Tóm tắt luận án Tiến sĩ Hóa học: Tổng hợp nano kẽm oxít có kiểm soát hình thái và một số ứng dụng

Tóm tắt luận án Tiến sĩ Hóa học: Tổng hợp nano kẽm oxít có kiểm soát hình thái và một số ứng dụng nhằm nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano/micro ZnO có hình thái khác nhau và ứng dụng của chúng. Hy vọng đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho bạn.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tóm tắt luận án Tiến sĩ Hóa học: Tổng hợp nano kẽm oxít có kiểm soát hình thái và một số ứng dụng BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VÕ TRIỀU KHẢI TỔNG HỢP NANO KẼM OXÍT CÓ KIỂM SOÁT HÌNH THÁI VÀ MỘT SỐ ỨNG DỤNG Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý Mã số: 62 44 01 19 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC HUẾ, 2014 MỞ ĐẦU Kẽm oxide (ZnO) là một loại hợp chất chất bán dẫn II-VI (II-VI compound semiconductor) với năng lượng vùng cấm trực tiếp rộng (3,1 - 3,3 eV) và năng lượng liên kết kích thích lớn (60 meV) ở nhiệt độ phòng đã và đang hấp dẫn sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu do tính chất điện và quang điện độc đáo và ứng dụng tiềm tàng của nó đến lĩnh vực huỳnh quang, quang xúc tác, hoả điện, cảm biến khí, điện hoá và tế bào mặt trời. ZnO có các hình thái vô cùng phong phú tuỳ thuộc vào phương pháp tổng hợp khác nhau: dạng nano cầu, nano que, cấu trúc nano đa chiều hình ziczac, hình bông hoa, v.v… ZnO cũng được xem có tiềm năng thay thế TiO2 do có năng lượng vùng cấm tương tự và giá thành thấp. Tuy vật liệu ZnO và các dạng pha tạp trên cơ sở ZnO, gần đây được nhiều nhà khoa học ngoài nước quan tâm nhiều. Tuy nhiên, theo sự hiểu biết của chúng tôi chưa có một công trình nào nghiên cứu một cách có hệ thống về tổng hợp liên quan đến ZnO và ứng dụng của nó trong nước. Với yêu cầu phát triển và công nghiệp hoá đất nước, việc nghiên cứu tổng hợp vật liệu bán dẫn ZnO và các hợp chất trên cơ sở ZnO ứng dụng vào lĩnh vực xúc tác quang hoá, sensor khí, sensor điện hoá và xúc tác xử lý môi trường là cần thiết và có ý nghĩa về mặt lý thuyết cũng như thực hành. Căn cứ vào điều kiện nghiên cứu của phòng thí nghiệm, cũng như điều kiện nghiên cứu ở Việt Nam, chúng tôi chọn đề tài nghiên cứu “Tổng hợp nano kẽm oxide có kiểm soát hình thái và một số ứng dụng”. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU THAM KHẢO ZnO thuộc dạng bán dẫn loại n, với năng lượng vùng cấm trực tiếp rộng 3,2 eV và năng lượng kích thích liên kết lớn 60 meV ở nhiệt độ phòng. Năng lượng vùng cấm trực tiếp rộng của ZnO làm cho nó trở thành một trong những vật liệu quan trọng nhất ứng dụng trong quang điện tử và năng lượng kích thích lớn làm cho nó có thể ứng dụng trong các thiết bị tái kết hợp kích thích. ZnO là một chất bán dẫn phân cực với hai mặt phẳng tinh thể có cực trái nhau và năng lượng bề mặt khác nhau dẫn đến tốc độ phát triển cao hơn dọc theo trục c, kết quả tạo thành cấu trúc sợi. ZnO tồn tại trong hai cấu trúc tinh thể wurtzite và blende. 1 Về phương diện kỹ thuật, ZnO là một loại vật liệu quan trọng và đa chức năng với nhiều ứng dụng khác nhau trong kỹ thuật điện tử, cửa sổ thông minh, thiết bị hoả điện, lazer UV, detector quang UV, sensor khí, sensor hoá học, sensor sinh học và chất kháng khuẩn. 1.1. TỔNG HỢP VẬT LIỆU ZnO KÍCH THƯỚC NANO Tính chất hoá lý của vật liệu nano biến đổi phụ thuộc vào kích thước, hình thái và thành phần hoá học bề mặt của vật liệu. Vì thế, phương pháp tổng hợp mới là nhiệm vụ sống còn đối với sự phát triển của vật liệu nano. Nói chung, phương pháp tổng hợp nano ZnO có thể chia làm hai nhóm: Nhóm phương pháp dựa trên dung dịch/ hoá học ướt và nhóm dựa trên các kỹ thuật vật lý. Kỹ thuật vật lý như bay hơi rắn - lỏng (vapor – liquid - solid), bay hơi pha rắn (vapor solid), kết tủa pha hơi (chemical vapor deposotion) thường vận hành ở nhiệt độ cao và áp suất cao. Phương pháp này tạo ra ZnO chất lượng cao. Tuy nhiên, phương pháp này cho hiệu suất thấp, tốn nhiều năng lượng và giá thành cao. Do khuôn khổ của luận án, chúng tôi không đề cập đến nhóm phương pháp này. Nhóm phương pháp hoá ướt (wet chemistry processses) được tập trung nghiên cứu bởi phương pháp thuỷ nhiệt. Trong luận án này, phát triển ý tưởng dùng hexamethylenetetramine để tổng hợp ZnO ở nhiệt độ thấp chúng tôi sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của dung môi đến hình thái của ZnO bằng phương pháp dung nhiệt (solvothermal method) và nghiên cứu tổng hợp ZnO dạng cầu và dạng sợi ở kích thước nano. 1.2. TỔNG HỢP VẬT LIỆU ZnO PHA TẠP La (La – ZnO) Sensor khí của kim loại bán dẫn là một trong những sensor phổ biến nhất hiện nay. Hiện nay có ba loại thiết bị sensor khí bán dẫn đó là oxide thiết, oxide kẽm, và oxide sắt. Vật liệu trên cơ sở ZnO là một trong những vật liệu được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi nhất trong sensor khí bán dẫn. Các chất pha tạp như Pt và Pd là đã được sử dụng làm xúc tác để cải thiện độ chọn lọc, độ nhạy và độ ổn định. Nói chung, chúng có thể giảm nhiệt độ phản ứng, cải thiện các tính chất vật lý và hoá học và tăng tốc độ phản ứng. Tuy nhiên, giá thành cao đã giới hạn ứng dụng của chúng. Ngoài các oxide kim loại như TiO2, CuO, Fe2O3 và NiO cũng đã được nghiên cứu để nâng cao độ chọn lọc và độ nhạy của các sensor. Các oxide kim loại này đóng vai trò như những chất pha tạp (dopant) làm thay đổi cấu trúc năng lượng vùng cấm, tạo ra nhiều tâm hoạt động hơn tại biên hạt. Tuy nhiên, đa số các loại pha tạp này đều thể hiện tính chất cảm biến khí ở nhiệt độ tương đối cao (>300 oC). Vì thế, một nhiệm vụ hấp dẫn và thách thức tạo ra các senor khí ở nhiệt độ thấp hơn là rất cần thiết. Các nguyên tố hiếm là rất quan trọng trong kỹ nghệ hiện đại như là xúc tác quang hoá, pin năng lượng, và vật liệu phát quang. Chúng là chất pha tạp tuyệt vời vào chất bán dẫn bởi vì khoảng chuyển 2 tiếp điện tử 4f-5d và 4f-4f thay đổi từ nguyên tố này đến nguyên tố khác. Nói chung, nguyên tố hiếm được dùng trong xúc tác ở dạng oxide hay muối oxy (như nitrate). Với nguyên tố hiếm được dùng như xúc tác sẽ đóng vai trò quan trọng trong các cấu tử nhạy khí. Vai trò này không chỉ là chất tăng hoạt tính xúc tác mà còn cải thiện hoạt tính và độ chọn lọc hay tăng độ ổn định nhiệt ...