Tính chất Vật lý.... Tính chất Hóa học.... ứng dụng tính chất quang điện hoá để chê tạo pin mặt trời thế hệ mới.... Phương pháp điện hoá...
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN
^ ^ *1*
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, KHẢO SÁT TÍNH CHÂT VÀ
ỨNG DỤNG MÀNG MỎNG NANO T I 0 2XỐP
MÃ Số: QG 04-05
C H Ủ T R Ì ĐỂ T À I : PGS.TS P H Ạ M VĂ N NH O
C Á C C Á N BÔ T H A M GIA:
1 P G S T S P h ạm V ă n N h o 1 2 C N Phạm Q u a n g H ư n g
3 P G S T S N g u y ễ n T h ế H iệ n 1 4 C N D ư ơ n g Đ ìn h T h u â n
4 T S H o à n g N g ọ c T h à n h 1 5 C N H ổ A n h Q u ân
5 T S P h a n V ă n A n 1 6 S V Đ Ỗ T h à n h Đ a t.
6 T h s N C S T rầ n K im C ư ơ n g 1 7 S V L ê D u y Đ ả m
7 H V C H N g u y ễ n T h ư ợ n g H ả i
8 H V C H V o L ý T h a n h H à 1 8 P ro f Ivan D a v o li
9 H V C H N g u y ễ n T h ị T h u H ằ n g 1 9 D r F D e m a tt e is
1 0 H V C H P h ạ m A n h T u ấn 2 0 D r p P r o p o s ito ,
1 l C N N g u y ễ n Q u a n g T iế n 2 1 B a c h c P a la z z e s i
HÀ N Ộ I - 2005 Đ A I H O C Q U Ố C G I A H A N Ọ !
TR U N G T Ẩ M T H Õ N G - ĨIN " H ư VỊỆ
Trang 2MỤC LỤC
M Ở Đ Ẩ U 1
CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỂ T I 0 2 2
1.1 Tính chất lý hóa của vật liệu T i0 2 2
1.1.1 Cấu trúc tinh thể T Ì02 2
1.1.2 Tính chất Vật lý 3
1.1.3 Tính chất Hóa học 3
1.2 Một số ứng dụng của vật liệu T i0 2 4
1.2.1 ứng dụng chất quang xúc tác T i0 2 trong lĩnh vực mỏi trường 4
1.2.2 ứng dụng tính chất quang điện hoá để chê tạo pin mặt trời thế hệ mới 5
1.3 Các phương pháp chê tạo vật liệu nano T i0 2 7
1.3.1 Phương pháp vật lý 7
1.3.2 Phương pháp điện hoá 8
1.3.3 Phương pháp hóa h ọ c 8
CHƯƠNG I I : CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÀNG ĐIỆN c ự c NANO TIƠ2 X Ố P I I 2.1 Quy trình chẻ tạo bột nano T Ỉ02 và công nghệ làm màng từ b ộ t 11
2.2 Quy trình tạo màng bằng phương pháp nhiệt độ thấp 15
2.2.1 Công nghệ chê tạo 15
2.2.2 Khảo sát các tính chất 15
2.3 Còng nghệ phun màng T i0 2 17
2.3.1 Công nghệ phun phân huỷ nhiệt (Spray pyrolysis) 17
2.3.2 Khảo sát tính chất 18
2.3.2.1 Thành phần màng và kích thước hạt được xác định bàng XRD 18 2.3.2.2 Khả năng pha tạp chất 20
3.3.2.3 Khảo sát mức độ xốp của m àng 20
CHƯƠNG III : ỨNG D Ụ N G 22
3.1 Công nghệ chê tạo màng điện cực trong suốt dản điện 22
3.1.1 Màng điện cực S n 0 2:F 22
3.1.2 Công nghệ chê tạo màng ITO 23
3.1.3 Các đưừng đặc trưng V-A của các lớp tiếp xúc 25
3.1.3.1 Lớp tiếp xúc S n 0 2/ T i 0 2/ S n 0 2 25
3.1.3.2 Lớp tiếp xúc ITO /T i0 2/ I T 0 26
Trang 33.1.3.3 Lớp tiếp xúc SnOr T i0 2- IT O 26
3.2 Chê tạo quang trở nano T i0 2 27
3.2.1 Quang trở T i0 2 pha tạp Sn 27
3.2.2 Quang trở T Ỉ0 2 pha tạp Nitrogen 29
3.3 C h ê tạo điện cự c pin mặt trời 30
3.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Pin quang điện hóa: 30
3.3.2 Điện cực thu S n ơ 2:F/Pt 30
3.3.3 Điện cực b ộ t T i0 2 h o ạ t hoá c h ấ t màu 31
3.3.4 Điện cực T Ỉ0 2 chê tạo bằng phương pháp phun pha tạ p 31
KẾT LU Ậ N 35
TÀI LIỆU THAM K H Á O 37
PHỤ LỤ C ; 39
Trang 4a T ê n đ ề tà i: N g h iên cứu chê tạo, khảo sát tính chất
m à n g T i 0 2 nano xốp và ứng dụng
M ã s ố Q G 0 4 - 0 5
b C h ủ tr ì đ ề tà i: P h ó g iá o sư , T iế n sỹ P h ạ m V ă n N h o
B Á O C Á O T Ó M T Ắ T
c C á c c á n b ộ t h a m g ia :
1 P G S T S P h ạ m V ă n N h o 1 2 C N P h a m Q u a n g H ư n g
2 T S B ù i V ã n L o á t 1 3 C N H o à n g V ă n N a m
3 P G S T S N g u y ễ n T h ế H iệ n 1 4 C N D ư ơ n g Đ ìn h T h u ận
4 TS H o à n g N g ọ c T h à n h 1 5 C N H ồ A n h Q u â n
6 T h s N C S T rần K im C ư ơ n g 17 s v L ê D u y Đ ả m
7 H V C H N g u y ễ n T h ư ợ n g H ải
8 H V C H V õ L ý T h a n h H à 1 8 P ro f Ivan D a v o li
9 H V C H N g u y ễ n T h ị T h u H ằ n g 1 9 D r F D e m a tte is
1 0 H V C H P h ạ m A n h T u ấ n 2 0 D r p P r o p o sito ,
l l C N N g u y ễ n Q u a n g T iế n 2 1 B a c h c P a la z z e sj
d M ụ c t iê u v à n ộ i d ụ n g n g h iê n c ứ u :
- M ụ c t iê u : N g h iê n cứ u c ô n g n g h ệ c h ế tạo v à ứ n g d ụ n g m à n g n a n o
T iO , x ố p
- N ộ i d u n g :
1 N g h iê n c ứ u p h á t triển p h ư ơ n g p h á p lắ n g k ế t s o l- g e l đ ể c h ế tạ o b ộ t
n a n o T i 0 2 từ tiề n c h ấ t T iC l4.
Trang 52 N g h iê n c ứ u c h ế tạ o m à n g n a n o tin h th ể T i 0 2 x ố p :
- K ế t h ợ p v ớ i d ự á n O D E O N - E U F P 6 P hát triển p h ư ơ n g p hấp
s o l- g e l k h ô n g th iê u k ế t d ù n g đ ể c h ế tạ o m à n g T i 0 2 trong
su ố t k íc h th ư ớ c n a n o , đ iề u c h ỉn h đ ư ợ c c h iế t su ấ t, p h ụ c vụ
c h o v iệ c c h ế tạ o c á c lin h k iệ n q u a n g đ iệ n tử th ế h ệ m ớ i.
- Á p đ ụ n g p h ư ơ n g p h áp q u ét m iế t c h ế tạ o m àng T ìO ị x ố p từ
b ộ t T iO , tự c h ế tạ o N g h iê n cứ u ch ấ t kết d ín h và c h ế đ ộ thiêu
k ế t tố i ưu.
- N g h iê n cứ u p h át triển p h ư ơ n g p h á p p h u n n h iệ t p h â n d u n g
d ịc h T 1 CI 4 đ ể tạ o m à n g T i 0 2 n a n o x ố p trực tiế p trên đ ế Đ iề u
k h iể n đ ộ x ố p c ủ a m à n g , T h ử n g h iệ m k h ả n ă n g pha tạp c h o
m à n g b ằ n g c á c tạp ch ấ t n itr o g e n và a n tim o n y
3 N g h iê n c ứ u n â n g c a o p h ẩ m ch ấ t c h ế tạ o m à n g đ iệ n c ự c tron g su ố t
d ẫ n đ iệ n T C O từ tiền ch ấ t S n C ì 4 v à In C l3 N g h iê n cứ u đ ặ c trưng tiế p x ú c c ủ a c á c vật liệ u n à y v ớ i n a n o T ì O t
4 ứ n g d ụ n g m à n g n a n o T Ĩ 0 2 x ố p , T C O đ ể c h ế tạo đ iệ n c ự c pin m ặt trời th e o c ấ u trú c T iO i/S n O i:F K h ả o sát tín h ch ấ t c ủ a đ iệ n c ự c này tro n g c ấ u trúc p in m ặt trời q u a n g đ iệ n h ó a C h ế tạ o q u a n g trở n a n o
T i 0 2.
5 T iế n h à n h k h ả o sá t tín h c h ấ t c ủ a vật liệ u c h ế tạo đ ư ợ c th ô n g q u a
c á c p h é p đ o X R D , X P S , A U G E R , S E M , A F M , đ ặ c trưng V A , p h ổ
h ấ p th ụ , p h ổ tru y ền q u a , q u a n g d ẫn , q u a n g đ iệ n h o á
6 X â y d ự n g m ộ t s ố th iế t b ị c ô n g n g h ệ và đ o lư ờ n g c h u y ê n d ụ n g
Trang 61 K ế t q u ả p h á t triển , h o à n th iệ n c ô n g n g h ệ c h ế tạ o vật liệu :
- Đ ã c ả i b iế n p h ư ơ n g p h á p s o l- g e l v ố n c h u y ê n d ù n g đ ể tạo
m à n g m ỏ n g n a n o T i 0 2 từ vật liệ u a lk o x id e đắt tiền thành
p h ư ơ n g p h á p tạo b ộ t n a n o T ìO t từ vật liệ u rẻ tiề n là T iC l4.
- P hát triển th à n h c ô n g p h ư ơ n g p háp s o l- g e l k h ô n g th iê u k ết,
b ằ n g c á c h tổ n g h ợ p trực tiế p vật liệ u n a n o T i 0 2 từ d u n g d ịc h tro n g q u á trình s o l - g e l
- P h á t triển p h ư ơ n g p h á p p hu n n h iệ t p h â n đ ể c h ế tạ o m à n g
n a n o T i 0 2 trực tiếp từ d u n g d ịc h T 1 CI 4 v à p h a tạp ch ấ t N , Sb
c h o m à n g n a n o T iO , b ằ n g c á c h p h u n h ỗ n h ợ p d u n g d ịch
tư ơ n g ứ n g
- H o à n th iệ n k ỹ thuật c h ế tạ o m àng T C O p h ẩ m c h ấ t c a o
2 K ết q u ả c h ế tạ o vật liệu :
- Đ ã c h ế tạo thành c ô n g bột N a n o T iO ì, m à n g n a n o T i 0 2 c h iề u
d à y từ 3 0 0 n m đ ế n 10 |um, đơn p h a a n a ta s e , k íc h thư ớ c hạt từ
5 - 2 0 n m c ó đ ộ x ố p đ iề u k h iể n đ ư ợ c C h ê tạ o đ ư ợ c vật liệ u
n a n o T ĩO t n h ạ y q u a n g v ù n g k h ả k iế n b ằ n g c á c h p h a tạp chất.
- Đ ã c h ế tạo th àn h c ô n g m à n g đ iệ n cự c S n O ,:F c ó p h ẩ m ch ấ t
tư ơ n g đ ư ơ n g v ớ i c ủ a n ư ớ c n g o à i v à p h ù h ợ p c h o m ụ c tiêu
c h ế tạ o đ iệ n c ự c n a n o T ì O t v ớ i đ ộ tru y ền q u a 8 0 % , đ iệ n trở
n h ỏ h ơ n ì o n / m
- Đ ã c h ế tạ o thành c ô n g đ iệ n c ự c p in m ật trời từ n a n o T i 0 2
x ố p và th ử n g h iệ m thay ch ấ t m à u b ằ n g tạp ch ấ t N , Sb C ác
đ iệ n c ự c n à y c h o suất đ iệ n đ ộ n g q u a n g đ iệ n tư ơ n g đ ư ơ n g vớ i
g iá trị c ô n g b ổ q u ố c tế.
- Đ ã c h ế tạ o thành c ô n g q u a n g trở m à n g n a n o T i 0 2 d ù n g c h o
v iệ c n g h iê n cứ u c ơ c h ế dẫn đ iệ n c ủ a m à n g n a n o TÌO-, v à c h ế
tạ o c ả m b iế n q u a n g h ọ c
e Kết quả
Trang 73 Đ ã x â y d ự n g đ ư ợ c m ộ t s ố th iế t b ị c ô n g n g h ệ c h ế tạ o vật liệ u và đo
lư ờ n g tín h c h ấ t vật liệ u
4 Đ à o tạ o 4 c ử n h â n , 3 lu ậ n án T h ạ c s ĩ ( 1 đ ã b ả o v ệ ), 1 lu ận v ă n TS (đ a n g tiế p tụ c ).
5 Đ ã c ô n g b ố đ ư ợ c 8 c ô n g trình tại c á c h ộ i n g h ị K h o a h ọ c q u ố c g ia
q u ố c tế , 1 b á o c á o k h o a h ọ c sin h v iê n ( n ăm thứ 3 ) H ỗ trợ c h o v iệ c
x u ấ t b ả n g iá o trình “ V ậ t lý lin h k iệ n và s e n s ơ b á n đ ẫ n ”
6 T h iế t lậ p đ ư ợ c q u a n h ệ c ộ n g tác v ớ i k h o a V ậ t lý T rư ờ n g Đ ạ i h ọ c
T O R V E R G A T A , R o m e , Ita ly v ề n g h iê n cứ u c h ế tạ o v à ứ ng d ụ n g vật liệ u N a n o T i 0 2
f T in h h ìn h k in h p h í
H à n ộ i n g à y 3 - 8 - 2 0 0 5
K H O A Q U Ả N LÝ (K ý và ghi r õ họ tên)
C H Ủ T R Ì Đ Ể T À I
/ l
C ơ Q U A N C H Ủ T R Ì Đ Ể T À I
HIỆU TRƯỎNG
*
Trang 8a T itle: P rep a ra tio n , s tu d y in g p ro p erties and a p p lic a tio n o f p o r o u s n an o
T i 0 2 f ilm s C o d e : Q G 0 4 - 0 5
b D irecto r: P ro f D r P h a m V a n N h o
c I m p le m e n to r s :
1 P G S T S P h ạ m V ă n N h o
2 T S B ù i V ã n L o á t
3 P G S T S N g u y ễ n T h ế H iệ n
4 T S H o à n g N g ọ c T h à n h
5 T S P h a n V ă n A n
6 T h s N C S T rần K im C u ơ n g
7 H V C H N g u y ễ n T h ư ợ n g H ải
8 H V C H V o L ý T h a n h H à
9 H V C H N g u y ễ n T h ị T h u H ằ n g
10 H V C H P h ạ m A n h T u ấn
1 1 C N N g u y ễ n Q u a n g T iế n
d A im a n d c o n te n t o f p ro ject:
Aim: S t u d y in g t e c h n o lo g y fo r p rep a ra tio n o f p o r o u s n a n o c r y sta llin e
T i 0 2 f ilm s a n d its a p p lic a tio n
Contents:
1 D e v e l o p in g s o l- g e l m e th o d for p r e c ip ita tio n o f n a n o c r y s ta llin e T i 0 2
p o w d e r fro m T iC l 4 p recu rso r.
2 In c o lla b o r a t io n w ith O D E O N - E U F P 6 p r o jec t, F a c u lty o f p h y s ic s
U n iv e r s it y o f R o m e T O R V E R G A T A d e v e lo p in g a s in te r in g -fr e e s o l-
g e l m e th o d fo r p rep a ra tio n o f tran sp a ren t n a n o m e tr ic T i 0 2 film for
p h o t o e le c t r o n ic a p p lic a tio n
3 U s i n g s q u e e z in g m e th o d fo r p rep a ra tio n o f p o r o u s n a n o T i 0 2 film s fro m s e lf - m a d e T i 0 2 p o w d e r I n v e s tig a tin g o p tim u m t e c h n o lo g ic a l
c o n d itio n s
4 D e v e l o p in g sp r a y p y r o ly s is fo r d ir ec t fo r m a tio n n a n o c r y s ta llin e T i 0 2
o n to h e a te d su b str a te s A tte m p tin g to r e g u la te f ilm s p o r o s ity and to
1 2 C N P h ạm Q u a n g H ư n g
13 C N H o ẩ n g V ă n N a m
14 C N D ư o n g Đ ìn h T h u ận
15 C N H ồ A n h Q u â n
16 SV Đ Ỗ T h à n h Đ ạ t.
1 7 s v L ê D u y Đ ả m
18 P rof Ivan D a v o li
19 Dr F D e m a tte is
2 0 Dr p P r o p o sito ,
2 1 B a ch C P a la z z e s i
Trang 9d o p e n itr o g e n , a n tim o n y in to film s b y th e s a m e sp ra y p y r o ly s is
t e c h n o lo g y
5 E n h a n c in g p e r fo r m a n c e o f T C O fr o m S n C l4, I n C l4 I n v e r stig a tin g
in te r fa c e p r o p e r ty w ith n a n o T i 0 2 m a te r ia ls.
6 C h a r a c te r iz in g o b ta in e d m a teria l b y m e a n s o f R X D , X P S , A U G E R ,
S E M , A F M , a b so r p tio n s p e c ts , tr a n sm itta n c e s p e c ts , V - A
c h a r a c te r is tic s , p h o to e le c tr ic c o n d u c tin g , p h o to e le c tr o c h e m ic a l
m e a s u r e m e n ts
7 B u ild in g u p s o m e s p e c if ic t e c h n o lo g ic a l and m e a su r e m e n t
e q u ip m e n ts
Results:
1 R e s u lts o f d e v e lo p in g and im p r o v in g t e c h n o lo g y fo r m aterial
p rep a ra tio n :
- It h a s b e e n s u c c e s s f u ll y d e v e lo p e d c o n v e n tio n a l s o l- g e l m e th o d for: + P r e p a r in g n a n o c r y s ta llin e T i 0 2 p o w d e r fro m c h e a p T iC l 4 p recu rso r + D ir e c t fo r m a tio n o f n a n o T i 0 2 fro m s o lu tio n w ith o u t sin te r in g
- T h e sp r a y p y r o ly s is h a s b e e n fru itfu lly im p r o v e d for:
+ D ir e c t fo r m a tio n o f n a n o c r y sta llin e T i 0 2 fro m s o lu tio n o f T iC l4 + D o p in g T i 0 2 w ith n itr o g e n , a n tim o n y a g e n ts.
+ P r e p a r a tio n o f h ig h p e r fo r m a n c e T C O
2 It h a s b e e n p rep a red n a n o c r y sta llin e T i 0 2 o f s in g le a n a ta se p h a se w ith
c r y s ta llin e s iz e in o rd er from 5 to 2 0 n m , and n a n o T i 0 2 film s o f
th ic k n e s s fr o m 3 0 0 n m to lO^im o f c o n tr o lle d p o r o s ity
3 T h e h ig h p e r fo r m a n c e S n 0 2:F h a s b e e n p rep a red C h a r a c te r istic s o f it
m a y b e c o m p a r e d to c o m m e r c ia l p ro d u cts: tr a n sm itta n c e is o f 80% ,
r e s is ta n c e is b e l o w 1 0 Q./□
8 T h is p r o je c t h a s s u c c e s s f u lly p rep a red a p o r o u s T i 0 2 e le c tr o d e s fo r
p h o t o e le c t r o c h e m ic a l so la r c e ll w ith n itr o g e n , a n tim o n y d o p a n ts, that
o p e r a te s in th e v is ib le r e g io n o f s p e c tu m T h e ir p h o to e m f is in
c o m p a r is o n w it h litera tu re data.
9 It h a s b e e n a ls o p re p a r e d n a n o T i 0 2 p h o to r e s is to r fo r in v e s tig a tio n o f
c o n d u c t in g m e c h a n is m and fo r u s e as p h o to s e n s o r
1 0 D u r in g p r o je c t, s o m e s p e s if ic t e c h n o lo g ic a l and m e a s u r e m e n t
e q u ip m e n t h a v e b e e n m a n u fa ctu red
1 1 T r a in in g r esu lts:
B c h e lo r s : 4 , M a s te r th e sis: 3 , P h D th e sis: 1 ( c o n t in u in g )
1 2 P u b lic a tio n : 8