Hình II.4.2: Màng TiO2 phủ trên tấm kính FTO.
II.4.2. Hấp phụ chất mầu nhạy sáng vào màng TiO2
Pha 3 mg chất màu chế tạo được trong 10 ml acetonitril. Dùng đũa thủy tinh khuấy kỹ cho chất mầu tan hết. Đế thủy tinh chứa FTO đang ở nhiệt độ 850C được ngâm vào dung dịch chất mầu nhạy sáng đã pha rồi ngâm trong 4h.
Hình II.4.3: Tấm FTO phủ TiO2 ngâm trong dung dịch chất màu Kết quả thu được như hình II.3.4
Hình II.4.4: Màng TiO2 sau khi hấp phụ chất màu nhạy quang
II.4.3. Tạo điện catot
Rửa sạch tấm FTO bằng axeton, sau đó sấy khô. Phủ lên toàn bộ bề mặt FTO một lớp Cacbon graphit để làm catot.
Hình II.4.5: Phủ C graphit lên FTO
II.4.4. Ghép hai điện cực
Cách 1: Dùng băng dính hai mặt dính bên ngoài lớp TiO2 sau đó gắn 2 mặt điện cực trong đó điện cực catot đã đục lỗ để bơm dung dịch điện ly. Sau khi ghép hai tấm điện cực dùng kẹp giữ để băng dính chắc hoàn toàn.
Hình II.4.6: Hai điện cực ghép bởi băng dính hai mặt.
Cách 2: Ghép trực tiếp 2 điện cực, dùng kẹp giữ hai điện cực với nhau.
Hình II.4.7: Điện cực sau khi ghép.
II.4.5. Bơm dung dịch điện ly
Cách 1: Sử dụng một chiếc xi lanh nhỏ bơm dung dịch điện ly vào một trong hai lỗ đục sẵn trên tấm FTO đã để sẵn đến khi dung dịch tràn qua lỗ còn lại. Dán 2 lỗ lại để tránh dung dịch tràn ra ngoài.
Hình II.4.8: Dùng xi lanh bơm dung dịch điện ly.
Cách 2: Nhỏ dung dịch điện ly vào rìa ngoài 2 tấm điện cực. Nhờ hiện tượng mao dẫn, dung dịch điện ly sẽ đi vào khe giữa 2 tấm kính. Dán keo xung quanh các khe hở sau khi dung dịch đã lấp đầy toàn bộ pin.
Hình II.4.9: Sử dụng mao dẫn và keo dính pin DSSC
Như vậy, ta đã có một tế bào năng lượng mặt trời hữu cơ sử dụng chất màu nhạy sáng. Pin đã chế tạo hoàn thiện được đem đo đặc trưng quan trọng I-V trên hệ Autolab mô phỏng ánh sáng tự nhiên hoặc đo bằng đồng hồ vạn năng dưới điều kiện ánh sáng tự nhiên.
Hình II.4.10 : Pin DSSC hoàn chỉnh.
II.5. Các phương pháp nghiên cứu:
II.5.1. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)
Phổ NMR (Nuclear Magnetic Resonance) là một phổ rất quan trọng và có thể cung cấp nhiều thông tin để phân tích cấu trúc hợp chất hữu cơ. Phổ NMR dựa trên việc đo độ chuyển dịch hóa học khác nhau của các nguyên tử có từ tính (I # 0) như H, C trong hợp chất hữu cơ, ngoài ra nó còn cho biết mối quan hệ giữa các nguyên tử cùng loại ở gần nhau thông qua sự ghép spin và hằng số ghép để từ các thông số này đối chiếu với cấu trúc đã biết. Để tìn ra cấu trúc một hợp chất hữu cơ chưa từng biết cần kết hợp với một số loại phổ khác. Hai loại phổ NMR thường gặp nhất là 1HNMR, 13CNMR. Ngoài ra còn có phổ cộng hưởng từ hạt nhân 2 chiều HSQC và HMBC.
Phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1HNMR, 13CNMR của các chất được xác định trong dung môi CDCl3 trên máy Brucker Avance 500 MHz tại Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Quốc gia Việt Nam.
II.5.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM).
Kính hiển vi điện tử quét là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh của bề mặt mẫu với độ phân giải cao bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu. Việc tạo ảnh của mẫu được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt của mẫu.
Ảnh SEM phải được chụp trong môi trường chân không cao và mẫu phân tích phải dẫn điện. Nếu mẫu không dẫn điện thì phải phủ thêm một lớp dẫn điện mỏng (thường là Au, Pt hoặc Cu) để tránh sự tích điện trên bề mặt mẫu.
Ảnh SEM được chụp trên máy S4800-NIHE Japan, có điện thế gia tốc từ 0,5 đến 10kV, độ phóng đại lên tới 200000 lần, độ phân giải 8,4mm tại viện vệ sinh dịch tễ trung ương.
II.5.3. Phương pháp UV-VIS
Phổ hấp thụ biểu thị mối quan hệ giữa độ hấp thụ hay hệ số hấp thụ ánh sáng của vật liệu với bước sóng ánh sáng chiếu vào vật liệu. Khi ánh sáng truyền qua một môi trường, vật chất trong đó có thể hấp thụ một số photon và làm giảm cường độ chùm sáng sau khi truyền qua môi trường. Theo định luật Beer - Lambert, cường độ chùm sáng sau khi truyền qua một khoảng x trong môi trường giảm theo hàm số mũ:
I = I0e -αx Trong đó:
I0 là cường độ chùm sáng tới.
α = 2ωκ/c là hệ số hấp thụ của môi trường.
κ là hệ số dập tắt ánh sáng do sự hấp thụ của môi trường.
Từ đó ta tìm được công thức tính hệ số phản xạ và hệ số truyền qua của mẫu đồng nhất có độ dày d, chiết suất n như sau:
* Hệ số phản xạ: * Hệ số truyền qua:
Nếu mẫu có hệ số hấp thụ α, độ dày d là đủ lớn (tức là αd >> 1) thì ta có thể bỏ qua e-2αd. Do tính hấp thụ lọc lựa, hệ số hấp thụ của môi trường đối với các ánh sáng đơn sắc khác nhau là khác nhau. Đồ thị mô tả sự phụ thuộc của hệ số hấp thụ vào năng lượng ánh sáng hν (hoặc tần số ν, hoặc bước sóng ) được gọi là phổ hấp thụ. Phép đo phổ hấp thụ giúp tìm hiểu về cơ chế hấp thụ của mẫu nhằm phục vụ các ứng dụng cụ thể. Ngoài ra, từ phổ hấp thụ, ta có thể tính được chiết suất của mẫu ứng với các bước sóng ánh sáng khác nhau, tính được độ rộng vùng
cấm của mẫu và suy ra được vị trí các mức năng lượng tạp chất...
Kết quả UV-Vis được đo tại khoa Hóa học trường đại học Sư phạm Hà Nội.
II.5.4 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Phương pháp nhiễu xạ tia X được sử dụng rất rộng rãi để nghiên cứu cấu trúc mạng tinh thể. Nguyên lý chung của phương pháp này dựa trên hiện tượng nhiễu xạ Bragg khi chiếu chùm tia X lên bề mặt tinh thể.
Hình 3. Sơ đồ cơ chế nhiễu xạ tia X
Cơ sở của nó là tính tuần hoàn của mạng tinh thể và sự giao thoa của các sóng kết hợp. Tinh thể vật rắn được cấu tạo từ các nguyên tử sắp xếp đều đặn, tuần hoàn tạo thành các mặt phẳng mạng cách nhau những khoảng d nên có thể xem như một cách tử nhiễu xạ ba chiều với các khe có bề rộng d nằm sát nhau. Khi chiếu chùm tia X có bước sóng λ thích hợp lên vật rắn, các nguyên tử vật chất trở thành các tâm phát sóng thứ cấp (sóng nhiễu xạ). Các sóng này là các sóng kết hợp nên giao thoa với nhau, làm cho sóng tổng hợp chỉ quan sát được rõ theo một số phương mà các sóng tăng cường nhau. Vì theo phương phản xạ, cường độ nhiễu xạ lớn nhất, nên ta chỉ quan sát hiện tượng nhiễu xạ theo phương này. Từ hình vẽ ta có thể thấy hiệu quang trình của các tia phản xạ trên hai mặt phẳng mạng liên tiếp là:
∆L = 2d.sinθ
Theo định luật Bragg, điều kiện để có cực đại giao thoa của hai sóng là: 2dhkl.sinθ = n.
Trong đó: n = 1, 2, 3,… là bậc giao thoa
θ θ
θ là góc giữa tia tới hoặc tia phản xạ với mặt phẳng mạng. là bước sóng ánh sáng kích thích.
dhkl là khoảng cách giữa hai mặt phẳng mạng liên tiếp có chỉ số Miller(hkl). Từ phương trình trên ta thấy để quan sát được cực đại nhiễu xạ, bước sóng ánh sáng kích thích phải cùng cỡ với hằng số mạng tinh thể. Tia X thoả mãn điều kiện này nên được sử dụng để phân tích cấu trúc tính thể.
* Phương pháp đo.
Chiếu một chùm tia X tới mẫu, thay đổi dần góc tới, đo góc và đo cường độ tia phản xạ tương ứng ta sẽ thu được giản đồ nhiễu xạ biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ nhiễu xạ I theo góc 2θ. Các đỉnh nhiễu xạ trong giản đồ ứng với các góc tới thoả mãn công thức định luật Bragg. Tương ứng với mỗi cấu trúc tinh thể, ta sẽ thu được một họ những cực đại nhiễu xạ tại các góc 2θ xác định.
Qua giản đồ nhiễu xạ, ta có thể xác định được các đặc điểm cấu trúc của mạng tinh thể như khoảng cách giữa các mặt phẳng mạng, các chỉ số Miller tương ứng, kiểu mạng, thành phần pha, độ kết tinh, thành phần hóa học của vật liệu mà không phá hủy mẫu và chỉ cần một lượng nhỏ mẫu để phân tích.
Kết quả XRD của các mẫu được đo trên máy BRUCKER S4800 – NIHE Germany, bức xạ Cu-Kα với bước sóng λ = 1,5406Å, cường độ dòng điện 30mA, điện áp 40kV, góc quét 2θ = 10 70, tốc độ quét 0,030/s tại trường đại học khoa học tự nhiên Hà Nội.
II.5.5 Phương pháp nhiễu xạ đơn tinh thể
Phương pháp nhiễu xạ đơn tinh thể là phương pháp xác định sự sắp xếp của các nguyên tử bên trong một tinh thể dựa vào dữ liệu về sự phân tán của các tia X
sau khi chiếu vào các electron của tinh thể. Sau khi xây dựng được hình ảnh 3 chiều của mật độ các electron bên trong tinh thể, vị trí của nguyên tử tính trung bình, các liên kết hóa học được thu thập từ đó xác định được cấu trúc của hợp chất.
II.5.6.Phương pháp đo đặc trưng I-V
Theo phương pháp này, điện thế được biến thiên tuyến tính theo thời gian, điện thế được đặt vào hai đầu điện cực (catôt và anôt) của linh kiện và được quét đi quét lại với tốc độ quét không đổi. Khi đó dòng qua điện cực tương ứng được xác
định. Các phép đo được tiến hành trên hệ Autolab - PGS - 30 của Viện Hóa Học Công Nghệ Việt Nam
II.5.7. Quang phổ raman
Quang phổ Raman là kỹ thuật tán xạ ánh sáng. Sự tương tác giữa ánh sáng laser với các phân tử của mẫu tạo ra đồ thị phổ Raman, cung cấp rất nhiều thông tin về:
• Thành phần hóa học và sự phân bổ
• Cấu trúc phân tử và đặc điểm nhóm chức
• Dạng tinh thể, đối xứng, sức căng, pha tạp, sai hỏng/không trật tự....
• Theo dõi sự chuyển đổi pha/phản ứng
• Chụp ảnh phổ/phân tích đa lớp
Trong quang phổ Raman, mẫu được chiếu xạ bởi chùm laser cường độ mạnh trong vùng tử ngoại-khả kiến ( ) và chùm ánh sáng tán xạ thường được quan sát theo phương vuông góc với chùm tia tới. Ánh sáng tán xạ bao gồm hai loại : một được gọi là tán xạ Rayleigh, rất mạnh và có tần số giống với tần số chùm tia tới ( ); loại còn lại được gọi là tán xạ Raman, rất yếu( chùm tia tới) có tần số là
, trong đó là tần số dao động phân tử. Vạch được gọi là vạch Stockes và vạch gọi là vạch phản Stockes. Do đó, trong quang phổ Raman, chúng ta đo tần số dao động ( ) như là sự dịch chuyển so với tần số chùm tia tới ( ). Khác với phổ hồng ngoại, phổ Raman được đo trong vùng tử ngoại-khả kiến mà ở đó các vạch kích thích (laser) cũng như các vạch Raman cùng xuất hiện.