QUY TRÌNH TẠO MÀNG XÚC TÁC QUANG ưa NƯỚC CÓ KHẢ NĂNG TỰ LÀM SẠCH WO3,TiO2,SiO2 CHO PIN MẶT TRỜI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINHTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU BỘ MÔN VẬT LIỆU NĂNG LƯỢNG BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC Tên đề tài: QUY TRÌNH TẠO MÀNG XÚC TÁC QUANG ƯA NƯ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

BỘ MÔN VẬT LIỆU NĂNG LƯỢNG

BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Tên đề tài:

QUY TRÌNH TẠO MÀNG XÚC TÁC QUANG

ƯA NƯỚC CÓ KHẢ NĂNG TỰ LÀM SẠCH

WO3/TiO2/SiO2 CHO PIN MẶT TRỜI

SVTH Hoàng Thị Thanh Hải

MSSV 1710078

GVHD: Nguyễn Thị Minh Nguyệt

[Type here]

LỜI NÓI ĐẦU

Năng lượng là yếu tố quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế, xã hội của mỗi quốc gia Cùng với sự phát triển của xã hội loài người thì nhu cầu về sử dụng năng lượng ngày càng cao Tuy nhiên, các nguồn năng lượng từ nguyên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt đang gặp phải nguy cơ bị cạn kiệt và không thể đáp ứng kịp nhu cầu của con người trong tương lai gần Vì vậy, việc tận dụng những nguồn năng lượng tái tạo như điện gió, mặt trời, địa nhiệt, v.v là một giải pháp lâu dài cho tương lai Trong đó thì năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch và phù hợp với tiêu chí phát triển bền vững

Ở Việt Nam cũng như trên thế giới đã và đang phát triển nhiều dự án về khai thác năng lượng mặt trời Ngày càng có nhiều các nhà máy điện mặt trời được đưa vào sử dụng, cung cấp một lượng điện dồi dào cho các hoạt động sản xuất và sinh hoạt của con người Trong đó, pin năng lượng mặt trời đóng một vai trò rất quan trọng, là công cụ để thu thập năng lượng từ ánh sáng mặt trời và chuyển hóa thành điện năng Hiện nay, pin năng lượng mặt trời không chỉ được sử dụng trong công nghiệp, các công trình lớn mà còn phổ biến ở nhiều hộ gia đình Tuy nhiên, sau một thời gian đi vào hoạt động, có một vấn đề nghiêm trọng xuất hiện đối với pin mặt trời, đó là vấn đề bụi và các chất bẩn tích tụ trên bề mặt pin Bụi bẩn là nguyên nhân chính yếu dẫn đến sự giảm sút về đáng kể hiệu năng và gây nên sự xuống cấp của pin mặt trời

Do vậy, cần thiết có những biện pháp để làm sạch và bảo dưỡng pin trong quá trình sử dụng để giúp pin luôn đạt được hiệu suất tối ưu Đây chính là vấn đề được các nhà nghiên cứu quan tâm và tìm hiểu trong suốt những thập kỷ qua Đã có nhiều bài báo khoa học cũng như công trình nghiên cứu về các giải pháp cho vấn đề làm sạch pin mặt trời Trong các phương pháp làm sạch pin đã nghiên cứu và ứng dụng thì phương pháp phủ màng tự làm sạch được xem là phương pháp tối ưu và mang lại hiệu quả cao hơn cả

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong trường Đại học Bách Khoa

đã dạy dỗ, chỉ bảo chúng em trong suốt quá trình làm đồ án và tạo điều kiện cho chúng em thực hiện đề tài này Trong đó phải kể đến nhiều nhất là các Thầy Cô khoa Công nghệ Vật liệu chuyên ngành Vật liệu năng lượng & Ứng dụng và đặc biệt là thầy Lưu Tuấn Anh đã nhiệt tình hướng dẫn, chia sẻ những kinh nghiệm quý báu cho chúng em trong suốt quá trình học tập và thực hiện đồ án

Với lòng biết ơn sâu sắc, một lần nữa chúng em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô đã truyền đạt cho chúng em những kiến thức về chuyên môn cũng như những bài học về cuộc sống

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT

Đồ án “Quy trình tạo màng xúc tác quang ưa nước có khả năng tự làm sạch

WO 3 /TiO 2 /SiO 2 cho pin Mặt Trời” nhằm tìm hiểu cơ chế, tính chất và cấu trúc của vật liệu

phủ màng tự làm sạch cho pin mặt trời từ đó thực hiện quy trình tạo màng ưa nước tự làm sạch

Đồ án cũng chỉ ra tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước cũng như xu hướng công bố nghiên cứu về đề tài trên Mục tiêu của đồ án là tổng hợp màng ưa nước xúc tác quang tự làm sạch và đánh giá các tính chất của màng như góc tiếp xúc, độ truyền qua, khả năng chống bụi bẩn, chống sương mờ Cụ thể nội dung từng chương như sau:

Chương 1: Đặt vấn đề

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Thực nghiệm

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

MỤC LỤC

Trang

Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 9

1.1 ẢNH HƯỞNG CỦA BỤI BẨN ĐẾN HIỆU SUẤT PMT 9

1.2 TẦM QUAN TRỌNG CỦA VIỆC LÀM SẠCH PMT 10

1.3 ỨNG DỤNG MÀNG TỰ LÀM SẠCH LÊN BỀ MẶT PMT 11

1.3.1 Chống bụi và chất bẩn 11

1.3.2 Chống đọng nước và sương mờ 11

1.4 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 13

1.4.1 Trong nước 13

1.4.2 Ngoài nước 13

1.5 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 14

1.5.1 Mục tiêu đề tài 14

1.5.2 Nhiệm vụ đề tài 15

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16

2.1 CƠ CHẾ TỰ LÀM SẠCH CỦA MÀNG PHỦ ƯA NƯỚC QUANG XÚC TÁC 16 2.1.1 Cơ chế ưa nước tự làm sạch 16

2.1.2 Cơ chế xúc tác quang tự làm sạch 19

2.1.3 Bề mặt xúc tác quang ưa nước 22

2.2 CƠ CHẾ TỰ LÀM SẠCH CỦA MÀNG XÚC TÁC QUANG ƯA NƯỚC TỪ VẬT LIỆU HỖN HỢP WO3/TiO2/SiO2 (WTS) 23

2.2.1 Vật liệu cơ sở WO3, TiO2 và SiO2 23

[Type here]

2.2.2 Cơ chế tự làm sạch của màng vâ ̣t liê ̣u hỗn hợp WO3/TiO2/SiO2 ứng dụng cho pin

NLMT 34

2.3 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ TỔNG HỢP MÀNG PHỦ 38

2.3.1 Vật liệu tổng hợp nên màng tự làm sạch 38

2.3.2 Phương pháp sol-gel tổng hợp vật liệu 41

2.3.3 Phương pháp phủ nhúng tạo màng mỏng 43

2.4 PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ 45

2.4.1 Đánh giá trực quan 45

2.4.2 Phân tích XRD 46

2.4.3 Góc tiếp xúc 49

2.4.4 Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 53

Chương 3 THỰC NGHIỆM 57

3.1 NỘI DUNG THỰC NGHIỆM 57

3.2 HÓA CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ 57

3.2.1 Hóa chất và nguyên liệu 57

3.2.2 Dụng cụ 58

3.2.3 Thiết bị 58

3.3 QUY TRÌNH THỰC HIỆN 59

3.3.1 Quy trình tổng hợp màng vật liệu WO3/TiO2/SiO2 trên nền kính 59

3.3.2 Khảo sát sự thay đổi của hàm lượng thành phần WO3 trong hỗn hợp WO3/TiO2/SiO2 66

3.3.3 Quy trình thí nghiệm đánh giá tính chất màng 66

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 70

4.1 KẾT QUẢ TỔNG HỢP WO3 70

4.2 KẾT QUẢ TỔNG HỢP MÀNG PHỦ VẬT LIỆU TRÊN NỀN KÍNH 70

4.3 PHâN TÍCH ẢNH HƯỞNG HÀM LƯỢNG WO3 ĐẾN TÍNH CHẤT MÀNG PHỦ TỰ LÀM SẠCH 70

4.3.1 Phân tích độ truyền qua và năng lượng vùng cấm bằng UV-Vis 70

4.3.2 Đo góc tiếp xúc WCA 70

4.3.3 Sự phân hủy MB sau thời gian chiếu UV 70

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 71

5.1 KẾT LUẬN 71

5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 71

TỪ VIẾT TẮT VÀ Ý NGHĨA

UV-Vis Quang phổ tử ngoại khả kiến (Ultraviolet-visible spectroscopy) WCA Góc tiếp xúc (Water contact angle)

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang Bảng 2.1: Các đặc tính cấu trúc của các dạng thù hình của TiO2 [40] 26 Bảng 3.1: Hàm lượng thành phần các chất theo số mol 68

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1.1: Gương chiếu hậu ô tô sau khi sử dụng miếng dán chống đọng nước [14] 15

Hình 1.2: Kính thường (bên trái) bị đọng nước nhiều hơn so với kính được phủ màng tự làm sạch (bên phải) [15] 16

Hình 2.1: Nước trên bề mặt kính thường (bên trái) và bề mặt ưa nước (bên phải) [26] .20 Hình 2.2: a) Nước lan ra trên bề mặt gỗ được phủ màng siêu ưa nước [27] 20

Hình 2.3: Hình dạng giọt nước trên bề mặt ưa nước [29] 21

Hình 2.4: Sơ đồ biểu diễn quá trình làm sạch chất bẩn trên bề mặt ưa nước [30] 22

Hình 2.5: Cơ chế quang hóa [37] 25

Hình 2.6: Các dạng thù hình khác nhau của TiO2 27

Hình 2.7: Giản đồ năng lượng của pha anatase và pha rutile [47] 29

Hình 2.8: Sự hình thành gốc OH· và O2- [48] 30

Hình 2.9: Cấu trúc tinh thể của Silica [49] 32

Hình 2.10: Sự biến dạng của cấu trúc tạo nên các pha khác nhau của WO3 [53] 34

Hình 2.11: Cơ chế quang xúc tác của WO3 [52] 36

Hình 2.12: Quá trình các gốc OH- tạo bề mặt ưa nước 39

Hình 2.13: Minh họa cơ chế của quá trình phân hủy chất màu dưới ánh sáng khả kiến bởi vật liệu kết hợp WO3/TiO2 [58] 40

Hình 2.14: Sự phát triển độ dày màng phủ [82] 47

Hình 2.15: Quá trình phủ nhúng [82] 48

Hình 2.16: Phương pháp nhiễu xạ bột 50

Hình 2.17: Phân tích pha tinh thể tạo thành bằng phần mềm Match! 51

Hình 2.18: Giá trị FWHM được xác định trong Origin 52

Hình 2.19: Góc tiếp xúc chất lỏng và bề mặt rắn [39] 53

Hình 2.20: Đo góc tiếp xúc từ phần mềm ImageJ 56

Hình 2.21: Đồ thị ngoại suy giá trị năng lượng dải dẫn dựa vào phương trình Tauc 59

Hình 3.1: Một số thiết bị: Cân 4 số và máy khuấy từ 62

Hình 3.2: Quy trình tạo sol TiO2 và SiO2 62

Hình 3.3: Quy trình tạo sol WO3 63

Hình 3.4: Quy trình tạo hỗn hợp vật liệu WO3/TiO2/SiO2 64

Hình 3.5: Kết tủa vàng WO3 64

Hình 3.6: Đun kết tủa trên máy bếp gia nhiệt 65

Hình 3.7: Bột WO3 thu được 65

Hình 3.8: Khuấy từ gia nhiệt để tạo sol WO3 65

Hình 3.9: Khuấy từ tạo sol TiO2 66

Hình 3.10: Khuấy từ tạo sol SiO2 67

Hình 3.11: Quy trình tạo màng phủ 68

Hình 3.12: Máy đo WCA 71

Hình 3.13: a) Tủ chiếu UV b) Thiết bị đo cường độ UV 72

Hình 3.14: Dung dịch methylene blue trihydrate pha loãng ở nồng độ 1% 72

Chương 1 TỔNG QUAN BÀI BÁO

1.1 ẢNH HƯỞNG CỦA BỤI BẨN ĐẾN HIỆU SUẤT PMT

1.2 ỨNG DỤNG MÀNG TỰ LÀM SẠCH LÊN BỀ MẶT PMT

1.2.1 Chống bụi và chất bẩn

1.2.2 Chống đọng nước và sương mờ

Chương 2 TRẢ LỜI CÂU HỎI

2.1 CƠ CHẾ TỰ LÀM SẠCH CỦA MÀNG PHỦ ƯA NƯỚC QUANG XÚC TÁC

2.2 CƠ CHẾ TỰ LÀM SẠCH CỦA MÀNG XÚC TÁC QUANG ƯA NƯỚC TỪ VẬT LIỆU HỖN HỢP WO 3 /TiO 2 /SiO 2 (WTS)

Chương 3 KẾT LUẬN

3.1 NỘI DUNG THỰC NGHIỆM

3.2 HÓA CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ

Để thực hiện các thí nghiệm của mình, tác giả đã sử dụng một số dụng cụ và thiết bị ở phòng thí nghiệm của Bộ môn Vật liệu Năng lượng & Ứng dụng sau đây

3.2.1 Hóa chất và nguyên liệu