Tổng hợp, khảo sát cấu trúc của vật liệu lai hóa nano graphene / WO3

Các ô-xít kim loại đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như linh kiện điện sắc, cảm biến khí, làm vật liệu quang xúc tác. Trong đó, Vôn-fram ôxít (WO3) với các tính chất ưu việt đã được nghiên cứu sâu để phát triển các ứng dụng về tính chất điện sắc, quang xúc tác, nhạy khí,... ở kích thước nano mét. Đặc biệt, dưới hình thái là các cấu trúc nano, WO3 không chỉ gia tăng các tính chất nổi trội mà còn thể hiện những tính chất đặc biệt mà không thể có ở dạng khối.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tổng hợp, khảo sát cấu trúc của vật liệu lai hóa nano graphene / WO3 Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải TỔNG HỢP, KHẢO SÁT CẤU TRÚC CỦA VẬT LIỆU LAI HÓA NANO GRAPHENE /WO3 Nguyễn Tuấn Sơn1*, Nguyễn Văn Thái2, Lưu Thị Lan Anh2, Nguyễn Phi Hùng1, Nguyễn Xuân Tuyên1, Nguyễn Công Tú2 1 Khoa Khoa học Cơ bản, Trường Đại học Giao thông Vận tải, Số 3 Cầu Giấy, Hà Nội 2 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Số 1 Đại Cồ Việt, Hà Nội * Tác giả liên hệ: Email ntson@utc.edu.vn Tóm tắt. Các ô-xít kim loại đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như linh kiện điện sắc, cảm biến khí, làm vật liệu quang xúc tác. Trong đó, Vôn-fram ôxít (WO3) với các tính chất ưu việt đã được nghiên cứu sâu để phát triển các ứng dụng về tính chất điện sắc, quang xúc tác, nhạy khí, … ở kích thước nano mét. Đặc biệt, dưới hình thái là các cấu trúc nano, WO3 không chỉ gia tăng các tính chất nổi trội mà còn thể hiện những tính chất đặc biệt mà không thể có ở dạng khối. Bằng cách kết hợp với vật liệu Graphene, là một vật liệu có các đặc tính đặc biệt như: dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, độ bền cao, tỉ trọng nhẹ, mềm dẻo,..dựa trên phương pháp nhiệt thủy phân trong môi trường axit đậm đặc (pH âm), vật liệu lai hóa Graphene/WO3 đã được tổng hợp thành công, hứa hẹn nâng cao các tính chất quang, tính chất điện, đặc trựng nhạy khí của các ứng dụng mà còn có độ ổn định cao. Từ khóa: vật liệu nano WO3, Graphene, vật liệu lai hóa, phương pháp nhiệt thủy phân 1. MỞ ĐẦU 1.1 Vật liệu nano WO3 Vôn-fram là một kim loại thuộc nhóm VI-B chu kỳ 6, có số hiệu nguyên tử Z=74, khối lượng mol nguyên tử là 184 g/mol, có cấu hình điện tử là [Xe] 4f145d46s2. Bán kính nguyên tử r =1.4 Å, số oxi hóa đặc trưng là +6, các số oxi hóa khác có thể là 0,+1,+2,+3,+4,+5. Nhiệt độ nóng chảy là 3410C , nhiệt độ sôi 5900C. Một hợp chất vô cùng quan trọng của Vôn-fram đang được nghiên cứu mạnh mẽ là Vôn-fram ô-xít (WO3), là một ô-xít bán dẫn [1]. Những ứng dụng quan trọng của nó có trong lĩnh vực cảm biến, quang xúc tác, cửa sổ thông minh (smartwindow), gương phản xạ…[2]. WO3 tồn tại trong tự nhiên dưới dạng ngậm nước như WO3.H2O, WO3.2H2O và wolframite (Fe,Mn)WO4. Vật liệu nano WO3 tồn tại đầy đủ các loại các cấu trúc từ 0 chiều, 1 chiều, 2 chiều cho đến 3 chiều. Hình 1.1 là ảnh chụp bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) của một số cấu trúc nano WO3 đặc trưng [3]. -945- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Hình 1 Cấu trúc nano WO3 a) cấu trúc 0 chiều; b) cấu trúc 1 chiều; c) cấu trúc 2 chiều; d) cấu trúc 3 chiều [3]. WO3ở dạng khối có cấu trúc tinh thể lập phương kiểu perovskite gồm các hình bát diện WO6 lặp lại với các nguyên tử O ở mỗi đỉnh và nguyên tử W ở tâm của hình bát diện, hai hình bát diện liền kề chia sẻ chung 1 nguyên tử O ở 1 đỉnh (Hình 1.2). Mạng tinh thể là kết quả của sự sắp xếp lần lượt các nguyên tử O và mặt phẳng WO2 vuông góc với mỗi phương tinh thể. Cấu trúc này gồm các cấu trúc bát diện WO6 sắp xếp với nhau có các góc chung gọi là cấu trúc Perovskite (cấu trúc này thuộc loại cấu trúc rhenium trioxide ReO3 structure), hay có các cạnh chung gọi là cấu trúc Rutile (xuất hiên ở pha Magneli WO3-x). Hình 2 Khối bát diện WO6 (bên trái) với ion W+6 ở tâm (hình tròn màu đen) và 6 ion O2- ở các đỉnh (hình tròn); Mạng tinh thể WO3 (bên phải) với cấu trúc perovskite tạo bởi các khối bát diện chung đỉnh [4]. Tinh thể WO3 được hình thành bởi các khối bát diện WO6 chung đỉnh. Các pha tinh thể sau đây thu được do sự sắp xếp các khối bát diện chung đỉnh nhưng theo các -946- Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải trật tự khác nhau: monoclinic II ( ε-WO3), triclinic (δ-WO3), monoclinic I (γ-WO3), orthorhombic (β-WO3), tetragonal (α-WO3) và cubic WO3 [5], [6]. Trong các cấu trúc trên, cấu trúc cubic WO3 thường không thu được qua các thí nghiệm. 1.2 Vật liệu Graphene và vật liệu lai hóa Graphene/WO3 Các nghiên cứu về Graphene được bắt đầu từ năm 2004 với việc tách thành công những tấm Graphene đầu tiên từ bột Graphite. Về cơ bản, Graphene là tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tử các-bon với liên kết sp2 tạo thành màng tinh thể hình tổ ong. Graphen là tấm riêng của các nguyên tử cácbon được bó thành mạng hình tổ ong hai chiều (2D), và là khối căn bản cho các vật chất kiểu than chì bất chấp số chiều. Hình 3 Các dạng cấu trúc của Graphen. 2D có thể bọc lại thành hình cầu 0D, cuộn thành ống 1D, xếp thành than chì 3D [7] Nó có thể được bọc lại thành những fulleren 0D, cuộn lại thành ốn ...