Luận án hóa lí thuyết

Oxit của kim loại chuyển tiếp là vật liệu điện cực quan trọng đối với tụ điện giả, trong đó mangan đioxit MnO2 là vật liệu được ứng dụng nhiều do chi phí thấp, dung lượng cao và khả năng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐẠO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Người hướng dẫn khoa học:

TS LƯƠNG THỊ THU THỦY

Hà Nội - 2013

Nguyễn Thị Thúy Mùi 2 Khóa luận tốt nghiệp 2013

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Lương Thị Thu Thủy giảng viên

khoa Hóa trường đại học sư phạm Hà Nội, đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành khóa luận này

Em cũng xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Lê Văn Khu giảng viên khoa

Hóa trường đại học sư phạm Hà Nội, người đã tận tình giúp đỡ em trong suốt thời gian tiến hành làm thực nghiệm tại tổ hóa lý

Đồng thời, em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo công tác trong tổ bô ̣ môn Hó a lý, khoa Hóa Học - Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội đã tạo điều kiện tốt nhất để em hoàn thành khóa luận

Cuối cùng, em xin được gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đã ủng hộ, giúp

đỡ và động viên em trong suốt thời gian qua

Trong quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài, em không tránh khỏi những thiếu sót, em kính mong nhận được sự chỉ dạy quý báu từ thầy cô để khóa luận được hoàn thành tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, tháng 5 năm 2013

Sinh viên

Nguyễn Thị Thúy Mùi

Nguyễn Thị Thúy Mùi 3 Khóa luận tốt nghiệp 2013

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 5

1 Lý do chọn đề tài 5

2 Mục đích và nội dung nghiên cứu 6

Chương 1 – TỔNG QUAN 7

1.1 TỔNG QUAN VỀ MANGAN ĐIOXIT 7

1.1.1 Các đặc trưng cơ bản 7

1.1.2 Các phương pháp tổng hợp mangan đioxit 8

1.1.3 Sử dụng MnO2 làm vật liệu điện cực cho tụ điện hóa 10

1.2 TỔNG QUAN VỀ TỤ ĐIỆN HÓA 11

1.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tụ điện hóa 11

1.2.2 Các đại lượng đặc trưng cho tụ điện hóa 12

1.2.3 Sự phân loại tụ điện hóa 13

1.2.4 Một số ứng dụng của tụ điện hóa 14

Chương 2 – THỰC NGHIỆM 16

2.1 HÓA CHẤT VÀ QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 16

2.1.1 Hóa chất 16

2.1.2 Tổng hợp MnO2 16

2.1.3 Tế bào điện hóa và quy trình chế tạo điện cực 17

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SỬ DỤNG 18

2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 18

2.2.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 19

2.2.3 Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) 20

2.2.4 Phương pháp phân cực chu kỳ tuần hoàn (CV) 20

Chương 3 – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 23

3.1 CÁC ĐẶC TRƯNG HÓA LÍ CỦA MnO2 CHẾ TẠO 23

3.1.1 Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) 23

Nguyễn Thị Thúy Mùi 4 Khóa luận tốt nghiệp 2013

3.1.2 Nghiên cứu bằng phương pháp nhiễu xạ tia X 24

3.1.3 Nghiên cứu bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) 25

3.2 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN HÓA KHI DÙNG MnO2 LÀM VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC CHO TỤ ĐIỆN HÓA 30

3.2.1 Ảnh hưởng của tốc độ quét thế 30

3.2.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ tổng hợp MnO2 33

KẾT LUẬN 37

TÀI LIỆU THAM KHẢO 38

Nguyễn Thị Thúy Mùi 5 Khóa luận tốt nghiệp 2013

đã được ứng dụng nhiều trong cuộc sống Tuy nhiên các nguồn năng lượng gió và mặt trời có nhược điểm là không liên tục Do đó đặt ra yêu cầu: nâng cao chất lượng các thiết bị tích trữ năng lượng điện, đặc biệt là: pin, ăcquy và tụ điện hóa để đảm bảo việc sử dụng nguồn năng lượng này không bị gián đoạn Pin và ăcquy là những nguồn điện hóa rất phổ biến nhưng có nhược điểm là: dung lượng hạn chế, các sản phẩm phế thải của chúng không thân thiện với môi trường Trong đó tụ điện hóa có

ưu điểm lớn nhất là có công suất riêng lớn (lớn hơn khoảng 100 lần so với ăcquy),

có thể làm việc với chế độ dòng nạp – phóng lớn và thời gian nạp ngắn (khoảng vài giây) Một ưu điểm nữa của tụ điện hóa là có số chu kỳ làm việc lớn hơn nhiều so với ăcquy (thời gian sử dụng lâu hơn) Vì vậy tụ điện hóa hiện đang thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu với mục đích ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

Một trong những yếu tố quyết định cho khả năng làm việc của tụ điện hóa là vật liệu điện cực Hiện nay, các nhà khoa học tập trung vào ba hướng nghiên cứu vật liệu điện cực chính, đó là: các oxit của kim loại có nhiều trạng thái oxi hóa (oxit của kim loại chuyển tiếp) như MnO2, RuO2…[5-12]; các polyme dẫn [13-15] và than hoạt tính [16-18] Oxit của kim loại chuyển tiếp là vật liệu điện cực quan trọng đối với tụ điện giả, trong đó mangan đioxit (MnO2) là vật liệu được ứng dụng nhiều

do chi phí thấp, dung lượng cao và khả năng tương thích môi trường tốt Vì vậy,

trong khuôn khổ đề tài khóa luận tốt nghiệp, chúng tôi đã chọn đề tài: Tổng hợp MnO 2 và nghiên cứu thuộc tính điện của MnO 2 dùng làm điện cực cho tụ điện hóa

Nguyễn Thị Thúy Mùi 6 Khóa luận tốt nghiệp 2013

2 Mục đích và nội dung nghiên cứu

 Tổng hợp vật liệu mangan đioxit bằng phản ứng oxi hóa khử giữa KMnO4

(dung dịch) với MnSO4 (dung dịch)

 Xác định cấu trúc và tính chất hóa lý của vật liệu tổng hợp được bằng các phương pháp vật lý như IR, nhiễu xạ tia X và SEM

 Khảo sát tính chất điện hóa của vật liệu thu được trong môi trường chất điện

li

Nguyễn Thị Thúy Mùi 7 Khóa luận tốt nghiệp 2013

MnO2 có cấu trúc phức tạp, hiện nay lí thuyết cho rằng MnO2 có cấu trúc đường hầm và cấu trúc lớp, 2 cấu trúc này được công nhận phổ biến nhất Theo lí thuyết về cấu trúc đường hầm (tunnel structures), mangan đioxit tồn tại ở một số dạng như β-MnO2,γ-MnO2, α-MnO2, ε-MnO2…(Bảng 1.1)

Công thức Cấu trúc tinh thể Hằng số mạng

Nguyễn Thị Thúy Mùi 8 Khóa luận tốt nghiệp 2013

1.1.2 Các phương pháp tổng hợp mangan đioxit

Có nhiều phương pháp tổng hợp mangan đioxit như: Phương pháp điện phân, phương pháp hóa học, phương pháp thủy nhiệt… Theo nhiều nghiên cứu gần đây thì tổng hợp vật liệu mangan đioxit bằng con đường thủy nhiệt cho sản phẩm kết tinh tốt, kích thước nhỏ, khả năng hoạt động điện hóa cao Chất oxi hóa thường được sử dụng trong phương pháp này là KMnO4, K2Cr2O7; các chất khử có thể là MnSO4, Na2SO3, NaHSO3, HCOOH…

1.1.2.1 Phương pháp điện phân

Phương pháp này được dùng phổ biến trong tổng hợp MnO2 Các dung dịch điện phân có thể dùng là dung dịch muối MnCl2, MnSO4, các điện cực được sử dụng là graphit, chì, titan và hợp kim của nó,…Sản phẩm chủ yếu của quá trình điện phân là MnO2 có cấu trúc dạng với mạng tinh thể Hexagonal (γ-MnO2) Phương trình chung của quá trình điện phân:

(+) Anot: Mn2+ - 2e  Mn4+

Mn4+ + H2O  MnO2 + 4H+(-) Catot: H+ + 2e  H2

Phản ứng tổng : Mn2+ + 2H2O  MnO2 + 2H+ + H2

Phương pháp này có ưu điểm là sản phẩm tạo thành có khả năng hoạt động

Nguyễn Thị Thúy Mùi 9 Khóa luận tốt nghiệp 2013

1.1.2.2 Phương pháp hoá học

Là phương pháp sử dụng các phản ứng hoá học quen thuộc Phổ biến là sử dụng phản ứng oxi hoá khử với chất oxi hoá là KMnO4, K2Cr2O7; chất khử có thể dùng là MnSO4, MnCl2, Na2SO3, H2O2, CuCl, các chất hữu cơ như HCOOH, toluen,

CH3CH2OH…[19-22], hay phân hủy KMnO4

Ví dụ: S.Devaraj và N.Munichandraiah [20] đã tổng hợp được tinh thể MnO2 có cấu trúc nanô bằng phản ứng giữa KMnO4 và MnSO4:

α-3Mn2+ + 2Mn7+ 5Mn4+

Mn4+ + 2H2O  MnO2 + 4H+

Năm 2002, H.Yagi và cộng sự [19] đã tổng hợp MnO2 bằng các phản ứng giữa KMnO4 với các chất khử như sau:

2KMnO4 + 3NaHSO3  NaHSO4 + 2MnO2 + Na2SO4 + K2SO4 + H2O

2KMnO4 + 3Na2SO3 + H2O  MnO2 + 2KOH + 3Na2SO4

2KMnO4 + 3NaNO2 + H2O  3NaNO3 + 2MnO2 + 2KOH

2KMnO4 + 3KNO2 + H2O  3KNO3 + 2MnO2 + 2KOH

Năm 2004, Yanluo Lu và cộng sự [23] đã tổng hợp MnO2 bằng cách phân hủy KMnO4 trong không khí, ở nhiệt độ trên 2000C:

5KMnO4 → K2 MnO4 + K3 MnO4 + 3MnO2 + 3O2 ↑ Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, hiệu suất cao, tuy nhiên lại có nhược điểm là sản phẩm có khả năng hoạt động điện hoá không cao

1.1.2.3 Phương pháp thuỷ nhiệt

Thực hiện phản ứng hoá học tương tự phương pháp hóa học Điều khác biệt

ở đây là có thêm điều kiện nhiệt độ và áp suất cao

Yange Zhang và các cộng sự đã tổng hợp được β-MnO2 bằng phản ứng thủy nhiệt giữa KMnO4 và CuCl ở 1800C trong 18h:

KMnO4 + CuCl + 4HCl  MnO2 + KCl + CuCl2 + Cl2 + 2H2O

Nguyễn Thị Thúy Mùi 10 Khóa luận tốt nghiệp 2013

Khi tăng nhiệt độ và áp suất, hiệu suất của phản ứng sẽ tăng lên, đồng thời sản phẩm kết tinh tốt hơn Đây là một phương pháp hiện đại, được dùng rất phổ biến trong nhiều năm gần đây Phương pháp này có hiệu suất cao, cho kích thước hạt đồng đều, khả năng hoạt động điện hoá tốt

1.1.3 Sử dụng MnO 2 làm vật liệu điện cực cho tụ điện hóa

Vật liệu MnO2 được sử dụng làm điện cực trong tụ điện giả Hai cơ chế đã được đề xuất cho khả năng tích điện của điện cực MnO2 Cơ chế thứ nhất là dựa vào khái niệm sự thêm vào / sự mất đi của protons hoặc cations trong MnO2 tương ứng với quá trình chuyển đổi Mn+4/Mn+3 Do đó, cấu trúc tinh thể của MnO2 sẽ ảnh hưởng đến khả năng hoạt động điện hóa Cơ chế thứ hai là dựa trên bề mặt hấp phụ chất điện cation H+ hoặc ion kim loại kiềm C+ (như Na+, K+)

Theo các tài liệu thì có hai cơ chế được đưa ra để giải thích phản ứng diễn ra trên bề mặt điện cực mangan đioxit và dung dịch chất điện li trong quá trình phân cực:

1 Có sự chui vào và thoát ra của ion H+ hoặc ion kim loại kiềm C+ (như

Na+, K+) trên điện cực trong suốt quá trình phân cực:

MnO2 + C+ + e- ↔ MnOOC, MnO2 + H+ + e- ↔ MnOOC

2 Có sự hấp phụ của các cation H+ hoặc kim loại kiềm trong dung dịch chất điện li lên trên điện cực:

Từ nhiều kết quả trong các tài liệu, rất khó để đưa ra mối quan hệ giữa các tính chất vật lý của MnO2 và khả năng hoạt động điện hóa của nó bởi vì những mẫu MnO2 thu được bằng các phương pháp khác nhau, điều kiện khác nhau có tính chất vật lý khác nhau

Nguyễn Thị Thúy Mùi 11 Khóa luận tốt nghiệp 2013

1.2 TỔNG QUAN VỀ TỤ ĐIỆN HÓA

1.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tụ điện hóa

Tụ điện hóa (electrochemical capacitor), còn được gọi là siêu tụ điện (supercapacitor / ultracapacitor) [24] là thiết bị tích trữ năng lượng điện có cấu tạo gồm hai điện cực nhúng trong cùng một dung dịch chất điện phân và được phân cách bằng một màng ngăn (hình 1.2) Sau khi phóng điện, có thể nạp lại cho tụ điện hóa

Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo tụ điện hóa

Điện cực của tụ điện hóa được cấu tạo gồm bản cực dẫn điện và vật liệu điện cực Nếu hai điện cực của tụ điện hóa hoàn toàn giống nhau thì tụ được gọi là đối xứng (symmetry) Trong trường hợp hai điện cực không giống nhau, tụ được gọi là không đối xứng (asymmetry) hay còn gọi là tụ lai tạo (hybrid)

Tụ điện hóa hoạt động dựa trên nguyên lý tích trữ năng lượng điện bằng sự phân bố các ion (từ dung dịch chất điện ly) trên bề mặt hai điện cực Cụ thể, khi áp vào hai điện cực của tụ điện hóa một hiệu điện thế U, trên ranh giới điện cực/dung dịch của mỗi điện cực sẽ xuất hiện một lớp điện kép Như vậy tụ điện hóa tích điện dựa trên nguyên lý tĩnh điện chứ không dựa trên phản ứng điện hóa như đối với ăcquy

Nguyễn Thị Thúy Mùi 12 Khóa luận tốt nghiệp 2013

1.2.2 Các đại lượng đặc trưng cho tụ điện hóa

1.2.2.1 Điện dung

Điện dung (C) của tụ điện hóa là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích điện của tụ điện hóa và được đo bằng thương số giữa điện tích của tụ điện (Q) và hiệu điện thế giữa hai bản tụ (U):

2

1 C

1C

1C

Nguyễn Thị Thúy Mùi 13 Khóa luận tốt nghiệp 2013

1.2.2.3 Năng lượng

Năng lượng tích trữ của tụ điện được tính theo công thức (1.4):

2CU2

1

Năng lượng cực đại được tính theo công thức (1.5):

2 max max CU2

R 4

U P

2 max

1.2.3 Sự phân loại tụ điện hóa

Dựa trên cơ chế tích điện người ta chia tụ điện hóa thành ba loại: tụ điện hóa lớp đôi (EDLC, Electrochemical Double Layer Capacitors), tụ điện giả (Pseudo-capacitors) và tụ hỗn hợp ( Hibrid capacitors)

Tụ điện hóa lớp đôi có các điện cực làm từ than hoạt tính, loại tụ này tích điện nhờ sự hấp phụ các ion trên bề mặt vật liệu điện cực [24]

Tụ điện giả có các điện cực làm từ các oxit của kim loại có nhiều trạng thái oxi hóa như RuO2, MnO2… hoặc từ polymer dẫn Loại tụ này tích điện nhờ các phản ứng oxy hóa khử nhanh của dung dịch chất điện phân với vật liệu điện cực và điện lượng trao đổi tỉ lệ thuận với hiệu điện thế

Nguyễn Thị Thúy Mùi 14 Khóa luận tốt nghiệp 2013

RuO2 + xH+ + xe ↔ RuO2–x(OH)x

MnO2 + xA+ + yH+ + (x+y)e ↔ MnOOAxHy

Với A+ = Na+, K+,

Tụ hỗn hợp là tụ điên hóa có cấu tạo gồm hai điện cực một cựclà than hoạt tính, đóng vai trò là điện cực âm và một cực là oxit của kim loại có nhiều trạng thái oxi hóa, đóng vai trò điện cực dương

1.2.4 Một số ứng dụng của tụ điện hóa

Tụ điện hóa có nhiều ứng dụng trong đời sống Hiện nay tụ điện hóa đã được

sử dụng làm nguồn điện trong các phương tiện giao thông Trung quốc đã thử nghiệm xe bus chạy điện sử dụng tụ điện hóa thay cho ăcquy có khả năng nạp đầy trong khi đỗ tại bến lấy khách Năm 2006 tại Thượng Hải đã chạy thí điểm 2 tuyến

xe bus chạy điện sử dụng tụ diện hóa…Công ty Senelec cũng đã phát triển hệ thống giao thông dựa trên tụ điện hóa Trên hình 1.2 giới thiệu một số hình ảnh về tụ điện hóa đã được thương mại hóa:

Hình 1.2 Tụ điện hóa đã được thương mại hóa

Nguyễn Thị Thúy Mùi 15 Khóa luận tốt nghiệp 2013

Bảng 1.2 Một vài ứng dụng tiêu biểu của tụ điện hóa: [25]

Hệ thống điện, điện tử xe hơi Nguồn dự phòng cho các hệ thống điện,

điện tử cho xe hơi khi ăcquy gặp sự cố

Máy ảnh, máy quay phim, máy tính bỏ

túi, điện thoại cầm tay, lịch điện tử,… Nguồn dự phòng khi thay pin

Đồng hồ năng lượng mặt trời

Sau khi được nạp đầy, tụ điện hóa có thể cung cấp năng lượng trong nhiều ngày cho đồng hồ mà không cần phải thay pin

Nguyễn Thị Thúy Mùi 16 Khóa luận tốt nghiệp 2013

Bảng 2.1 Nguyên liệu và hóa chất sử dụng

STT Tên nguyên liệu, hóa chất Nguồn gốc xuất xứ

6 Polytetrafluoroethylene (PTFE) Sigma - Aldrich

8 Điện cực thép không gỉ dạng lưới Việt Nam

Nguyễn Thị Thúy Mùi 17 Khóa luận tốt nghiệp 2013

 Tiến hành tổng hợp mẫu ở các nhiệt độ khác nhau:

Nhiệt độ (t0C) 300C 500C 600C 700C

Kí hiệu mẫu MnO2-30 MnO2-50 MnO2-60 MnO2-70

 Các chất rắn - sản phẩm - của các mẫu được lọc, rửa sạch nhiều lần bằng nước cất Sản phẩm cuối cùng được sấy khô ở 900C trong 10h

2.1.3 Tế bào điện hóa và quy trình chế tạo điện cực

2.2.3.1 Tế bào điện hóa

Tế bào điện hóa sử dụng trong các nghiên cứu là tế bào 3 điện cực (hình 2.1) trong đó:

Hình 2.1 Tế bào điện hóa ba điện cực

(1) Điện cực đối

(2) Điện cực làm việc

(3) Điện cực so sánh Điện cực làm việc là điện cực MnO2 và phụ gia phủ trên lưới thép theo quy trình mô tả ở dưới Điện cực so sánh và điện cực đối lần lượt là điện cực calomen bão hòa và điện cực platin Dung dịch chất điện li sử dụng là dung dịch K2SO4

0,5M

Nguyễn Thị Thúy Mùi 18 Khóa luận tốt nghiệp 2013

2.2.3.2 Quy trình chế tạo điện cực

Các điện cực inoc đem cân xác định khối lượng m1

Bột ép điện cực có thành phần theo khối lượng là 64% mẫu MnO2; 18% Polytetrafluoroethylene (PTFE) và 18% đen axetilen (Carbon Black) Hỗn hợp được trộn đều với dung môi etanol, hỗn hợp trộn đều được cán mỏng trên lưới thép, để khô trong không khí ở nhiệt độ phòng, sau đó trong tủ sấy ở 1200C trong 15h và được ép trên máy thủy lực Điện cực sau khi ép đem cân xác định khối m2 Khối lượng bột ép trên điện cực là:

∆m = m2 – m1

Khối lượng thực tế của vật liệu hoạt động là khối lượng mẫu nghiên cứu:

m = 64%.∆m

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH SỬ DỤNG

2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)

Phương pháp nhiễu xạ tia X là một trong những phương pháp được sử dụng khá phổ biến để nghiên cứu vật liệu, đặc biệt là trong nghiên cứu cấu trúc tinh thể

2.2.1.1 Nguyên lí

Phương pháp nhiễu xa ̣ tia X là phương pháp phân tích không phá hủy mẫu Các định hướ ng của nhiễu xạ chỉ phu ̣ thuộc vào ma ̣ng lưới tinh thể Nói cách khác,

tất cả những tinh thể có cùng cấu trúc ma ̣ng thì có cùng đi ̣nh hướng nhiễu xa ̣

Khi chiếu một chùm tia X vào tinh thể, điện từ trường của tia X sẽ tương tác với các nguyên tử nằm trong mạng tinh thể Các tia khuếch tán từ tương tác này có thể giao thoa với nhau Nếu gọi góc tới của tia X với mặt phẳng tinh thể là  thì sự giao thoa chỉ có thể xảy ra nếu thoả mãn phương trình Bragg:

Trong đó: dhlk: Khoảng cách giữa 2 mặt phẳng song song,

λ: Bước sóng tia X (nm), θ: Góc giữa chùm tia X với mặt phẳng phản xạ,

Nguyễn Thị Thúy Mùi 19 Khóa luận tốt nghiệp 2013

Phương trình (2.1) là phương trình cơ bản nghiên cứu cấu trúc tinh thể Căn

cứ vào cực đại nhiễu xạ trên giản đồ XRD tìm được 2θ, từ đó tính được dhlk Mối lien hệ giữa khoảng cách dhlk và thông số mạng là khác nhau đối với mỗi cấu trúc tinh thể Khi so sánh giá trị d tìm được với d của chất chuẩn sẽ xác định được thành phần cấu trúc mạng tinh thể của chất nghiên cứu Ngoài việc xác định định tính,nhiễu xạ tia X cũng có khả năng xác định định lượng hàm lượng pha tinh thể dựa vào sự so sánh các vạch tương ứng của chất chuẩn với chất nghiên cứu

Các phép đo nhiễu xạ tia X trong khóa luận này được thực hiện tại Viện Vật

Liệu, Viện Khoa Học và Công nghệ Việt Nam trên máy Siemen D5005

2.2.2 Phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM)

Hiển vi điện tử quét (Scanning Electronic Microscopy, SEM) thường được

sử dụng để nghiên cứu bề mặt, kích thước, hình dạng tinh thể của vật liệu do khả năng phóng đại cao, tạo ảnh rõ nét và chi tiết

2.2.2.1 Nguyên lí

Dùng chùm điện tử để tạo ảnh của mẫu nghiên cứu, ảnh đó khi đến màn huỳnh quang có thể đạt độ phóng đại theo yêu cầu Phương pháp này cho phép xác định hình dạng và kích thước tinh thể của sản phẩm kết tinh

Chùm điện tử được tạo ra từ catôt (súng điện tử) qua 2 tụ quang sẽ được hội

tụ lên mẫu nghiên cứu Chùm điện tử này được quét đều trên mẫu Khi chùm điện

tử đập vào mẫu, trên bề mặt mẫu phát ra các điện tử phát xạ thứ cấp Mỗi một điện

tử phát xạ này đi qua điện thế gia tốc vào phần thu và biến đổi sẽ biến thành một tín hiệu ánh sang, chúng được khuếch đại, đưa vào mạng lưới điều khiển tạo độ sang trên màn ảnh Độ sang tối trên màn ảnh tùy thuộc lượng điện tử thứ cấp phát ra và tới bộ thu, và phụ thuộc tình trạng bề mặt mẫu nghiên cứu Do có khả năng hội tụ chùm tia điện tử có thể đi sâu vào trong mẫu, cho phép nghiên cứu cả phần bên trong của vật chất

Độ phóng đại của kính hiển vi điện tử quét thông thường từ vài chục đến vài trăm ngàn lần, năng suất phân giải phụ thuộc vào đường kính của chùm tia chiếu

Nguyễn Thị Thúy Mùi 20 Khóa luận tốt nghiệp 2013

hội tụ trên mẫu Với sóng điện tử thông thường (dây sợi đốt hình chữ V), năng suất phân giải là 5nm đối với ảnh bề mặt bằng cách thu điện tử thứ cấp, do đó cho thấy được các chi tiết thô trong công nghệ nano

2.2.2.2 Thiết bị, điều kiện đo

Trong khóa luận này, ảnh SEM được chụp trên máy JEOL JSM 5300 LV tại Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương

2.2.3 Phương pháp phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)

2.2.3.1 Nguyên lí

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FT-IR) là một kỹ thuật thực nghiệm thường được sử dụng để xác định (nhận ra) sự tồn tại của các nhóm nguyên tử trong phân tử hoặc trên bề mặt vật liệu Nguyên lí của phương pháp này là dựa vào sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại của các nhóm nguyên tử Theo quan niệm dao động nhóm, những nhóm nguyên tử giống nhau trong các phân tử có cấu tạo khác nhau sẽ có những dao động định vị thể hiện ở những khoảng tần số giống nhau được gọi là tần số đặc trưng nhóm Khi chiếu bức

xạ hồng ngoại vào phân tử, các nhóm nguyên tử khác nhau sẽ hấp thụ các bức xạ hồng ngoại ở các vùng bước sóng (tần số) khác nhau tương ứng với năng lượng dao động đặc trưng của nó Dựa vào sự hấp thu này người ta có thể xác định được sự tồn tại của các nhóm nguyên tử trong phân phân tử

2.2.3.2 Thiết bị và điều kiện đo

Các phép đo phổ FT-IR trong khóa luận này được thực hiện tại phòng thí nghiệm Hóa lí bề mặt – Khoa Hóa học – ĐHSP Hà Nội trong khoảng số sóng 500cm-1 – 4000 cm-1 trên máy IR Prestige21-Shimazu

2.2.4 Phương pháp phân cực chu kỳ tuần hoàn (CV)

Phân cực chu kỳ tuần hoàn là phương pháp nghiên cứu điện hoá để xem xét diễn biến quá trình oxy hoá khử xảy ra trên bề mặt điện cực cũng như tính chất điện dung của vật liệu điện cực