Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Tổng hợp các hợp chất bán dẫn mới cấu trúc lớp, ứng dụng làm vật liệu xúc tác quang và lưu trữ năng lượng (20/05/2025)

Năng lượng và môi trường là những vấn đề đang được đặt ra và thu hút nhiều sự chú ý của các nhà khoa học và thương mại. Tổng hợp được vật liệu cấu trúc lớp mới trên cơ sở g-C₃N₄, MoS₂, WS₂, Si, Ge, Sn và P với định hướng tăng cường khả năng ứng dụng thực tiễn trong xúc tác quang và vật liệu anode cho LIB. Nhằm góp phần thúc đẩy phát triển các vật liệu rẻ tiền, thân thiện môi trường ứng dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường và lưu trữ năng lượng. Đồng thời góp phần phát triển kinh tế thông qua giảm thiểu ô nhiễm môi trường, phát triển các nguồn năng lượng sạch nhờ có hệ thống lưu trữ tốt. Từ tháng 09/2019 đến tháng 09/2023 Viện Nghiên cứu ứng dụng khoa học và công nghệ (Trường Đại học Quy Nhơn) đã triển khai thành công nhiệm vụ khoa học và công nghệ “Tổng hợp các hợp chất bán dẫn mới cấu trúc lớp, ứng dụng làm vật liệu xúc tác quang và lưu trữ năng lượng”.

Một số vật liệu dạng lớp là đối tượng nghiên cứu của đề tài.

Nghiên cứu cho thấy, tương tự g-C₃N₄, các vật liệu MoS₂ và WS₂ ở dạng nguyên chất có hiệu quả quang xúc tác trong vùng ánh sáng nhìn thấy cũng không cao mặc dù dòng vật liệu này có giá trị năng lượng vùng cấm bé (dưới 2 eV). Nhược điểm này do sự tái tổ hợp nhanh giữa điện tử và lỗ trống quang sinh. Nghiên cứu biến tính/pha tạp các vật liệu này bằng các đơn chất (kim loại, phi kim loại), hợp chất (chất bán dẫn) để tạo ra các vật liệu hạn chế tốt sự tái tổ hợp nhanh giữa điện tử và lỗ trống quang sinh, từ đó làm tăng hiệu quả quang xúc tác của chúng. Qua 2 năm nghiên cứu, đề tài đã đạt được một số kết quả cụ thể như sau:

Một là, tổng hợp thành công vật liệu cấu trúc lớp g-C₃N₄ và g-C₃N₄ biến tính: Vật liệu g-C₃N₄ có thể được điều chế từ nguồn nguyên liệu urea hay melamine. Nhiệtđộ nung có thể thay đổi từ 500 đến 600^oC. Thời gian nung có thể từ 0,5 giờ đến 2 giờ.Mức độ ngưng tụ nhiệt trong quá trình tạo g-C₃N₄ tăng theo chiều hướng tăng nhiệt độhay kéo dài thời gian. Việc tăng nhiệt độ trên 600^oC hay kéo dài thời gian nung hơn 2giờ làm phân hủy lượng lớn g-C₃N₄. Ba vật liệu g-C₃N₄ pha tạp nguyên tố halogen F, Cl, Br đã được điều chế bằng cáchnung trực tiếp urea với NH₄F, NH₄Cl và NH₄Br tỉ lệ 93:7 ở 550^oC trong 1 giờ. Năm mẫu vật liệu g-C₃N₄ pha tạp oxygen đã tổng hợp thành công bằng phương pháp nung đơn giản ở pha rắn hỗn hợp tiền chất urea đã được xử lý với dung dịch H₂O₂ 30% ở nhiệt độ 550^oC trong 1 giờ. Oxygen pha tạp chủ yếu thay thế nguyên tử Nsp² trong mạng g-C₃N₄ và hình thành các dạng liên kết C-O-C, N-C-O. Năm mẫu vật liệu g-C₃N₄ pha tạp sulfur đã được điều chế bằng cách nung trực tiếp urea với thiourea ở các tỉ lệ khác nhau ở 550^oC trong 1 giờ. Tất cả các mẫu g-C₃N₄ và g-C₃N₄ biến tính đều có cấu trúc dạng lớp kiểu graphit đượcthể hiện bởi sự xuất hiện mặt (002) trong nhiễu xạ tia X và hình ảnh TEM.Nhóm nghiên cứuđã thành công trong việc thiết kế một thiết bị phản ứng đơn giản, ở đó môitrường “NH₃ tự sinh” bảo vệ sản phẩm g-C₃N₄ không tiếp xúc với O₂ không khí trongquá trình xử lý nhiệt. Theo đó, môi trường nung có thể trong không khí bình thường.Điều này có thể nâng cấp để điều chế lượng lớn (scale up).

Hai là, tổng hợp thành công các vật liệu MS₂ và MS₂ biến tính (M = Mo và W):Các vật liệu MoS₂ và MoS₂ pha tạp Co, Fe, Cu ở tỉ lệ mol 3% đã tổng hợp thành côngbằng cách nung trực tiếp ammonium molybdate, thiourea và muối của các kim loạitương ứng. Vật liệu WS₂ được tổng hợp thành công bằng phương pháp nung hỗn hợp H₂WO₄ và(NH₂)₂CS trong dòng khí Ar ở pha rắn. Vật liệu WS₂ pha tạp thành công với các nguyên tố Cu, Fe và Co bằng phương phápnung đơn giản H₂WO₄, (NH₂)₂CS và các muối của các kim loại. Tất cả các vật liệu MS₂ và MS₂ biến tính (M = Mo và W) đều có cấu trúc lớp được thểhiện bởi sự xuất hiện mặt (002) trong nhiễu xạ tia X và hình ảnh TEM.

Ba là, đã đánh giá hoạt tính xúc tác quang của hai nhóm vật liệu g-C₃N₄ và g-C₃N₄ biến tính MS₂ và MS₂ biến tính (M = Mo và W): Tất cả các vật liệu nhóm thứ nhất: g-C₃N₄, g-C₃N₄ pha tạp halogen, O và S; và các vật liệu nhóm thứ hai: MoS₂, MoS₂ pha tạp Co, Cu hay Fe; WS₂, WS₂ pha tạp Co, Cu hay Fe đều tìm thấy mẫu tối ưu có hoạt tính xúc tác quang phân hủy RhB trong dung dịch nước trên 70% với nguồn sáng Xenon 150W. Trong số các vật liệu xúc tác quang, chúng tôi đã tìm thấy vật liệu g-C₃N₄ pha tạp oxy có tính chất xúc tác quang nổi trội, rất có tiềm năng trong phát triển thương mại, do dễ điều chế, có thể điều chế lượng lớn và đặc biệt thể hiện một năng lực xúc tác tuyệt vời.

Bốn là,tổng hợp thành công các vật liệu cấu trúc lớp Si, Ge, Sn và P đen và composite trên nền C, g-C₃N⁴: Đã tổng hợp thành công các vật liệu cấu trúc lớp Si bằng phương pháp xử lý CaSi₂ trong dung dịch HCl đậm đặc ở các thời gian khác nhau hay từ TEOS bởi phương pháp khử pha rắn ở nhiệt độ cao. Vật liệu Ge nano được tổng hợp thành công bằng phương pháp nung GeO₂ với Mg ở nhiệt độ 650ºC trong 3 giờ với tỉ lệ mol 1:3 trong dòng khí Ar. Vật liệu Sn nano được điều chế thành công nhờ phương pháp khử pha lỏng nhiệt độ thấp, dưới 5^oC. P đen đã được điều chế từ P đỏ bằng phương pháp ngưng tụ hóa học từ pha hơi hoặc phương pháp thủy nhiệt trong dung môi ethylenediamine ở nhiệt độ 180^oC trong 14 giờ. Tất cả các vật liệu thu được Si, Ge, Sn và P đen đều có cấu trúc lớp, bề dày mỗi lớp dưới 20 nm. Trên cơ sở các vật liệu Si, Ge, Sn và P đen, composite của chúng với C và g-C₃N₄ cũng được điều chế.

Năm là, đã nghiên cứu tính chất điện hóa và đánh giá khả năng lưu trữ ion Li+ của các vật liệu Si, Ge, Sn và P đen và composite trên nền C, g-C₃N₄: Tính chất điện hóa của các vật liệu Si, Ge, Sn, P và các composite của chúng đã được đặc trưng bởi kỹ thuật quét thế vòng tuần hoàn, ở đó, đã thể hiện phản ứng xảy ra ở các điện cực trong quá trình sạc/xả. Tất cả các điện cực đều có tính chất chung là chu kỳ thứ nhất bao gồm 2 quá trình. Quá trình bất thuận nghịch liên quan đến tạo lớp SEI, quá trình thuận nghịch liên quan đến các phản ứng liên quan khả năng lưu trữ ion Li+. Quá trình bất thuận nghịch không xuất hiện các chu kỳ sau, ngược lại, quá trình thuận nghịch tiếp tục xuất hiện các chu kỳ sau. Các vật liệu Si, Ge, Sn, P và các composite của chúng đều có khả năng lưu trữ trên 450 mAh/g. Kết quả thu được này có thể làm tiền đề cho những nghiên cứu tiếp theo nhằm nâng cao mức sẵn sàng thương mại (Commercial readiness level) cho vật liệu điện cực anode pin sạc ion lithium. Việc phân tán lên các chất nền, như carbon hay g-C3N4 có thể làm tăng năng lực điện cực của các vật liệu Si, Ge, Sn hay P, trong số hai chất nền này, g-C3N4 thường đem lại hiệu quả hơn trong các vật liệu nghiên cứu. Một số yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến năng lực pin đã được khảo sát, bao gồm: (i) phụ gia chất điện giải, (ii) hàm lượng carbon dẫn, (iii) thời gian trộn mẫu tạo “bùn” (slurry) điện cực, và (iv) thời gian cân bằng pin. Kết quả thu được điều kiện tối ưu là: 5% chất phụ gia FEC; 5% hàm lượng chất phụ gia dẫn điện C65; thời gian trộn mẫu 60 phút và thời gian cân bằng cell là 6 giờ.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu nhiệm vụ KH&CN tại Trung tâm Thông tin và Truyền thông Hải Phòng hoặc Cục Thông tin, Thống kê.