thông cảm và những ý kiến đóng góp quý báu từ quý Thầy, Cô để luận văn được hoàn thiện hơn Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên Nguyễn Lê Hoàng Ngân MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC ĆAC CHỮ VÍÊT T́ĂT, ĆAC ḰY HIỆU DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 1 Lý do chọn đề tài 1 2 Mục đích nghiên cứu 2 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2 4 Phương pháp nghiên cứu 2 5 Cấu trúc luận văn 3 Chương 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 4 1.1 Giới thiệu về hệ vật liệu trên cơ sở đồng 4 1.2 Vật liệu graphene 5 1.3 Viologen và ứng dụng 7 1.4 Giới thiệu về vật liệu khử điện hóa CO2 9 1.5 Khả năng xúc tác của vật liệu Cu đối với quá trình khử CO2 10 Chương 2 THỰC NGHIỆM 12 2.1 Tổng hợp vật liệu xúc tác 12 2.1.1 Hóa chất 12 2.1.2 Dụng cụ 12 2.1.3 Tổng hợp vật liệu 13 2.2 Các phương pháp chế tạo vật liệu 15 2.2.1 Phương pháp đo dòng – thế (LSV) 15 2.2.2 Phương pháp đo dòng - thời gian (CA) 15 2.3 Các phương pháp đặc trưng vật liệu 16 2.3.1 Phương pháp thế quét vòng tuần hoàn (CV) 16 2.3.2 Phương pháp hiển vi lực nguyên tử (AFM) 18 2.3.3 Phương pháp đo Raman 20 2.3.4.Phương pháp hiển vi quét xuyên hầm lượng tử (STM) 222 Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 26 3.1 Nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu CuNP/G và nghiên cứu hoạt tính xúc tác khử CO2 26 3.1.1 Chế tạo hệ vật liệu CuNP/G bằng phương pháp lắng đọng điện hóa 26 3.1.2 Khảo sát quá trình khử điện hóa CO2 của hệ vật liệu CuNP/G 31 3.2 Nghiên cứu chế tạo hệ vật liệu lai hóa DBV0/CuNP/G và nghiên cứu hoạt tính xúc tác khử CO2 34 3.2.1 Chế tạo hệ vật liệu lai hóa DBV0/CuNP/G bằng phương pháp lắng đọng điện hóa 34 3.2.2 Khảo sát quá trình khử điện hóa CO2 của hệ vật liệu DBV0/CuNP40/G 36 KẾT LUẬN 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 QUYẾT ĐỊNH GIAO TÊN ĐỀ TÀI (BẢN SAO) DANH MỤC ĆAC CHỮ VÍÊT T́ĂT, ĆAC ḰY HIỆU DANH MỤC ĆAC CHỮ VÍÊT T́ĂT Chữ viết tắt Tên Tiếng Anh Tên Tiếng Việt AFM Atomic force microscopy Hiển vi lực nguyên tử CA Chronoamperometry Phương pháp dòng theo thời gian CDR Copper dissolution reaction Phản ứng hòa tan đồng CE Counter electrode Điện cực phụ trợ CO2R CO2 reduction Khử điện hoá CO2 CuNP Cu nano particle Nano đồng CV Cyclic voltammetry Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn DBV Dibenzyl viologen FCC Face centered cubic Lập phương tâm mặt G-Cu Graphene on copper foil Graphene trên đế đồng J Current density Mật độ dòng HER Hydrogen evolution reaction Phản ứng tạo hydrogen bay hơi HOPG Highly oriented pyrolytic Graphite nhiệt phân định hướng cao graphite LSV Linear sweep voltammetry Phương pháp quét thế tuyến tính STM Scanning tunneling Hiển vi xuyên hầm điện hóa microscopy Raman Raman spectroscopy Phổ Raman RE Reference electrode Điện cực so sánh WE Working electrode Điện cực làm việc DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU E Điện thế của điện cực làm việc so với điện cực so sánh Ag/AgCl (CKCl = 3M) It Cường độ dòng xuyên hầm DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Mô hình cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm diện 4 Hình 1.2: Mặt phẳng (111) trong mạng tinh thể Cu 4 Hình 1.3: Cấu trúc của graphene [1] 6 Hình 1.4: Các dạng thù hình của cacbon: graphene đến fullerene, ống nano carbon [2] 7 Hình 1.5: Các trạng thái oxi hóa của Metyl viologen [4] 7 Hình 1.6: Cấu tạo hóa học của phân tử DBV 9 Hình 2.1: Hình ảnh sục khí N2 và CO2 vào dung dịch KOH 1M 13 Hình 2.2: Điện cực HOPG (a) và graphene (b) 14 Hình 2.3: Thiết bị điện hóa DY2300 tại trường đại học Quy Nhơn 14 Hình 2.4: Nguyên tắc hoạt động của hệ 3 điện cực, CE: điện cực phụ trợ, WE: điện cực làm việc, RE: điện cực so sánh 17 Hình 2.5: Đường cong biểu diễn mối quan hệ i-E có các pic đặc trưng, 17 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý làm việc của kính hiển vi lực nguyên tử 19 Hình 2.7: Kính hiển vi lực nguyên tử AFM 20 Hình 2.8: Sơ đồ biến đổi Raman 21 Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý hệ đo Raman 22 Hình 2.10: Nguyên tắc hoạt động của kính hiển vi quét xuyên hầm (STM): Ub: điện thế bias; It: dòng điện xuyên hầm; Ux và Uy: điện thế theo trục ngang - song song với bề mặt mẫu; Uz: điện thế theo trục dọc - vuông góc với bề mặt mẫu 24 Hình 2.11: Chế độ làm việc của STM; a) Dòng điện không đổi; b) Chiều cao không đổi 24 Hình 3.1: Đường cong CV mô tả tính chất điện hóa của vật liệu màng graphene trong dung dịch H2SO4 Hình chèn là hình thái bề mặt của vật liệu màng graphene trên đế Cu 26 Hình 3.2: Phổ Raman của vật liệu G-Cu sau khi được khảo sát tính chất điện hóa 27 Hình 3.3: Hình ảnh AFM và STM của vật liệu màng graphene trên đế Cu sau khi xử lý điện hóa 28 Hình 3.4: Hình ảnh AFM của hệ vật liệu CuNP10/G sau khi được lắng đọng điện hóa từ dung dịch CuSO4 tại điện thế E = -0.8V vs Ag/AgCl trong thời gian 10s 29 Hình 3.5: Hình ảnh AFM của hệ vật liệu CuNP40/G sau khi được lắng đọng điện hóa trong dung dịch CuSO4 tại điện thế E = -0.8V vs Ag/AgCl trong thời gian 40s 30 Hình 3.6: Hình ảnh STM của hệ vật liệu CuNP40/G sau khi được lắng đọng điện hóa trong dung dịch CuSO4 tại điện thế E = -0.8V vs Ag/AgCl trong thời gian 40s 31 Hình 3.7: Đồ thị LSV mô tả quá trình khử CO2 trong dung dịch KOH 32 Hình 3.8: Cơ chế khử CO2 thành các sản phẩm hydrocarbon có số phân tử carbon lớn hơn hoặc bằng 2 của hạt CuNP [35] 33 Hình 3.9: Hình ảnh AFM của hệ vật liệu CuNP40/G sau khi tham gia quá trình khử điện hóa CO2 tại điện thế E = -1.4V vs Ag/AgCl 34 Hình 3.10: Quá trình chế tạo hệ vật liệu lai hóa DBV0/CuNP40/G bằng phương pháp CA 35 Hình 3.11: Hình ảnh AFM của hệ vật liệu lai hóa DBV0/CuNP40/G sau khi được lắng đọng điện hóa trong dung dịch DBV 1mM + H2SO4 10mM tại điện thế E = -1.4 vs Ag/AgCl trong thời gian 120s 36 Hình 3.12: Đồ thị LSV mô tả quá trình khử CO2 của hệ vật liệu DBV0/CuNP40/G trong dung dịch KOH 37