›
›

Nghiên cứu tính chất quang xúc tác của lớp chuyển tiếp dị thể p-Si/n-ZnO/n-ZnO:Sn cấu trúc dây nano chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt

Download
TẠP CHÍ KHOA HỌC − SỐ 18/2017  
75  
NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT QUANG XÚC TÁC CỦA LỚP  
CHUYỂN TIẾP DỊ THỂ pꢀSi/nꢀZnO/nꢀZnO:Sn CẤU TRÚC  
DÂY NANO CHẾ TẠO BẰNG PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT  
Nguyꢀn Đình Lãm1, Nguyꢀn Thꢁ Hoa1, Nguyꢀn Văn Hùng1,  
Phꢂm Văn Vĩnh1, Đꢃng Trꢄn Chiꢅn2  
1 Trưꢀng Đꢁi hꢂc Sư phꢁm Hà Nꢃi  
2Trưꢀng Đꢁi hꢂc Tài nguyên & Môi trưꢀng Hà Nꢃi  
Tóm tꢄt: Đꢅ tăng hiꢆu suꢇt phꢈn ꢉng quang xúc tác cꢊa nꢋZnO, chúng tôi ñã pha vào nꢋ  
ZnO mꢃt lưꢌng Sn nhꢇt ñꢍnh. Khi ñó Sn4+ thay vào các vꢍ trí Zn2+, kꢎt quꢈ là có thêm hai  
electron tꢏ do bꢐ sung, góp phꢑn vào sꢏ dꢒn ñiꢆn. Sꢏ sai khác trong bán kính ion cꢊa  
Sn4+ (0,071 nm) và Zn2+ (0,074 nm) rꢇt nhꢓ nên các ion Sn4+ có thꢅ dꢔ dàng tích hꢌp vào  
các mꢁng tinh thꢅ ZnO. Do ñó ZnO pha tꢁp Sn có thꢅ tăng khꢈ năng dꢒn ñiꢆn cũng như  
quang xúc tác. Kꢎt quꢈ ño quang xúc tác cho thꢇy khi pha tꢁp Sn ꢕ các nꢖng ñꢃ 0 % ñꢎn  
3% thì sꢏ giꢈm nꢖng ñꢃ RhB bꢕi pꢋSi/ZnO/nꢋZnO:1%Sn thanh nano là cao nhꢇt so vꢗi  
các mꢒu khác trong cùng mꢃt thꢀi gian. Cꢇu trúc pꢋSi/ZnO/nꢋZnO:Sn (1ꢋ3% Sn) thanh  
nano thꢅ hiꢆn khꢈ năng hoꢁt ñꢃng quang xúc tác cao hơn so vꢗi cꢇu trúc pꢋSi/ZnO thanh  
nano.  
Tꢘ khóa: ZnO pha tꢁp Sn, pꢋSi/nꢋZn thanh nano, pꢋSi/nꢋZnO/nꢋZnO:Sn thanh nano.  
Nhꢀn bài ngày 11.8.2017; gꢁi phꢂn biꢃn, chꢄnh sꢁa và duyꢃt ñăng ngày 10.9.2017  
Liên hꢃ tác giꢂ: Nguyꢅn Đình Lãm; Email: lam.nd@hnue.edu.vn  
1. Mꢆ ĐꢇU  
ZnO vꢆi vai trò là chꢇt xúc tác quang hóa ñã thu hút ñưꢈc sꢉ quan tâm cꢊa nhiꢋu nhà  
khoa hꢌc trên thꢍ giꢆi. Do các ưu ñiꢎm nꢏi bꢀt cꢊa ZnO như giá thành rꢐ, bꢋn trong nhꢑng  
ñiꢋu kiꢃn môi trưꢒng khác nhau, không ñꢓc hꢔi, không gây ô nhiꢅm thꢕ cꢇp. ZnO dùng  
làm chꢇt xúc tác sꢖ ñꢗy nhanh quá trình phân hꢊy chꢇt hꢑu cơ dưꢆi ánh sáng tꢁ ngoꢔi (có  
bưꢆc sóng λ < 380 nm) [1]. Vì vꢀy, vꢀt liꢃu ZnO ñưꢈc nghiên cꢕu và sꢁ dꢘng rꢓng rãi  
trong lĩnh vꢉc xꢁ lý môi trưꢒng nưꢆc và khí vꢆi vai trò là chꢇt xúc tác quang hóa. Tuy  
nhiên, ZnO có ñꢓ rꢓng vùng cꢇm lꢆn (3.37 eV) do ñó nó chꢊ yꢍu nhꢀn kích thích trong  
vùng ánh sáng tꢁ ngoꢔi tꢕc là trong phꢂn ꢕng quang xúc tác, ZnO chꢄ sꢁ dꢘng ñưꢈc tꢙ 3ꢚ  
5% năng lưꢈng mꢛt trꢒi [2]. Đꢎ làm tăng hiꢃu suꢇt cꢊa phꢂn ꢕng quang xúc tác cꢊa ZnO,  
76  
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐÔ Hꢀ NỘI  
nhiꢋu giꢂi pháp khác nhau ñã ñưꢈc nghiên cꢕu. Gꢜn ñây sꢉ pha tꢔp kim loꢔi hoꢛc oxit vꢆi  
ZnO giúp tăng khꢂ năng quang xúc tác ñã thu ñưꢈc nhiꢋu sꢉ chú ý cꢊa các nhóm các nhà  
khoa hꢌc khác nhau. Có nhiꢋu biꢃn pháp làm tăng khꢂ năng quang xúc tác cꢊa ZnO. Vꢀt  
liꢃu C3N4/ZnO, Ag/ZnO, CuS/ZnO, ZnO pha tꢔp Al cũng như màng ZnO nanorods trên ñꢍ  
Si có khꢂ năng quang xúc tác mꢔnh ñã ñưꢈc nghiên cꢕu chꢍ tꢔo thành công [3ꢚ6]. Đꢝi vꢆi  
pꢚSi/nꢚZnO thanh nano thì lꢆp ZnO thanh nano có tác dꢘng hꢇp thu ánh sáng và chꢝng  
phꢂn xꢔ. Lꢆp tiꢍp xúc dꢞ thꢎ pꢚn khi ghép 2 vꢀt liꢃu (ZnO và Si) có ñꢓ rꢓng vùng cꢇm khác  
nhau sꢖ làm cꢂn trꢟ khꢂ năng tái hꢈp cꢊa cꢛp ñiꢃn tꢁ ꢚ lꢠ trꢝng do ñó hiꢃu suꢇt quang xúc  
tác ñưꢈc cꢂi thiꢃn. Nhiꢋu tꢔp chꢇt kim loꢔi hóa trꢞ 4 ñã ñưꢈc thêm vào nꢚZnO ñꢎ tăng  
cưꢒng tính chꢇt ñiꢃn và tính chꢇt quang hꢌc cꢊa nó. Khi ZnO pha tꢔp Sn, các ion Sn4+ thay  
vào các vꢞ trí Zn2+, kꢍt quꢂ là có thêm hai electron tꢉ do ñóng góp ñáng kꢎ vào tính dꢡn  
ñiꢃn cꢊa ZnO. Do sꢉ sai khác trong bán kính ion cꢊa Sn4+ (0,071 nm) và Zn2+ (0,074 nm)  
là rꢇt nhꢢ nên các ion Sn4+ có thꢎ dꢅ dàng tích hꢈp vào mꢔng tinh thꢎ ZnO [7]. Do ñó ZnO  
pha tꢔp chꢇt Sn có thꢎ tăng khꢂ năng dꢡn ñiꢃn cũng như quang xúc tác. Có nhiꢋu kꢣ thuꢀt  
chꢍ tꢔo màng ZnO khác nhau nhưng phương pháp solꢚgel và thꢊy nhiꢃt là tương ñꢝi ñơn  
giꢂn và rꢐ tiꢋn. Do ñó chúng tôi chꢌn hai phương pháp trên ñꢎ chꢍ tꢔo cꢇu trúc pꢚSi/nꢚ  
ZnO/nꢚZnO:Sn thanh nano. Viꢃc ñánh giá khꢂ năng quang xúc tác cꢊa cꢇu trúc chꢍ tꢔo  
ñưꢈc thông qua viꢃc sꢁ dꢘng chꢇt thꢁ là Rothamine B (RhB).  
2. THꢈC NGHIꢉM  
2.1. Chꢅ tꢂo mꢊu  
20 ml dung dꢞch Isopropyl alcohol (IPA) có chꢕa 0.438 g Zn(CH3COO)2.2H2O ñưꢈc  
khuꢇy ñꢋu trong khoꢂng 1h bꢤng máy khuꢇy tꢙ ꢟ nhiꢃt ñꢓ phòng. Sau ñó thêm 1 ml  
Diethylamine (DEA) vào dung dꢞch trên và tiꢍp tꢘc khuꢇy tꢙ trong khoꢂng 1h ñꢎ ñưꢈc  
dung dꢞch ñꢥng nhꢇt và trong suꢝt có nꢥng ñꢓ 0.1 M. Đꢍ silic ñưꢈc xꢁ lý sꢔch bꢤng cách  
ngâm trong dung dꢞch NaOH khoꢂng 20 phút sau ñó rꢁa bꢤng nưꢆc sꢔch rꢥi ngâm trong  
trong cꢥn khoꢂng 15 phút. Rꢁa lꢔi ñꢍ bꢤng nưꢆc cꢇt và sꢇy khô. Đꢍ silic ñưꢈc phꢊ 1 lꢆp  
dung dꢞch trong suꢝt ZnO 0.1 M bꢤng phương pháp spinꢚcoating vꢆi tꢝc ñꢓ 3000 vòng  
trong 30s. Sau ñó lꢆp mꢢng ZnO này gꢌi là mꢜm ZnO trên ñꢍ silic ñưꢈc sꢇy ꢟ nhiꢃt ñꢓ 150  
oC trong 20 phút. Lꢆp mꢜm này tiꢍp tꢘc ñưꢈc ꢊ nhiꢃt bꢤng lò nung ꢟ nhiꢃt ñꢓ 500oC trong  
1h vꢆi tꢝc ñꢓ gia nhiꢃt 5oC/phút. Dung dꢞch thꢊy nhiꢃt ñưꢈc tꢔo ra như sau: Hòa tan  
Zn(NO3)2.6H2O và C6H12N4 vꢆi tꢄ lꢃ mol là 1:2 trong nưꢆc cꢇt, nꢥng ñꢓ dung dꢞch là  
20mM. Tꢔp chꢇt SnCl4.5H2O vꢆi các nꢥng ñꢓ khác nhau ñưꢈc pha vào dung dꢞch trên.  
Nꢥng ñꢓ pha tꢔp Sn4+ thay ñꢏi tꢙ 0 ñꢍn 3 % (% mol). Khuꢇy ñꢋu dung dꢞch bꢤng máy  
khuꢇy tꢙ trong khoꢂng 60 phút. Lꢆp mꢜm ZnO trên ñꢍ silic ñưꢈc ñꢛt trong bình thꢊy nhiꢃt  
TẠP CHÍ KHOA HỌC − SỐ 18/2017  
77  
chꢕa dung dꢞch thꢊy nhiꢃt. Quá trình thꢊy nhiꢃt ñưꢈc tiꢍn hành trong thꢒi gian 120 phút ꢟ  
nhiꢃt ñꢓ 80oC. Sau khi quá trình thꢊy nhiꢃt kꢍt thúc, các mꢡu thu ñưꢈc có cꢇu trúc pꢚSi/nꢚ  
ZnO/nꢚZn(1ꢚx)SnxO thanh nano ñưꢈc rꢁa bꢤng nưꢆc cꢇt và sꢇy khô.  
2.2. Khꢋ quang xúc tác  
Hoꢔt tính quang xúc tác cꢊa mꢡu chꢍ tꢔo ñưꢈc khꢂo sát bꢟi quá trình phân hꢊy RhB  
dưꢆi bꢕc xꢔ cꢉc tím (UV). Mꢓt mꢡu kích thưꢆc 2x2 cm ñưꢈc ñꢛt trong 100ml dung dꢞch  
RhB có nꢥng ñꢓ ban ñꢜu là 5 mg.Lꢚ1. Nguꢥn tia cꢉc tím là mꢓt ñèn thꢊy ngân 250W ñꢛt ꢟ  
khoꢂng cách 30 cm ñꢎ hꢔn chꢍ tác dꢘng nhiꢃt. Trong khoꢂng thꢒi gian 60 phút, cꢕ sau các  
khoꢂng thꢒi gian nhꢇt ñꢞnh (10 phút), 3 ml dung dꢞch lꢔi ñưꢈc lꢇy ra và phân tích bꢟi  
quang phꢏ kꢍ UVꢚVis (Jasco, Vꢚ670) ꢟ bưꢆc sóng 554nm. Sau mꢠi chu kỳ, các mꢡu ñưꢈc  
rꢁa ñꢎ loꢔi bꢢ các phân tꢁ dư và nhúng lꢔi vào dung dꢞch sꢔch vꢆi cùng nꢥng ñꢓ và thꢎ tích  
như trưꢆc. Quá trình này ñưꢈc lꢛp lꢔi ñꢎ xác nhꢀn rꢤng cꢇu trúc có khꢂ năng tái sꢁ dꢘng.  
Khꢂ năng ñáp ꢕng quang ñiꢃn ñưꢈc xác ñꢞnh vꢆi các thiꢍt bꢞ gꢥm ñꢥng hꢥ vꢔn năng  
Keithley 2000, nguꢥn cꢇp ñiꢃn mꢓt chiꢋu và ñèn thꢊy ngân 250W.  
3. KꢌT QUꢍ VÀ THꢍO LUꢎN  
ꢦnh SEM cꢊa cꢇu trúc ZnO thanh nano vꢆi các nꢥng ñꢓ pha tꢔp Sn khác nhau và ñꢥ  
thꢞ mô tꢂ sꢉ thay ñꢏi mꢀt ñꢓ thanh nano ZnO:Sn theo nꢥng ñꢓ pha tꢔp Sn thꢎ hiꢃn ꢟ Hình  
1. Hình ꢂnh cho thꢇy vꢆi nꢥng ñꢓ Sn thay ñꢏi tꢙ 0% ñꢍn 3%, kích thưꢆc thanh nano thay  
ñꢏi không ñáng kꢎ nhưng có sꢉ thay ñꢏi mꢀt ñꢓ rõ rꢃt.  
Hình 1. ꢙnh SEM cꢊa các cꢇu trúc ZnO:Sn thanh nano vꢗi các nꢖng ñꢃ Sn thay ñꢐi  
tꢘ 0% ñꢎn 3% và ñꢖ thꢍ mô tꢈ sꢏ thay ñꢐi mꢚt ñꢃ thanh nano ZnO:Sn theo nꢖng ñꢃ pha tꢁp Sn.  
78  
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐÔ Hꢀ NỘI  
Hình 2. Giꢈn ñꢖ nhiꢔu xꢁ tia X cꢊa các mꢒu ZnO: Sn thanh nano  
vꢗi nꢖng ñꢃ Sn tꢘ 0% ñꢎn 3%.  
Hình 2 là giꢂn ñꢥ nhiꢅu xꢔ tia X cꢊa các cꢇu trúc ZnO:Sn thanh nano vꢆi các nꢥng ñꢓ  
Sn thay ñꢏi tꢙ 0% ñꢍn 3%. Theo ñó, khi không pha tꢔp Sn thì ñꢄnh (002) có cưꢒng ñꢓ lꢆn  
nhꢇt. Điꢋu này thꢎ hiꢃn mꢡu có sꢉ ñꢞnh hưꢆng mꢔnh theo trꢘc c. Khi pha tꢔp 1% Sn thì  
cưꢒng ñꢓ ñꢄnh (002) vꢡn có giá trꢞ lꢆn nhꢇt và các ñꢄnh còn lꢔi có giá trꢞ cưꢒng ñꢓ tăng.  
Khi nꢥng ñꢓ Sn tăng lên 2% và 3% thì cưꢒng ñꢓ các ñꢄnh nhiꢅu xꢔ tăng mꢔnh.  
Khꢂ năng quang xúc tác cꢊa cꢇu trúc pꢚSi/nꢚZnO/nꢚZnO:Sn thanh nano ñưꢈc ñánh giá  
bꢤng viꢃc phân hꢊy thuꢝc nhuꢓm RhB dưꢆi ánh sáng ñèn thꢊy ngân. Trong quá trình ñánh  
giá khꢂ năng phân hꢊy RhB, sꢉ giꢂm nꢥng ñꢓ RhB ñưꢈc xác ñꢞnh bꢟi cưꢒng ñꢓ ñꢄnh hꢇp  
thꢘ RhB tꢔi bưꢆc sóng 554nm (Hình 3a) trình bày sꢉ suy giꢂm nꢥng ñꢓ RhB theo thꢒi gian  
chiꢍu sáng cꢊa các mꢡu pꢚSi/nꢚZnO/nꢚZnO:Sn thanh nano vꢆi nꢥng ñꢓ pha tꢔp Sn tꢙ 0 %  
ñꢍn 3% (Hình 3b) cho thꢇy sꢉ suy giꢂm nꢥng ñꢓ RhB theo thꢒi gian chiꢍu sáng cꢊa mꢡu pꢚ  
Si/nꢚZnO thanh nano.  
Hình 3. a) Sꢏ thay ñꢐi nꢖng ñꢃ RhB theo thꢀi gian cꢊa các mꢒu pꢋSi/nꢋZnO/nꢋZnO:Sn  
thanh nano vꢗi nꢖng ñꢃ pha tꢁp Sn tꢘ 0 % ñꢎn 3%.  
b) Sꢏ thay ñꢐi nꢖng ñꢃ RhB theo thꢀi gian cꢊa mꢒu pꢋSi/nꢋZnO.  
TẠP CHÍ KHOA HỌC − SỐ 18/2017  
79  
C và Co trong hình 3a lꢜn lưꢈt là nꢥng ñꢓ RhB sau mꢠi khoꢂng thꢒi gian chiꢍu sáng và  
nꢥng ñꢓ RhB ban ñꢜu. Trưꢆc khi chiꢍu sáng, dung dꢞch RhB ñưꢈc ñꢎ trong tꢝi khoꢂng 30  
phút. Kꢎ tꢙ khi bꢧt ñꢜu chiꢍu tia UV, nꢥng ñꢓ dung dꢞch RhB giꢂm theo thꢒi gian. Sau 60  
phút chiꢍu sáng, sꢉ giꢂm nꢥng ñꢓ RhB cꢊa các cꢇu trúc pꢚSi/nꢚZnO/nꢚZnO:Sn (0ꢚ3% Sn)  
thanh nano lꢜn lưꢈt là 68, 80, 78 và 76%. Tꢙ kꢍt quꢂ này, có thꢎ thꢇy sꢉ giꢂm nꢥng ñꢓ  
RhB bꢟi pꢚSi/ZnO/nꢚZnO:1%Sn thanh nano là cao nhꢇt so vꢆi các mꢡu khác trong cùng  
mꢓt thꢒi gian. Cꢇu trúc pꢚSi/ZnO/nꢚZnO:Sn (1ꢚ3% Sn) thanh nano thꢎ hiꢃn khꢂ năng hoꢔt  
ñꢓng quang xúc tác cao hơn so vꢆi cꢇu trúc pꢚSi/ZnO thanh nano (hình 3b).  
4. KꢌT LUꢎN  
Chúng tôi ñã chꢍ tꢔo thành công lꢆp chuyꢎn tiꢍp dꢞ thꢎ pꢚSi/nꢚZnO/nꢚZnO:Sn có cꢇu  
trúc thanh nano. Các phép ño quang xúc tác cho thꢇy khꢂ năng quang xúc tác cꢊa các cꢇu  
trúc pꢚSi/nꢚZnO/nꢚZnO:Sn thanh nano tꢝt hơn cꢇu trúc pꢚSi/nꢚZnO. Sꢉ giꢂm nꢥng ñꢓ RhB  
bꢟi pꢚSi/ZnO/nꢚZnO:1%Sn thanh nano là cao nhꢇt so vꢆi các mꢡu khác trong cùng mꢓt  
thꢒi gian. Cꢇu trúcpꢚSi/nꢚZnO thanh nano và pꢚSi/ZnO/nꢚZnO:Sn thanh nano khá bꢋn và là  
chꢇt quang xúc tác có khꢂ năng tái sꢁ dꢘng cao.  
TÀI LIꢉU THAM KHꢍO  
1. Ü. Özgüra, et al. (2005), "A comprehensive review of ZnO materials and devices", Journal of  
Applied Physics 98 p.041301.  
2. Bhar, S. and Ananthakrishnan, R. (2005), "Utilization of Ru(ii)ꢚcomplex immobilized ZnO  
hybrid in presence of Pt(ii) coꢚcatalyst for photocatalytic reduction of 4ꢚnitrophenol under  
visible light", RSC Advances. 5, p.20704.  
3. Ghosh, A. and Mondal, A. (2005), "Fabrication of stable, efficient and recyclable pꢚCuO/nꢚ  
ZnO thin film heterojunction for visible light driven photocatalytic degradation of organic  
dyes", Vol. 164.  
4. Lu, J., et al. (2016), "Synthesis and properties of Au/ZnO nanorods as a plasmonic  
photocatalyst", Physica E: Lowꢋdimensional Systems and Nanostructures. 78, p.41.  
5. Pruna, A., Pullini, D., and Busquets, D. (2015), "Effect of AZO film as seeding substrate on  
the electrodeposition and properties of Alꢚdoped ZnO nanorod arrays", Ceramics  
International. 41, p.14492.  
6. Eskandari, M., Ahmadi, V., and Ahmadi, S.H. (2010), "Growth of Alꢚdoped ZnO nanorod  
arrays on the substrate at low temperature", Physica E: Lowꢋdimensional Systems and  
Nanostructures. 42, p.1683.  
7. Acharya, A.D., et al. (2012), "Growth and characterization of nanoꢚstructured Sn doped ZnO",  
Journal of Molecular Structure. 1022, p.8.  
80  
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐÔ Hꢀ NỘI  
INVESTIGATION OF PHOTOCATALYTIC  
ACTIVITY OF pꢏSi/nꢏZnO/nꢏZnO:Sn PREPARED  
BY THE HYDROTHERMAL METHOD  
Abstract: ZnO doped Sn has been synthesized in order to improve the efficiency of the  
photocatalysis of ZnO. As Sn4+ ions replaced the Zn2+ site, there will be two additional  
free electrons, thus conducting electricity better. Because the difference in ionic radius of  
Sn4+ (0.071 nm) and Zn2+ (0.074 nm) is very small, Sn4+ ions can be easily integrated into  
the ZnO crystal lattices. Therefore, ZnO doped Sn can enhance electricity conducting as  
well as catalysis. Photocatalytic results showed that when the doped Sn at concentrations  
between 0% and 3%, the reduction in RhB concentration by pꢋSi/nꢋZnO/nꢋZnO:1% Sn  
nanorods was the highest compared to other samples in the same period of time. The pꢋSi  
/nꢋZnO /nꢋZnO: Sn (1ꢋ3% Sn) nanorods show higher photocatalytic activity than the pꢋSi  
/nꢋZnO nanorods.  
Keywords: ZnO doped Sn, the pꢋSi /nꢋZnO /nꢋZnO: Sn nanorods, pꢋSi /nꢋZnO nanorods.  
pdf 6 trang yennguyen 18/04/2022 1260
Download
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu tính chất quang xúc tác của lớp chuyển tiếp dị thể p-Si/n-ZnO/n-ZnO:Sn cấu trúc dây nano chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pdfnghien_cuu_tinh_chat_quang_xuc_tac_cua_lop_chuyen_tiep_di_th.pdf