Tổng hợp, khảo sát đặc trưng cấu trúc và độ dẫn của vật liệu nano-Somposite của polypyrrole và titan oxide (PPy/TiO2) - Lưu Thị Lan Anh

TAÏP CHÍ KHOA HOÏC ÑAÏI HOÏC SAØI GOØN Soá 17 (42) - Thaùng 6/2016 69 - titan oxide (PPy/TiO2) Fabrication, structural characterization, and conductivity of polypyrrole and titanium oxide nano-composite materials 1 r ờ g Đại họ 2 g g r ờ g Đại học Sài Gòn 1 Ph.D. Luu Thi Lan Anh Ha Noi University of Science and Technology 2 Ph.D. Nguyen Xuan Sang Sai Gon University Tóm tắt Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu quy trình chế tạo và phân tích tính chất của vật liệu composite của polymer bán dẫn polypyrrole và titan oxit. Quy trình chế tạo mẫu với số l ợng lớn và tiết kiệm bằng p ơ g p p ó ó sử dụng chất x ó P đã t ô g dựa trên các phép phân tích cấu trúc và liên kết ó lý C p ép đ p tí tí ất u xạ tia X, hiể v đ ện tử quét (SEM) và phổ hồng ngoại (FT-IR) đ ợc thực hiện và cho thấy tính ổ đ nh cao của quy trình chế tạo với nhiều nồng đ khác nhau của các monomer pyrrole và b t titan oxit. Sự tă g ờ g đ dẫn của hợp chất khi thay đổi nồ g đ củ t t x t đ ợc quan sát bằ g p ơ g p p p ổ trở kháng phứ đ r ững tiềm ă g to lớn trong ứng dụng của vật liệu này làm màng mỏng chắ só g đ ện từ, nhạy í ó đ chọn lọc cao và pin mặt trời hiệ ă g với giá thành rẻ. Abstract In this paper, we present the experimental research on the fabrication procedure and characterization of composite of conductive polymer polypyrrole and titanium oxide. The cost-effective mass fabrication of samples via chemical method was done by using the oxidation solution of APS. Properties and morphology of our samples characterized via X-ray diffraction, SEM and FT-IR show well-structured compounds that were successfully obtained in various concentration ratios of monomer pyrrole and TiO2 powder. The enhancement of the conductivity observed via Impendence spectroscopy gives various promising applications of such materials as in electromagnetic interference thin film, selective gas sensor and solar cell. Keywords: conductive polymer, metal oxide, nanocomposite, hybrid mat f b 70 1. Giới thiệu Hiện nay, vật liệu composite của polymer dẫn và chất bán dẫn oxide nano nhậ đ ợc sự quan tâm rất lớn do tiềm ă g v lợi ích mà vật liệu này mang lại trong việc ứng dụng vào các thiết b quang đ ện, chất xúc tác mới, vật liệu cảm biến và pin lithium-ion [8, 4, 2]. Nhiều công trình nghiên cứu về tổng hợp các vật liệu lai hữu ơ - vô ơ gồm các oxit kim loại/kim loại và polymer dẫ đã v đ g đ ợc công bố. Trong các polymer dẫn, vật liệu p l p rr le t út đ ợc nhiều sự quan tâm của các nhà khoa họ ơ ả do vật liệ ó đ dẫn cao, ổ đ nh với nhiệt đ v mô tr ờ g v đặc biệt là rất d tổng hợp bằ g p ơ g p p ó p ổ dụng mà nhà nghiên cứu có thể áp dụng trong đ ều kiện hạn chế về thiết b [8, 4]. TiO2 ũ g l m t trong những oxit bán dẫ đ ợc nghiên cứu r ng rãi do nhữ g đặc tính q g đ ệ v đặ tí q g xú t đầy hứa hẹn củ ú g [5, 6, 9, 14] D đó, kết hợp hai loại vật liệu này với nhau mang lại triển vọng về các tính chất lý hóa mong muốn. Chúng ta có thể t đ ợc nhữ g đặc tính tốt kết hợp nhữ g đ ểm của hai loại vật liệu và khắc phục nhữ g ợ đ ểm của từng loại. Có nhiề p ơ g p p đ ợc sử dụ g để tổng hợp PP : đ ện hóa, hóa họ , q g ó , ó ũ t ơ g [8, 4] ù t e mụ đí ế tạo PPy là dạng hạt, dạng màng hay dạng dây mà ta lựa chọn p ơ g p p tố p ù hợp Đối vớ p ơ g p p ó ọc, ta có thể gặp phải m t số ó ă tr g v ệc lựa chọn dung môi phù hợp để hòa tan các monomer và các chất oxy hóa, việc lựa chọ đố để liên kết với chất oxy hóa hoặ đ ều khiển tố đ phản ứng polyme hóa. Mặc dù vậ , p ơ g p p ó học có nhữ g đ ểm hết sức quan trọng : G t rẻ, có thể chế tạo mẫu với số l ợng lớn trong thời gian ngắn. Dựa trên nhữ g đ ểm đó v đ ều kiện hiện nay ở Việt m ê p ơ g p p ủ yế đ ợc lựa chọ để tổng hợp polymer - p l p rr le l p ơ g p p ó ọc. Trong bài báo này, chúng tôi sẽ trình bày về nghiên cứu tổng hợp composite PPy/TiO2 bằ g p ơ g p p ó ọc sử dụng chất x ó l P ơ ữa, chúng tô đã t ực hiện m t số p ép đ p tí kết quả và thảo luận về những tính chất lý hóa và các tiềm ă g về ứng dụng của vật liệu tạ đ ợc. 2. Thực nghiệm Tất cả hóa chất sử dụng là hóa chất p tí ó đ tinh khiết ớc cất hai lầ đ ợc sử dụng trong quá trình thực nghiệm r ớc tiên, vật liệu polypyrrole đ ợc tổng hợp từ hỗn hợp gồm dung d ch Pyrrole nồ g đ 0,1M, dung d ch APS nồng đ 0,1M và b t TiO2tổng hợp bằ g p ơ g p p s l-gel [8] vớ t lệ , , 50%, 60%, 80% và 100% về số mol vào cốc 100ml và khuấ đều vớ m ấ từ vớ tố đ ô g đổi. Sau m t khoảng thời gian quá trình polymer hóa di r , tr g d g d ó ết tủ m đe t í l mp s te PP 2 q tr p l mer ó ết t ú , g l ô g t ấy l ợng kết tủa hình thành thêm, thời gian khuấ đ ợc tiếp tục thêm t = 5 phút. Kết thúc thí nghiệm, lọc rửa kết tủ t đ ợc nhiều lầ vớ ớ ất, s đó sấ ô tạ nhiệt đ T = 90 oC trong khoảng thờ g t 4 g ờ C ố ù g ú g t t đ ợ t m đe , m v xốp C mẫ đ ợc ký hiệu lầ l ợt là S0, S2, S5, S6, S8 và S10 t ơ g ứng vớ t lệ 2 là 0%, 20% , 50%, 60%, 80% và 100%. 1) Hình thái bề mặt của các mẫu PPy/TiO2 đ ợc phân tích bằng kính hiển vi 71 đ ện tử quét SEM trên hệ FEI quanta 200 và hệ kính hiể v đ ện tử HITACHI SU3500. 2) Để khả s t đặ tr g ủa PPy tổng hợp đ ợc, mẫu PPy/TiO2 đ ợc ép viên với KBr và phân tích trên hệ FT-IR nicolet 6700 thermo của Mỹ. Phân tích mẫu PPy/TiO2 bằ g p ơ g p p u xạ tia X mẫu b t trên hệ X'Pert PRO của hãng PANalytical-Phillip sử dụng bức xạ Cu- α vớ ớ só g λ 1,54 56 Å 3) Để x đ nh thành phần các nguyên tố ó tr g mp s te t đ ợc, chúng tôi tiến hành khảo sát mẫu PPy/TiO2 sử dụng hệ quang phổ tán xạ ă g l ợng tia X Oxford SwiftED3000. 4) Đ dẫn của vật liệu PPy/TiO2 đ ợc tính toán từ kết quả đ p ổ trở kháng phức của các mẫu này trên thiết b Impedance Analyser HP4192 trong giải tần số từ f = 100 Hz ÷13 MHz. 3. Kết quả và thảo luận 1 d ớ đ l ảnh chụp hình thái bề mặt của các mẫu chế tạo trên hệ FEI quanta 200 và trên hệ HITACHI SU3500. D nhận thấy, tất cả các mẫ đều có dạng hạt và xốp. Tuy nhiên, với tỷ lệ Py: TiO2 , đ đồ g đều về í t ớc hạt ũ g t đổi. Ở các mẫu S0, S2, S5 các hạt có hình dạ g v í t ớ đồ g đều ơ ( 1 , 1 v 1 ) tă g tỷ lệ TiO2, đ đồ g đều của mẫu giảm, trong mẫu xuất hiện những hạt có kích t ớc lớ ơ ẳn những hạt khác. Kết quả này do nồ g đ TiO2 tă g t tạo ra hiện t ợng co cụm do quá bão hòa về nồ g đ hòa tr n. Hình ảnh SEM cho thấy ở nồng đ cao nhất của vật liệu TiO2 (h.1f), hiện t ợng vón cụ đã xảy ra khá mạnh, sinh ra các hạt í t ớc khác hẳn nhau. Hình 1: Ảnh SEM của các mẫu composite PPy-TiO2: (a) S0, (b) S2, (c) S5, (d) S6, (e) S8 và (f) S10. a) b) c) d) e) f) 72 Cấu trúc của vật liệu nano composite PPy-TiO2 đã đ ợ x đ nh sử dụ g p ơ g p p F -IR. Kết quả đ F - IR của các mẫ , v 5 đ ợc biểu di tr g d ớ đ Chúng ta có thể d dàng nhận thấy, trong khoảng số sóng  = 500 4000 cm-1 trong cả ba mẫu đều xuất hiệ đ nh hấp thụ đặ tr g của PPy [10, 11]. Ở ả g số só g  926,8 cm -1 x ất ệ đ ấp t ụ vớ ờ g đ lớ đ ợ q d đ ng của liên kết C-H ngoài mặt phẳng phân tử [1 ] Đ nh hấp thụ ở khoảng số só g v ≈ 794,6 m-1do d đ ng của liên kết C-N kéo dài gây nên [1 , 3] Đ nh hấp thụ ở khoảng số só g v ≈ 1560,5 cm -1 t ơ g ứng vớ d đ ng kéo dài của liên kết C=C trong PPy [3] Đ nh hấp thụ ở khoảng số só g v ≈ 1478, m-1 t ơ g ứng vớ d đ ng kéo dài của liên kết C-N trong phân tử PP , đ ấp t ụ ở ả g số só g  1192,3 cm-1 quy cho do sự dao đ ng của vòng Py gây nên [9]. Dải thể hiện sự d đ ng của các lên kết NH, CH trong mặt phẳng phân tử đ ợc thể hiện tại v trí đ nh hấp thụ có số só g v ≈ 1 49,4 m-1. Liên kết =C-H trong mạch PPy gây ra dao đ ng tạ đ nh hấp thụ ở khoảng có số sóng v ≈ 1 89,7 m-1 [7] Đ nh hấp thụ có số sóng v ≈ 3413,7 m-1 có thể q d đ ng kéo dài của liên kết –OH trong phân tử ớc [3, 10, 14]. Ngoài ra, có thể nhận thấy, trong khoảng số sóng  = 500 4000 cm -1 không thấy xuất hiệ đ nh hấp thụ đặ tr g ủa TiO2 mà ch thể hiệ đ nh hấp thụ của PPy. Tuy nhiên, có thể thấy các đ nh hấp thụ của PPy b d ch chuyển so với khi không có TiO2 nên có thể nói trong mẫu S2 và S5 có hai thành phần là PPy và TiO2. Hình 2. Phổ FT-IR của mẫu composite PPy-TiO2 C đ nh hấp thụ t ơ g ứng với các d đ ng của các liên kết trong mẫu composite PPy-TiO2 đ ợc trình bày tổng hợp trong bả g 1 d ớ đ Bảng 1. Tổng hợp các đỉnh hấp thụ của trong phổ FT-IR của mẫu composite PPy-TiO2 TT D đ ng Số sóng , (cm-1) Tham khảo Thực nghiệm S0 S2 S5 1 C-H ngoài mặt phẳng phân tử 781 794,6 - 796,4 2 920 926,8 930,5 930,5 S0 S2 S5 73 TT D đ ng Số sóng , (cm-1) Tham khảo Thực nghiệm S0 S2 S5 3 N-H, C-H trong mặt phẳng phân tử 1044 1049,4 1050,7 1051,1 4 Vòng Py 1190 1192,3 1193,5 1196,0 5 C-H của PPy 1380 1289,7 1399,7 1399,1 7 C=C trong PPy 1558,4 1478,0 1566,0 1569,1 8 -OH trong H2O 3440 1560,5 3428,5 - 9 3100 3413,7 - 3117 Để ẳ g đ t êm về sự t ấ trú ủ mp s te PP - TiO2, chúng tôi tiến hành phân tích mẫu S5 bằ g p ơ g pháp nhi u xạ tia X mẫu b t sử dụng bức xạ Cu- α vớ ớ só g λ 1,54 56 Å tr g khoảng góc 2θ  80. Giả đồ nhi u xạ tia X của mẫ đ ợc bi u di n trên hình 3. Từ giả đồ nhi u xạ tia X chúng ta thấy đ nh nhi u xạ xuất hiệ rõ ét t ơ g ứng vớ gó θ 5,3; 37,8; 48,1 t ơ g ứng với các mặt 101, 004, 200 và q l đ nh nhi u xạ của TiO2 pha anatase [1] Đ nh nhi u xạ tạ gó θ 53,91 t ơng ứng với mặt 211 của TiO2 pha rutile [13]. Ngoài ra, trong giả đồ nhi u xạ không thấy xuất hiệ đ đặ tr g của PPy bởi vì tính tinh thể của PPy không đ ợc thể hiện rõ. 20 40 60 80 0 20 40 60 80 100 (101)(220) (116) (204) (211) (105) (200) (004) In te n s it y (a .u ) 2rad) (101) Hình 3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của mẫu composite S50, trục tung tương ứng với cường độ tương đối của phổ nhiễu xạ, trục hoành tương ứng với góc nhiễu xạ 74 vậy, từ kết quả phân tích phổ FT- IR và phổ nhi u xạ XRD, chúng ta có thể kết luận các mẫu tổng hợp đ ợc là composite PPy-TiO2. Đ dẫn của composite PPy-TiO2 đ ợc khảo sát bằng phổ trở kháng phức (CIS)mẫu trên thiết b Impedance Analyser HP4192 trong giải tần số từ f = 100Hz ÷ 13 MHz. Các mẫu composite sau khi tổng hợp đ ợc ép bằng máy ép hydraulic press thành viên hình trụ vớ đ ờng kính 5mm, chiều d 1mm đó v ê đ ợc tạ đ ện cực sử dụng keo cacbon và dây Ag. Các viên composite vớ đ ện cự g ó sơ đồ mạ t ơ g đ ơ g tr g đó gồm Rs l đ ện trở củ đ ện cực, Cdl l đ ện dung tiếp giáp giữ mp s te v đ ện cực và Rct l đ ện trở đặ tr g ả ă g tr đổ đ ện tí tr g mp s te ểu di n trong hình (4a) [9,10] vậ đ lớn của Rct phụ thu c vào khả ă g dẫn của composite. Phổ trở kháng của mạ đ ện này có dạng m t g trò , đ ờng kính g trò í l đ lớn củ đ ện trở Rct. Trên hình 4b là kết quả phổ trở kháng phức của mẫ mp s te 5 C đ ểm kí hiệu là giá tr thực nghiệm, đ ờng nét liền là giá tr sau khi fit. D nhận thấy, kết quả đ ó dạng m t g trò t ơ g tự p ổ trở kháng của mạ t ơ g đ ơ g 4 D đó, sơ đồ mạc t ơ g đ ơ g 4 ũ g l sơ đồ mạ t ơ g đ ơ g ủa mẫu S50. Bằ g p ơ g p p mô p ỏng sử dụng ơ g tr Zv ew 3 p ép tí đ ợc giá tr đ ện trở Rct của mẫu composite S5 là 158 Ω Hình 4. Sơ đồ mạch tương đương (a) và phổ trở kháng phức của mẫu composite S50(b) Giá tr đ ện trở Rct của các mẫ mp s te đã đ ợc tính toán từ ơ g tr Zv ew 3.0 và tổng hợp trong bảng 2. Chúng ta d thấ đ ợc ả ởng của TiO2 đế đ dẫn của vật liệu nano-composite.Với nồ g đ đủ lớ , x t t t đã cải thiệ đ g ể đ dẫn của hợp chất Đ ều này khá quan trọng trong các ứng dụng về chắ só g đ ện từ, polypyrrole là polymer dẫn tạo ma trận chắn sóng, các hạt titan oxit tạ ê đ dẫn cao hứa hẹn làm cho sự chắn sóng hiệu quả ơ Với tính chất là m t bán dẫn vùng cấm trực tiếp và r ng của polypyrrole (~ 2.21 eV) và củ x t t t p r t le (~3 ) ũ g ứa hẹ ă g s ất hấp thụ bức xạ dải ánh sáng tự nhiên tốt để l m p ă g l ợng mặt trời [2]. 75 Bảng 2. Giá trị điện trở Rct của composite PPy-TiO2 TT Mẫu Đ ện trở Rct ( Ω) Đ dẫn (S.cm -1 ) 1 S0 314,28 0,62.10 -6 2 S2 258,1 1,97.10 -6 3 S5 158,2 3,22.10 -6 4. Kết luận đã tr ết quả tổng hợp hạt PP ũ g mp s te PPy-TiO2 vớ í t ớc khoảng 500 nm vớ đ đồ g đều cao bằ g p ơ g p p hóa học từ monomer pyrrole, TiO2 và APS. Kết quả khảo sát cấu trúc của composite sử dụ g p ơ g p p p ổ hồng ngoại (FT-IR) và nhi u xạ t ( RD) ũ g ẳ g đ nh mp s te đã t với các phổ đặc tr g ủa PPy và cấu trúc tinh thể của TiO2 Đ dẫn củ mp s te ũ g đ ợc khảo sát sử dụ g p ơ g p p p ổ trở kháng phức CIS. Kết quả t đ ợc cho thấ , đ dẫn của composite cải thiện khi m l ợng TiO2 tă g, đ ều này chứng tỏ các oxit kim loạ đã ếch tán tốt trọng mạng của polymer nền. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. AL-D r ( 13), “Q t t t ve P se Analysis for Titanium Dioxide From X-Ray P wder D ffr t D t ,” Diyala J. Pure Sci., 9 (2), 108-119. 2. Chang L. Y., Li C. T., Li Y. Y., Lee C. P., Yeh M. H., Ho K. C., Lin J. J. (2005), “M rp l g l I fl e e f P l p rr le Nanoparticles on the Performance of Dye– e s t zed l r Cells”, Electrochimica Acta 155, 263-271. 3. C g le M ( 11), “ t es s d Characterization of Polypyrrole (PPy) Thin F lms,” Soft Nanosci. Lett., 01 (01)6-10 4. Eftekhari A. (2010), Nanostructured Conductive Polymers, John Wiley & Sons Ltd, USA 5. Fujishima A., Hashimoto K., Watanabe T. (1999), TiO2 photocatalysis Fundamentals and Applications,Tokyo Bkc, Japan. 6. Garzella C., Comini E., Tempesti E., Frigeri C , ervegl er G ( )“ t f lms a novel sol-gel processing for gas sensor ppl t s”, Sensors and Actuators B,68, 189-196. 7. Li X., Sun J., He G., Jiang G., Tan Y., and e ( 13), “M r p r s p l p rr le- TiO2 composites with improved photoactivity d ele tr em l se s t v t ,” J. Colloid Interface Sci., 411, 34-40. 8. M D rm d G ( 1), “ el le t re: “ t et Met ls”: vel R le f r rg P l mers”, Rev. Mod. Phys. 73 (3), 701-712. 9. Mahdjoub N., Allen N., Kelly P., Vishnyakov V ( 1 ), “ EM d R m st d f thermally treated TiO2 anatase nanopowders: I fl e e f l t p t t l t t v t ”, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry 211, 59–64. 10. Reung-u-rai A., Prom-jun A., and Prissanaroon- j W ( 8), “ t es s f Highly Conductive Polypyrrole Nanoparticles v M r em ls P l mer z t ”, J. Met. Mater. Miner., 18 (2),27-31. 11. ev l d Z l ( 1 ), “ t es s and characterization of polypyrrole nanoparticles and their nanocomposites with p l (pr p le e),” Macromol. Symp., 295, 59-64. 12. Tuyet Mai Nguyen Thi, Lan Anh Luu Thi, ơ g Đ ển, Xuan Anh Trinh, Dang Chinh Huynh, Nguy n Kim Ngà, Ngoc 76 r g g e ( 1 ), “Ả ởng của sự pha tạp , đến hoạt tính siê ớc, chố g s ơ g mù ủa màng TiO2 chế tạo bằ g p ơ g p p p p ủ sol-gel”, T p chí Hóa h c, 50(5B), 93-96. 13. Thamaphat K., Limsuwan P., and g t w r ( 9), “P se Characterization of TiO2 Powder by XRD d EM” Nat. Sci., 42,357–361. 14. Yu J., Zhou M., Yu H., Zhang Q., Yu Y. (2006), “Enhanced photoinduced super- hydrophilicity of the sol–gel-derived TiO2 t films Fe-d p g”, Materials Chemistry and Physics 95, 193-196. g ậ : 25/3/2016 ê tập x g: 15/6/2016 D ệt đăng: 20/6/2016