Tổng hợp, nghiên cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tính quang xúc tác của oxit nano zno có pha tạp cu2+, sr2+

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN THỊ KIỀU TRANG

TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC
VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA OXIT NANO ZnO
CÓ PHA TẠP Cu2+, Sr2+

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC

THÁI NGUYÊN – NĂM 2018


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

NGUYỄN THỊ KIỀU TRANG

TỔNG HỢP, NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CẤU TRÚC
VÀ HOẠT TÍNH QUANG XÚC TÁC CỦA OXIT NANO ZnO
CÓ PHA TẠP Cu2+, Sr2+

Ngành: Hóa vô cơ
Mã số: 8 44 01 13

LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGUYỄN THỊ TỐ LOAN

THÁI NGUYÊN – NĂM 2018

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn của PGS.TS. Nguyễn Thị Tố Loan. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn
này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào
khác.
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Kiều Trang

i


Xác
nhận
củaTr
ưởng
khoa

N
g
ư
ờ
i
h
ư
ớ
n
g

PGS.TS.
Nguyễn
Thị Hiền
Lan

d
ẫ
n

PGS.TS.
Nguyễn
Thị Tố
Loan

SYNTHESIS, STUDY ON STRUCTURAL CHARACTERISTICS
AND PHOTOCATALYTIC PROPERTIES OF NANOPARTICLES
Cu2+ AND Sr2+-DOPED ZnO

i


LỜI CẢM ƠN
Luận văn đã được hoàn thành tại khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm,
Đại học Thái Nguyên.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Thị Tố Loan người
đã tận tnh hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận
văn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Ban giám hiệu, phòng
Đào tạo, khoa Hóa học - trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên đã tạo
mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

thực hiện đề tài.
Xin chân thành cảm ơn các bạn bè đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ, tạo
mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực nghiệm và hoàn
thành
luận văn.
Thái Nguyên, tháng 4 năm 2018
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Kiều Trang

ii


MỤC LỤC
Trang

iii


Lời cam đoan ..........................................................................................................
i Lời cảm ơn.............................................................................................................
ii

Mục

lục.................................................................................................................iii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt................................................................ iv
Danh mục các bảng ............................................................................................... v
Danh mục các hình ...............................................................................................
vi MỞ ĐẦU ..............................................................................................................

1
Chương 1. TỔNG QUAN ................................................................................... 2
1.1. Một số phương pháp điều chế oxit kim loại kích thước nanomet .................
2
1.1.1. Phương pháp đồng kết tủa...........................................................................
2
1.1.2. Phương pháp thủy nhiệt ..............................................................................
2
1.1.3. Phương pháp sol-gel....................................................................................
3
1.1.4. Phương pháp tổng hợp đốt cháy..................................................................
4
1.2. Tổng quan về ZnO và ZnO pha tạp kim loại ................................................. 5
1.2.1. Vật liệu ZnO ................................................................................................ 5
1.2.2. Vật liệu ZnO pha tạp kim loại..................................................................... 6
1.2.3. Ứng dụng của ZnO và ZnO pha tạp trong xúc tác quang hóa phân hủy
thuốc

nhuộm

.................................................................................................................... 8
1.3. Giới thiệu về poli (vinyl ancol) và metylen xanh ........................................ 10
1.3.1. Giới thiệu về poli (vinyl ancol) ................................................................. 10
1.3.2. Metylen xanh .............................................................................................
11
1.4. Các phương pháp nghiên cứu vật liệu..........................................................
iii
12

1.4.1. Phương pháp phân tích nhiệt.....................................................................
12
1.4.2. Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen ...............................................................
13
1.4.3. Phương pháp hiển vi điện tử truyền qua ...................................................
14
1.4.4. Phương pháp đo phổ tán sắc năng lượng tia X .........................................
15
1.4.5. Phương pháp phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại-khả kiến (DRS).............. 16

iii


1.4.6. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại- khả kiến ...........................................
18
Chương 2. THỰC NGHIỆM ............................................................................ 20
2.1. Dụng cụ, hoá chất ......................................................................................... 20
2.1.1. Dụng cụ, máy móc .................................................................................... 20
2.1.2. Hoá chất..................................................................................................... 20
2.2. Tổng hợp oxit nano ZnO pha tạp Cu2+, Sr2+ bằng phương pháp đốt cháy gel...
20
2.3. Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng quang xúc tác phân
hủy metylen xanh của các vật liệu
............................................................................. 21
2.3.1. Xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh.......................... 21
2.3.2. Khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ ..................................................
22
2.3.3. Khảo sát ảnh hưởng của phần trăm mol Cu2+, Sr2+ pha tạp ...................... 23
2.3.4. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng .............................................
23

2.3.5. Khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu ............................................ 23
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN....................................................... 25
3.1. Kết quả nghiên cứu vật liệu bằng phương pháp phân tích nhiệt..................
25
3.2. Kết quả nghiên cứu vật liệu bằng phương pháp nhiễu xạ Rơnghen ............
26
3.2.1. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ % mol Cu2+, Sr2+ pha tạp ......... 26
3.2.2. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nung....................................
28
3.3. Kết quả đo phổ tán sắc năng lượng tia X của các mẫu ................................ 29
3.4. Kết quả nghiên cứu mẫu bằng phương pháp hiển vi điện tử truyền qua .....
30
3.5. Kết quả đo phổ phản xạ khuếch tán tử ngoại- khả kiến ...............................
32
3.6. Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến phản ứng quang xúc
tác . 33
3.6.1. Kết quả khảo sát thời gian đạt cân bằng hấp phụ......................................
33


3.6.2. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ %mol Cu2+, Sr2+ pha tạp trong các
mẫu...... 34
3.6.3. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian phản ứng ................................
35
3.6.4. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của khối lượng vật liệu ................................
38
KẾT LUẬN ........................................................................................................ 40
PHỤ LỤC

iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Tên viết tắt

Tên đầy đủ

CS

Combustion Synthesis

CTAB

Cetyl trimetyl amoni bromua

DSC

Differential Scanning Calorimetry

DTA

Differential Thermal Analysis

DRS

UV-Visible Diffuse Refectance Spectroscopy

EDA

Etylen diamin

EDX

Energy dispersive X- ray

GPC

Gas Phase Combustion

MB

Metylen xanh

PEG

Poly (etylen glicol)

PAA

Poly (acrylic axit)

PGC

Polimer Gel Combustion

PVA

Poly (vinyl ancol)

SC

Solution Combustion

SDS

Natri dodecyl sunfat

SHS

Self Propagating High Temperature Synthesis Process

SSC

Solid State Combustion

TEM

Transnission Electron Microscope

TGA

Thermo Gravimetric Analysis

XRD

X-Ray Diffraction
iv


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1. Khối lượng Zn(NO3)2.4H2O, Cu(NO3)2.6H2O và Sr(NO3)2.6H2O
trong các mẫu ......................................................................................................
21
Bảng 2.2. Số liệu xây dựng đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh .............
21
Bảng 3.1. Kích thước tinh thể và giá trị d101 của mẫu ZnO, C1, C5, C10 và S1,
S5, S10 nung ở 500oC ........................................................................................
27
Bảng 3.2. Kích thước tinh thể của các mẫu C1, S1 khi nung ở các nhiệt độ khác
nhau......................................................................................................................
29
Bảng 3.3. Giá trị bước sóng hấp thụ λ và năng lượng vùng cấm Eg của oxit ZnO,
C1, C5, C10, S1, S5, S10................................................................................... 33
Bảng 3.4. Ảnh hưởng của tỉ lệ % mol Cu2+, Sr2+ pha tạp trong các mẫu C1, C5,
C10 (a) và S1, S5, S10 (b) đến hiệu suất phân hủy metylen xanh.................
34
Bảng 3.5. Ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng đến hiệu suất phân hủy MB khi
có mặt vật liệu C10.............................................................................................
37
Bảng 3.6. Ảnh hưởng của thời gian chiếu sáng đến hiệu suất phân hủy MB khi
có mặt vật liệu S10 .............................................................................................
37
Bảng 3.7. Ảnh hưởng của khối lượng vật liệu C10, S10 đến hiệu suất phân hủy
MB ....................................................................................................................... 39

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu trúc lục phương của

ZnO.........................................................................5
Hình 1.2. Minh họa cơ chế quang xúc tác trên chất bán dẫn
........................................8
Hình 1.3. Công thức cấu tạo của metylen xanh ..........................................................
11
Hình 1.4. Phổ UV-Vis của dung dịch metylen xanh ..................................................
12
Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy đo phổ EDX ....................................
16
Hình 1.6. Phản xạ gương và phản xạ khuếch tán từ bề mặt nhám
............................ 16
Hình 2.1. Đường chuẩn xác định nồng độ metylen xanh ..........................................
22
Hình 3.1. Giản đồ phân tch nhiệt của mẫu C1 ...........................................................
25
Hình 3.2. Giản đồ phân tch nhiệt của mẫu S1............................................................
25
Hình 3.3. Giản đồ XRD của các mẫu ZnO, C1, C5, C10 khi nung ở 500oC ........... 26
Hình 3.4. Giản đồ XRD của các mẫu ZnO, S1, S5, S10 khi nung ở 500oC ............ 26
Hình 3.5. Giản đồ XRD của mẫu C1 khi nung ở 500÷700oC ................................... 28
Hình 3.6. Giản đồ XRD của mẫu S1 khi nung ở 500÷700oC.................................... 28
Hình 3.7. Phổ EDX của mẫu C10 khi nung ở 500oC ................................................. 29
Hình 3.8. Phổ EDX của mẫu S10 khi nung ở 500oC.................................................. 29
Hình 3.9. Ảnh TEM của mẫu ZnO khi nung ở 500oC ............................................... 30
Hình 3.10. Ảnh TEM của mẫu C1 khi nung ở 500oC ................................................
30
Hình 3.11. Ảnh TEM của mẫu C5 khi nung ở 500oC ................................................
31
vi

Hình 3.12. Ảnh TEM của mẫu C10 khi nung ở 500oC ..............................................
31
Hình 3.13. Ảnh TEM của mẫu S10 khi nung ở 500oC .............................................. 31
Hình 3.14. Phổ DRS của mẫu ZnO và C1, C5, C10 .................................................. 32
Hình 3.15. Phổ DRS của mẫu ZnO và S1, S5, S10.................................................... 32
Hình 3.16. Phổ UV-Vis của metylen xanh ở nhiệt độ phòng khi có mặt vật liệu
C10 (a) và S10 (b) .............................................................................................. 33
Hình 3.17. Phổ UV-Vis của sản phẩm phân hủy MB khi cho ZnO, C1, C5,
C10 (a) và S1, S5, S10 (b) vào dung dịch MB và chiếu đèn UV trong
240 phút

vi
i


..............................................................................................................................
34
Hình 3.18. Phổ UV-Vis của sản phẩm phân hủy metylen xanh khi có mặt vật
liệu C10 (a) và S10 (b) và được chiếu sáng bằng đèn UV .............................
36
Hình 3.19. Sự phụ thuộc của ln(Co/Ct) vào thời gian phản ứng khi có mặt vật
liệu C10 (a) và S10 (b) .......................................................................................
38
Hình 3.20. Sự phụ thuộc của hiệu suất phân hủy MB vào khối lượng vật liệu
C10 (a) và S10 (b) .............................................................................................. 39

vii

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, lĩnh vực nghiên cứu chế tạo vật liệu nano đã
phát triển một cách vô cùng nhanh chóng nhằm giải quyết các vấn đề về môi
trường, sinh thái và con người. Mức sản xuất hiện nay của vật liệu nano đã
lớn và được dự báo sẽ tăng lên rất nhiều.
Oxit ZnO là vật liệu bán dẫn có độ rộng vùng cấm cao (3,37 eV) và
năng lượng liên kết exciton lớn (60 meV). Tuy nhiên do nó có sự ổn định hóa
học, không gây độc, giá thành tương đối thấp nên được sử dụng trong nhiều
lĩnh vực. Nhiều nghiên cứu cho thấy, giá trị năng lượng vùng cấm của ZnO
thay đổi khi pha tạp thêm một số kim loại như Al, Fe, Mn, Ce, Sr, Cu… Oxit
ZnO khi được pha tạp kim loại có sự hình thành các hợp chất hóa học trên
bề mặt hoặc các khuyết tật trong mạng lưới tinh thể của nó. Chính điều này
đã làm giảm độ rộng vùng cấm và do đó làm cho hoạt tnh quang xúc tác của
ZnO tăng.
Hiện nay, oxit nano ZnO đã được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu
tổng hợp bằng một số phương pháp như kết tủa, thủy nhiệt, sol-gel, đốt
cháy… Tùy thuộc vào từng phương pháp điều chế mà oxit thu được có kích
thước và hình dạng khác nhau. Khi ứng dụng vào thực tế, kích thước hạt và
hình thái học của oxit đóng vai trò quan trọng.
Trên cơ sở đó chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: “Tổng hợp, nghiên
cứu đặc trưng cấu trúc và hoạt tnh quang xúc tác của oxit nano ZnO có pha
tạp Cu2+, Sr2+”.

1


Chương 1

TỔNG QUAN
1.1. Một số phương pháp điều chế oxit kim loại kích thước nanomet

1.1.1. Phương pháp đồng kết tủa
Theo phương pháp đồng kết tủa dung dịch các muối được chọn đúng
với tỉ lệ như trong sản phẩm, rồi thực hiện phản ứng đồng kết tủa (dưới dạng
hydroxit, cacbonat, oxalat…) sản phẩm rắn kết tủa thu được sẽ được tiến
hành nhiệt phân để thu được sản phẩm mong muốn.
Ưu điểm của phương pháp này là các chất tham gia phản ứng đã được
phân tán ở mức độ phân tử, tỷ lệ các ion kim loại đúng theo hợp thức của
hợp chất cần tổng hợp.
Nhược điểm của phương pháp này là có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến
khả năng kết tủa của các hiđroxit như nồng độ, pH của dung dịch, tỷ lệ các
chất tham gia phản ứng, nhiệt độ. Do đó cần phải xác định được pH để quá
trình đồng kết tủa xảy ra và tnh toán được chính xác tỷ lệ muối các kim loại
cân bằng trong dung dịch để được sản phẩm kết tủa như mong muốn [3].
1.1.2. Phương pháp thủy nhiệt
Phương pháp thủy nhiệt được thực hiện trong dung dịch nước ở nhiệt
độ phòng và áp suất cao. Các oxit kim loại thường được tổng hợp bằng
phương pháp thủy nhiệt kết tủa và kết tinh. Tổng hợp thủy nhiệt kết tủa sử
dụng dung dịch muối tinh khiết của kim loại, còn tổng hợp thủy nhiệt kết tinh
dùng hidroxit, sol hoặc gel. Thành công của quá trình tổng hợp vật liệu bằng
phương pháp thủy nhiệt phụ thuộc vào sự lựa chọn tiền chất, nhiệt độ, pH và
nồng độ của chất phản ứng [11]. Trong phương pháp này thường sử dụng
một số chất hữu cơ làm chất hoạt động bề mặt như cetyl trimetyl amoni
bromua (CTAB), natri dodecyl sunfat (SDS), poli etylen glicol (PEG), etylen
2


diamin (EDA).

3

1.1.3. Phương pháp sol-gel
Phương pháp sol-gel thường dựa vào sự thủy phân và ngưng tụ
ancolat kim loại hoặc ancolat precursor định hướng cho các hạt oxit phân tán
vào trong sol. Sau đó sol được làm khô và ngưng tụ thành mạng không gian
ba chiều gọi là gel. Gel là tập hợp gồm pha rắn được bao bọc bởi dung môi
[17]. Nếu dung môi là nước thì sol và gel tương ứng được gọi là aquasol và
alcogel. Chất lỏng được bao bọc trong gel có thể loại bỏ bằng cách làm bay
hơi hoặc chiết siêu tới hạn. Sản phẩm rắn thu được là xerogel và aerogel
tương ứng.
Phương pháp này có một số ưu điểm sau:
- Tạo ra sản phẩm có độ tinh khiết cao.
- Có thể điều chỉnh được các tính chất vật lí như sự phân bố kích thước
mao quản, số lượng mao quản của sản phẩm.
- Tạo ra sự đồng nhất trong pha ở mức độ phân tử.
- Có thể điều chế mẫu ở nhiệt độ thấp và bổ sung dễ dàng một số
thành phần.
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ đồng nhất của sản phẩm là dung môi,
nhiệt độ, bản chất của precursor, pH, xúc tác, chất phụ gia. Dung môi có ảnh
hưởng đến động học quá trình, còn pH ảnh hưởng đến các quá trình thủy
phân và ngưng tụ. Có bốn bước quan trọng trong quá trình sol-gel: hình
thành gel, làm già gel, khử dung môi và cuối cùng là xử lí bằng nhiệt để thu
được sản phẩm.
Phương pháp sol-gel rất đa dạng tùy thuộc vào tiền chất tạo gel và có
thể qui về ba hướng sau: thủy phân các muối, thủy phân các ancolat và solgel tạo phức. Trong ba hướng này, thủy phân các muối được nghiên cứu sớm
nhất, phương pháp thủy phân các ancolat đã được nghiên cứu khá đầy đủ
còn phương pháp sol-gel tạo phức hiện đang được nghiên cứu nhiều và đã
4

được đưa vào thực tế sản xuất [17].

5


1.1.4. Phương pháp tổng hợp đốt cháy
Trong những năm gần đây, phương pháp tổng hợp đốt cháy hay tổng
hợp bốc cháy (Combustion Synthesis-CS) trở thành một trong những kĩ thuật
quan trọng trong điều chế và xử lí các vật liệu gốm mới (về cấu trúc và chức
năng), composit, vật liệu nano và chất xúc tác [14].
So với một số phương pháp hóa học khác, tổng hợp đốt cháy có thể
tạo ra oxit nano ở nhiệt độ thấp hơn trong một thời gian ngắn và có thể đạt
ngay sản phẩm cuối cùng mà không cần phải xử lí nhiệt thêm nên hạn chế
được sự tạo pha trung gian và tiết kiệm được năng lượng [14]. Trong quá
trình tổng hợp đốt cháy xảy ra phản ứng oxi hóa khử tỏa nhiệt mạnh giữa hợp
phần chứa kim loại và hợp phần không kim loại, phản ứng trao đổi giữa các
hợp chất hoạt tính hoặc phản ứng giữa hợp chất hay hỗn hợp oxi hóa khử…
Những đặc tính này làm cho tổng hợp đốt cháy trở thành một phương pháp
hấp dẫn để sản xuất vật liệu mới với chi phí thấp nhất so với các phương pháp
truyền thống. Một số ưu điểm của phương pháp đốt cháy là thiết bị công nghệ
tương đối đơn giản, sản phẩm có độ tinh khiết cao, có thể dễ dàng điều khiển
được hình dạng và kích thước của sản phẩm.
Phương pháp đốt cháy được biết như là quá trình tổng hợp tự lan
truyền nhiệt độ cao phát sinh trong quá trình phản ứng (Self Propagating
High Temperature Synthesis Process) hay còn gọi là quá trình SHS. Tùy thuộc
vào trạng thái của các chất phản ứng, tổng hợp đốt cháy có thể chia thành:
đốt cháy trạng thái rắn (Solid State Combustion-SSC), đốt cháy dung dịch
(Solution Combustion-SC), đốt cháy gel polime (Polimer Gel Combustion-PGC)
và đốt cháy pha khí (Gas Phase Combustion-GPC).
* Phương pháp tổng hợp đốt cháy gel polime

Để ngăn ngừa sự tách pha cũng như tạo ra sự đồng nhất cao cho sản
phẩm, phương pháp hóa học thường sử dụng các tác nhân tạo gel. Một số
polime hữu cơ được sử dụng làm tác nhân tạo gel như poli (vinyl ancol)
(PVA), poli (etylen glycol) (PEG), poli (acrylic axit) (PAA), với sự có mặt của
6


một số cacbohidrat (monosaccarit, đisaccarit), hợp chất poli hydroxyl
(sorbitol, manitol) [26]. Một số polime còn đóng vai trò nhiên liệu như PVA,
PAA, gelatin

7


nên phương pháp này còn được gọi là phương pháp đốt cháy gel polime.
Trong phương pháp này, dung dịch tiền chất gồm dung dịch các muối kim loại
(thường là muối nitrat) được trộn với polime hòa tan trong nước tạo thành
hỗn hợp nhớt. Làm bay hơi nước hoàn toàn hỗn hợp này và đem nung thu
được các oxit mịn.
Các polime đóng vai trò là môi trường phân tán cho cation trong dung
dịch, ngăn ngừa sự tách pha và là nhiên liệu cung cấp nhiệt cho quá trình đốt
cháy gel, làm giảm nhiệt độ tổng hợp mẫu. Pha, hình thái học của mẫu chịu
ảnh hưởng của các yếu tố như bản chất, hàm lượng polime sử dụng, pH,
nhiệt độ tạo gel, nhiệt độ và thời gian nung.
Phương pháp này chưa được nghiên cứu kĩ mặc dù có một số ưu việt rõ
rệt như công nghệ không phức tạp, dễ triển khai vì không đòi hỏi các thiết bị
đặc biệt, hoá chất dễ kiếm, rẻ tiền và thời gian phản ứng ngắn ở nhiệt độ
thấp. Đây là một công nghệ mới có nhiều hứa hẹn trong lĩnh vực chế tạo các
oxit nano.
1.2. Tổng quan về ZnO và ZnO pha tạp kim loại

1.2.1. Vật liệu ZnO
Oxit kẽm (ZnO) là chất bột màu trắng khó nóng chảy (nhiệt độ nóng
chảy ở 1950oC), có khả năng thăng hoa, không phân hủy khi đun nóng, hơi rất
độc, màu trắng ở nhiệt độ thường, màu vàng khi đun nóng [6]. ZnO tồn tại ở
3 dạng cấu trúc: lục phương, lập phương và lập phương tâm khối. Trong 3 cấu
trúc này thì cấu trúc lục phương (hexagonal wurtzite) là cấu trúc bền, ổn
định nhiệt và phổ biến nhất của ZnO (hình 1.1). Với cấu trúc này, mỗi nguyên
tử oxi liên kết với 4 nguyên tử kẽm và ngược lại. Mỗi ô đơn vị của ZnO chứa 2
nguyên tử oxi và
2 nguyên
kẽm.

tử
Zn
O

5


Hình 1.1. Cấu trúc lục phương của ZnO
ZnO là chất bán dẫn với năng lượng vùng cấm rộng 3,2 eV và năng
lượng kích thích liên kết lớn (60 meV) ở nhiệt độ phòng [2]. Năng
lượng

6


vùng cấm 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 được ứng dụng trong nhiều thiết bị khác nhau như điện tử, cửa sổ
thông minh, lazer UV, detector quang UV, sensor khí, sensor hoá học, sensor
sinh học và chất kháng khuẩn [13,27].
Phương pháp tổng hợp đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng đến hình
thái học, kích thước và thành phần hoá học bề mặt của vật liệu. Một số
phương pháp thường được sử dụng để tổng hợp nano ZnO như kết tủa [34],
thủy nhiệt [18], sol-gel [15], đốt cháy [12]…
ZnO với các hình thái khác nhau được tổng hợp bằng phương pháp kết
tủa từ các nguyên liệu đầu là Zn(NO3)2.6H2O và NH3 [34]. Các hình thái khác
nhau từ dạng sợi, hạt nano đến dạng que có thể thu được bằng cách điều
chỉnh yếu tố như nhiệt độ và nồng độ kiềm. Điện trở của ZnO phụ thuộc
nhiều vào hình thái của vật liệu.
Tác giả [18] đã tổng hợp vật liệu ZnO bằng phương pháp thuỷ nhiệt đi từ
muối Zn(NO3)2 và KOH. Kích thước của hạt biến đổi trong khoảng (50-500) x
(300-1000) nm.
Tác giả [34] nhận thấy rằng giá trị năng lượng vùng cấm của ZnO dạng sợi
phụ thuộc vào năng lượng kích thích, có sự chuyển dịch xanh (blue shift) khi
năng lượng kích thích tăng. Họ đã cho rằng, do sự tái sắp xếp mức năng
lượng ở mức năng lượng dẫn (CB) và mức năng lượng hoá trị (VB) do trường
điện trên bề mặt sinh ra và sự tồn tại một lượng đáng kể lỗ trống oxi khi
cường độ ánh sáng kích thích tăng.
1.2.2. Vật liệu ZnO pha tạp kim loại
Tác giả [16][25] sử dụng phương pháp đồng kết tủa đã tổng hợp được
oxit nano ZnO pha tạp Sr2+. Kết quả phân tch nhiễu xạ Rơnghen cho thấy,
7