LA38.002_Tổng hợp nano kẽm oxít có kiểm soát hình thái và một số ứng dụng
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 – 3,2 eV) và năng lượng liên kết kích thích lớn (60 meV) ở nhiệt độ phòng; vật liệu này đã và đang hấp dẫn sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu, do tính chất điện và quang điện độc đáo cũng như việc 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 [20, 44, 145]. ZnO có các hình thái vô cùng phong phú tuỳ thuộc vào phương pháp tổng hợp khác nhau: dạng nano cầu, nano que
[111], cấu trúc nano đa chiều hình ziczac [57], hình bông hoa [175], v.v… ZnO cũng được xem có tiềm năng thay thế TiO do có năng lượng vùng cấm tương tự và giá thành thấp.
Chúng ta biết rằng, tính chất của vật liệu nano phụ thuộc vào kích thước, hình thái và chiều của chúng. Vì thế, các loại ZnO với hình thái khác nhau có những ứng dụng khác nhau. Các vật liệu dạng đĩa với chuyển dịch đỏ (red shift) có thể ứng dụng trong các vật liệu quang [154]. Sự giảm kích thước của vật liệu khối tạo thành ZnO kích thước nano có thể tăng diện tích bề mặt của nó và có hoạt tính cảm biến (H2, C2H5OH, H S, v.v..) [19, 67, 88, 125]. Tuy vậy, kích thước càng nhỏ thì các hạt nano có khuynh hướng kết tụ lại tạo thành hạt lớn hơn, chỉ có các hạt sơ cấp gần khu vực bề mặt của hạt thứ cấp mới có thể đóng góp vào phản ứng cảm biến khí. Phần bên trong hạt vẫn duy trì tình trạng bất hoạt và với cấu trúc như thế thì độ hồi đáp của chất khí rất khó đạt được ở mức độ cao. Vật liệu dạng que một chiều (1D) sẽ khắc phục được nhược điểm kết tụ và duy trì được diện tích bề mặt lớn [84].
Cảm biến khí dùng vật liệu oxide bán dẫn trở thành một trong những loại cảm , ZnO và Fe biến quan trọng nhất. Hiện nay, có ba loại thiết bị cảm biến bán dẫn đó là SnO2 O . Vật liệu bán dẫn trên nền ZnO là một trong những nhóm vật liệu được nghiên cứu rộng rãi nhất sử dụng làm nền cảm biến khí bán dẫn. Những kim loại quí như Pt, Pd được dùng làm các chất xúc tác để cải thiện độ nhạy, độ chọn lọc và tính ổn định của vật liệu [132, 174]. Nói chung, các nghiên cứu tập trung vào vấn đề giảm nhiệt độ vận hành, cải thiện độ nhạy, nhưng giá thành cao. Kim loại đất hiếm đóng vai trò trong kỹ thuật hoá học hiện đại như quang xúc tác, tế bào nhiên liệu, vật liệu phát , NH2 quang và chúng là chất pha tạp vào ZnO tuyệt vời bởi vì sự dịch chuyển điện tử 4f-5d và 4f-4f trong cấu trúc của nó là khác nhau đối với mỗi nguyên tố [53, 95]. Vai trò của nguyên tố đất hiếm không chỉ là xúc tiến hoạt tính xúc tác (catalyst promoters) hay chất ổn định tính xúc tác mà còn làm cải thiện hoạt tính, tăng độ ổn định của chất xúc tác [36]. Ảnh hưởng các nguyên tố đất hiếm như La, Sm đến năng lượng vùng cấm [140], tính chất huỳnh quang [42], tính chất quang điện [94] đã được công bố, nhưng ảnh hưởng của La đến hoạt tính cảm biến khí khử như hydrogen, ethanol, ammonia và hoạt tính quang hoá xử lý môi trường chưa được nghiên cứu nhiều.
Pha tạp các kim loại hoặc oxit kim loại vào ZnO để thay đổi cấu trúc điện tử, làm ngăn cản sự tái kết hợp của cặp điện tử – lỗ trống sinh ra do sự kích thích của ánh sáng tử ngoại – khả kiến. Kết quả này tạo ra các vật liệu xúc tác như Bi – ZnO [185], Ni – ZnO [182] có hoạt tính xúc tác quang hóa tuyệt vời và các chất xúc tác này có thể làm chất xúc tác quang hóa oxy hóa các chất hữu cơ khó phân hủy như trichlorophenol [9], 2, 4, 6, trichlorophenol [10].
Do ổn định hoá học và hình thái đa dạng, giá thành thấp, các dạng nano ZnO gần đây cũng được ứng dụng trong việc biến tính điện cực để phát hiện thiol, biến tính điện cực để xác định L – cysteine ở nồng độ nano trong khoảng pH sinh lý (physilgical pH) [80]; điện cực được biến tính bởi màng composite bằng Ag/ZnO làm sensor để phát hiện hydroperoxide [91]. Tìm kiếm các phương pháp để phân tích nhanh, chính xác và rẻ tiền ứng dụng trong y – sinh, như phân tích acid ascorbic, acid uric v.v,… Phương pháp phân tích điện hoá bằng cách biến tính điện cực bằng ZnO có tiềm năng
rất lớn [82]. Đây là một trong những phương pháp ứng dụng vật liệu nano vào phân tích điện hoá được nhiều nhà khoa học quan tâm.
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 ở Việt Nam 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. 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 thiết bị của phòng thí nghiệm, cũng như điều kiện nghiên cứu ở Việt Nam, chúng tôi chọn đề tài “Tổng hợp nano kẽm oxít có kiểm soát hình thái và một số ứng dụng”.
Cấu trúc của luận án gồm các phần sau:
– Mở đầu
– Chương 1: Tổng quan các vấn đề mà nhiều tác giả khác đã nghiên cứu, từ đó đặt ra mục tiêu nghiên cứu để đóng góp một phần vào lý thuyết cũng như thực tiễn của vấn đề đang nghiên cứu.
– Chương 2: Trình bày mục tiêu và nội dung của luận án. Thảo luận các phương pháp hoá lý dùng để phân tích và đánh giá tính chất của vật liệu; hoạt tính xúc tác và cảm biến của vật liệu điều chế được. Trình bày các phương pháp thực nghiệm.
– Chương 3: Trình bày kết quả và thảo luận những vấn đề liên quan đến tổng hợp vật liệu ZnO, La – ZnO và hoạt tính xúc tác, cảm biến khí, cảm biến điện hoá của các vật liệu điều chế được.
– Kết luận rút ra trong quá trình nghiên cứu.
– Danh mục các công trình có liên quan đến luận án.
– Tài liệu tham khảo.
– Phụ lục
