Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Hình 2.7: Sơ đồ mô phỏng quá trình tổng hợp SnO2/rGO

Hình 2.7: Sơ đồ mô phỏng quá trình tổng hợp SnO2/rGO

Tải bản đầy đủ - 0trang

Để tổng hợp vật liệu kết hợp SnO2/graphene và xác định các đặc trưng về cấu trúc, tính

chất của vật liệu tổng hợp được, luận án này áp dụng phương pháp thực nghiệm với quy

trình nghiên cứu gồm các giai đoạn: 1- Tổng hợp vật liệu SnO2/graphene; 2- Đánh giá vi

cấu trúc và tính chất hóa lý.

Trong nghiên cứu này, hỗn hợp Graphene/hợp chất SnO2 đã được chuẩn bị thông qua

phương pháp hydrothermal. Cấu trúc và hình thái học của Graphene/hợp chất SnO2 đã

được tìm hiểu bằng phép nhiễu xạ tia X (XRD), kính hiển vi phát xạ điện tử (FESEM) và

kính hiển vi điện tử truyến qua (TEM). Các phân tích XRD xác nhận SnO 2 kết tinh tốt

trong hợp chất. Nghiên cứu FESEM và TEM cho thấy cơ chế tạo ra Graphene/ hợp chất

SnO2. Do đặc điểm của Graphene/ hợp chất SnO2 các phát hiện của chúng tôi có thể có ý

nghĩa trong việc tổng hợp và chế tạo các vật liệu Graphene/SnO 2 tính chất đã được xác

định rõ.

PP tổng hợp:

– Hóa học

– Siêu âm

– Thủy nhiệt

PP đánh giá:

–XRD, SEM, TEM, PL, UV, RAMAN

 



Tổng hợp

SnO2/graphene



Vật liệu SnO2/G tỷ lệ 3,2:1 



Đánh giá

cấu trúc và tính chất

Kết quả:

Khơng đạtXRD, SEM, TEM, Raman…

Đạt

Sản phẩm vật liệu

SnO2/graphene



Dòng vật liệu

Phương pháp, quy trình phụ

Sản phẩm, kết quả



Hình 2.7 Quy trình nghiên cứu, đặc trưng tính chất của vật liệu SnO2/graphene



31



2.3.2. Phương pháp tổng hợp vật liệu SnO2/Graphene

● Kỹ thuật lắng đọng tĩnh điện (ESD) ứng dụng trong pin Li-ion

Việc chế tạo các điện cực có thể được đơn giản hóa bằng cách lắng đọng vật liệu composite

trực tiếp vào bộ thu hiện tại. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng kỹ thuật phun tĩnh

điện (ESD). Các mẫu có thể được kiểm tra mà khơng cần thêm chất kết dính khác với các kỹ

thuật chế tạo điện cực thông thường. Ở phương pháp này, chúng tôi đã chế tạo các điện cực

composit SnO2/graphene (TG) bằng cách sử dụng kỹ thuật lắng đọng tĩnh điện (ESD)

Hai mẫu vật liệu tổng hợp khác nhau được lắng đọng (195 ° C) và sau xử lý nhiệt (280 ° C)

đã được nghiên cứu.

Kết quả: SnO2/Graphene lắng đọng không cho cấu trúc xốp như mong đợi, độ rỗng thực tế ít

được phát hiện trong vật liệu Composite SnO2/Graphene.

● Tổng hợp hoá học dung dịch sấy phun và ủ. Ứng dụng trong pin Li-ion

Dựa trên phản ứng giảm oxy hoá giữa Graphene oxit và SnCl 2. 2H2O đã được phát triển để

tạo ra vật liệu composite SnO2/Graphene. Các hạt nano SnO2 được kết tinh tốt với kích thước

3-5nm. Một số hạt nano cho thấy rìa lưới rõ ràng đã dươc xác định bởi các vòng tròn màu

trắng. Các rìa lưới với khoảng cách 0,33 nm.

● Lắng đọng hoá học

Các nanocomposite SnO2 / graphene đã được điều chế bằng cách lắng đọng hóa học của các

ion Sn2+ bằng cách sử dụng các mẫu nano GO làm nền. Đầu tiên, GO đã được phân tán trong

etylen glycol để tạo thành các tấm nano GO bằng sonication. Các nghiên cứu trước đây đã

chỉ ra rằng các GO nano có mặt phẳng cơ bản được tạo thành chủ yếu bằng các nhóm epoxy



32



và hydroxyl, ngồi các nhóm carboxyl có thể nằm ở các cạnh . Các nhóm chức năng phân

phối ngẫu nhiên này có thể hoạt động như các vị trí neo đậu cho các ion Sn2+ và do đó tạo ra

các hạt nano được hình thành tại chỗ trên bề mặt và các cạnh của các mẫu nano GO.

● Phương pháp thuỷ nhiệt

Đây là một phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả để tổng hợp graphene/SnO2 trong dung

dịch mà không sử dụng chất hoạt động bề mặt. Graphene oxit lấy được từ graphite tự nhiên

bằng cách sử dụng chất hoạt động bề mặt. Graphene oxit lấy được từ graphite tự nhiên bằng

cách sử dụng một tác nhân oxy hoá mạnh (KMnO4). Quá trình thuỷ nhiệt tiếp theo liên quan

đến việc neo đậu SnO2 trên tấm graphene bằng các nhóm chức chứa oxy và sự phát triển

không đẳng hướng của các quả cầu SnO2. Bước đầu tiên của quá trình tổng hợp thuỷ nhiệt là

Sn(OH)4 qua phản ứng Sn4+ + 4OH-  Sn(OH)4, được chuyển từ từ thành SnO2. Hơn nữa

các hạt nhân này có khuynh hướng kết tụ để giảm năng lượng bề mặt. Cuối cùng, các quả cầu

SnO2 phát triển không đẳng hướng với cấu trúc bông hoa SnO2. Các phân tích XRD xác

nhận SnO2 kết tinh tốt trong hợp chất.[11]

Chính vì ưu điểm đơn giản, dễ chế tạo quy mô lớn của hỗn hợp graphene / SnO2. Luận

án này sẽ tập trung nghiên cứu, làm rõ và giải quyết các vấn đề tổng hợp. Và lựa chọn phương

pháp thủy nhiệt để tổng hợp vật liệu SnO2/Graphene dựa trên các thiết bị đã có sẵn ở phòng

thí nghiệm.[11]

2.3.3. Tính chất vật liệu SnO2/Graphene

Graphene là một tấm 2-D, bao gồm các nguyên tử cacbon liên kết sp2 được sắp xếp trong

một mạng lưới có tổ ong với vòng sáu thành viên đã trở thành một trong những chủ đề thú vị

nhất của nghiên cứu gần đây do đặc tính độc đáo của nó, tính dẫn động đạn đạo, độ co dãn

cao, sức mạnh cơ học rất cao, diện tích bề mặt cao, và chuyển giao nhanh chóng đồng nhất



33



điện tử . Ngoài ra, vật liệu composit graphene đang nổi lên như là một loại vật liệu thú vị hứa

hen cho các ứng dụng khác nhau. Sự phát triển các hợp chất graphene / oxit kim loại sẽ mang

lại một cột mốc quan trọng để cải tiến các ứng dụng của các vật liệu nano oxit.[12]

Tin dioxide (SnO2) là một chất bán dẫn quan trọng với năng lượng khoảng 3,6 eV. Cho

đến nay, nó đã tìm ra các ứng dụng tiềm năng hoặc thực tiễn trong cảm biến khí, tế bào năng

lượng mặt trời , photocatalyst , pin lithium ion và các điện cực dẫn điện trong suốt trong vài

thập kỷ qua sự ổn định về thể chất và hóa học tuyệt vời của nó và tính chất quang học và điện

tử độc đáo.[12]

Vật liệu SnO2/Graphene được cấu thành tạo ra một vật liệu có nhiều tính chất tốt của hai

loại đơn chất là graphene và SnO2, các tính chất tốt này giúp cho vật liệu SnO2/Graphene cải

thiện được hiệu suất, từ đó duy trì tính ổn định và tích trữ điện năng tốt hơn:

-



Việc bổ sung Graphene giúp cải thiện độ dẫn điện, do đó hiệu quả điện năng tăng lên

so với vật liệu nano SnO2. Graphene có diện tích bề mặt lý thuyết rất cao (> 2600 m2 /

g). Diện tích bề mặt cụ thể cao của graphene làm tăng diện tích tiếp cận cho các ion

điện phân dẫn đến các động lực chuyển điện tích tốt hơn. Graphene cũng có thể hoạt

động như một bộ đệm cho sự thay đổi thể tích trong quá trình xả/nạp bằng cách đóng



-



vai trò như một ma trận khi hợp kim Sn với Li không hoạt động.

Vật liệu kết hợp SnO2/Graphene có cơng suất cao và kéo dài tuổi thọ của pin. Đối với

SnO2 / 34% graphene và SnO2 / 36% graphene, công suất thu được là 634 và 513

mAh / g sau 50 và 10 chu kỳ, các cửa sổ điện áp được sử dụng để kiểm tra là 0.001-



-



3.0 V và 0.05-3.0 V cho SnO2 / 34% graphene và SnO2 / 36% graphene.

Tính chất quang thể hiện sự tương tác giữa sóng điện từ với vật liệu. Khi chiếu ánh

sáng kích thích lên bề mặt vật liệu sẽ xảy ra sự chuyển dời điện tử lên các mức kích

thích, cơ chế này được gọi là cơ chế hấp thụ. Ở trạng thái kích thích, các điện tử này



34



tồn tại không bền vững, nên sau một thời gian điện tử có xu hướng chuyển xuống mức

năng lượng thấp hơn (cơ chế huỳnh quang) kèm theo sự phát xạ sóng điện từ. Cơ chế

huỳnh quang của nano SnO2 có thể giải thích như sau: khi chiếu ánh sáng có

bước sóng thích hợp (photon có năng lượng lớn hơn hoặc bằng năng lượng vùng

cấm hv≥ Eg) vào bề mặt tinh thể, các electron ở vùng hóa trị hấp thu năng lượng từ

các photon và chuyển lên vùng dẫn, dẫn đến sự tái hợp vùng - vùng (sự

chuyển dời điện tử từ vùng dẫn sang vùng hóa trị ) và hình thành các ecxiton, đồng

thời các hạt mang điện tự do được kích thích sau đó bị bẫy bởi bẫy nơng, các nút

khuyết oxi và các sai hỏng trong mạng nền tinh thể chiếm các mức năng lượng sâu

trong vùng cấm. Quá trình tái hợp tia kích thích và bức xạ làm phát sinh các bức xạ

thứ cấp có bước sóng trong vùng ánh sáng khả kiến.



2.3.4. Cấu trúc vật liệu SnO2/Graphene

Cấu trúc 4 phương rutile SnO2 được xác minh bở XRD. SEM và TEM giải thích cơ chế

tạo ra graphene/SnO2. Tiền thân của Sn(OH)4 chuyển đổi thành SnO2. Những hạt nhân này

có khuynh hướng kết tụ để hình thành các quả cầu dẫn đến giảm năng lượng bề mặt. Các quả

cầu SnO2 được neo đậu một cách thống nhất trên Graphene và phát triển không đẳng hướng

với cấu trúc bông hoa SnO2. Kích thước của cấu trúc bơng hoa SnO2 là khoảng 500nm. Độ

rỗng trong thực tế ít được phát hiện trong vật liệu composite TG so với màng thiếc oxit. Hình

thái tương đối đậm đặc này có thể được mơ tả bằng việc bổ sung graphene.



2.4.



Lí do chọn phương pháp thuỷ nhiệt



35



Công nghệ thủy nhiệt đang trở thành một trong những công cụ quan trọng nhất để chế tạo

ra các loại vật liệu tiên tiến. Đặc biệt nó có khá nhiều ưu điểm trong việc chế tạo ra các loại

vật liệu có cấu trúc nano để ứng dụng trong các ngành công nghiệp chế tạo khác nhau như

điện tử, quang điện từ, xúc tác, gốm, y sinh, quang tử sinh học… Phương pháp thủy

nhiệt không những chỉ hỗ trợ cho việc chế tạo các hạt nano đơn phân tử và đa phân tử đồng

nhất mà nó còn là một trong những phương pháp hấp dẫn nhất để chế tạo vật liệu nano lai và

nano composite. Quá trình thủy nhiệt là một quá trình phản ứng phức tạp của các hợp chất tan

được trong nước hay dung môi trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao để chế tạo ra vật liệu,

điều mà ta không thể làm được ở điều kiện thường.

Thủy nhiệt là sự tiến hành các phản ứng hóa học hỗn tạp xảy ra với sự có mặt

của dung mơi (có thể là nước) trong một hệ kín ở điều kiện trên nhiệt độ phòng và áp suất lớn

hơn 1atm trong một hệ kín. Bên cạnh kĩ thuật chế tạo vật liệu mới đã có hiện nay, cơng nghệ

thủy nhiệt đã chiếm một vị trí quan trọng và có lợi thế nhất định so với cơng nghệ trùn

thống. Nó bao gồm các quá trình tổng hợp thủy nhiệt, sự phát triển tinh thể trong môi trường

thủy nhiệt, sự nung kết thủy nhiệt, sự phân hủy thủy nhiệt, sự khử nước thủy nhiệt, sự ổn

định cấu trúc thủy nhiệt .

Tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt thường được kiểm soát trong bình thép tạo áp

suất, nó có thể gồm lớp Teflon chịu nhiệt độ cao và chịu được điều kiện môi trường axit và

kiềm mạnh. Nhiệt độ trong bình thép có thể đưa lên cao hơn nhiệt độ sơi của nước, trong

phạm vi áp suất hơi bão hòa. Nhiệt độ và lượng dung dịch hỗn hợp đưa vào bình thép sẽ tác

động trực tiếp đến áp suất xảy ra trong quá trình thủy nhiệt.

Ban đầu, sau khi cho các hóa chất tỉ lệ khối lượng, thành phần, các chất được hòa vào

dung mơi và khuấy trên máy khuấy từ, dung dịch hòa tan các chất sau khi khuấy được cho



36



vào bình Teflon và đưa vào tủ sấy, thủy nhiệt ở nhiệt độ và thời gian xác định. Sau đó quay ly

tâm để lọc rửa các tạp chất và sấy để thu được mẫu ở dạng bột.

Trong phương pháp thủy nhiệt, nước thực hiện hai chức năng:

+ Môi trường truyền áp suất vì nó có thể ở trạng thái lỏng hoặc hơi và tồn tại chủ yếu ở

dạng phân tử nước (H2O) phân cực.

+ Làm dung mơi hòa tan một phần chất phản ứng dưới áp suất cao, do đó phản ứng được

thực hiện trong pha lỏng hay có sự tham gia của một phần pha lỏng hoặc pha hơi.

Phương pháp thủy nhiệt được nhiều nhà nghiên cứu sử dụng để chế tạo vật liệu nano vì nó

sở hữu các ưu điểm như: dễ dàng kiểm soát được thành phần các chất tham gia phản ứng,

sản phẩm thu được có độ tinh khiết cao, tinh thể đối xứng, kích cỡ hạt đồng đều và nhỏ dưới

μm, thích hợp với điều kiện phòng thí nghiệm ở Việt Nam,…

Ngồi ra, phương pháp thủy nhiệt có những đặc tính vật lý đặc biệt làm cho rất nhiều

phản ứng xảy ra đồng thời trong dung môi nên được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực

như: tổng hợp vật liệu phức tạp, chế tạo vật liệu cấu trúc nano, tách kim loại ra khỏi quặng,…

Tổng hợp vật liệu nano SnO2/Graphene bằng phương pháp thủy nhiệt có nhiều ưu điểm

như ta có thể điều chỉnh các điều kiện phản ứng thủy nhiệt như nhiệt độ, áp suất, nồng độ các

chất phản ứng, pH của dung dịch và thu được các hạt nano SnO2 có kích thước, hình thái và

thành phần như mong muốn. Năng lượng tiêu thụ khơng đáng kể và ít ảnh hưởng đến mơi

trường.



37



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Hình 2.7: Sơ đồ mô phỏng quá trình tổng hợp SnO2/rGO

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×