Tính chất của màng PANI-EB khi cấp điện xoay chiều được khảo sát bằng thiết bị điện hóa PGSTAT 302n Autolab và phần mềm Nova 1.8 thiết lập thông số trong “FRA impedance potentiostatic” để quét phổ tổng trở, các thông số thiết lập như sau:
- Dải tần số quét:10-1 Hz đến 103 Hz
- Biên độ điện thế quét: 0,01V
- Thời gian quét: 5 ÷ 7 phút
Tổng trở Z của điện cực được đo trong các dung dịch điện ly có các nồng độ ôxy khác nhau và được biểu diễn bằng đồ thị Nyquist, các sơ đồ mạch tương đương với các thành phần như: điện trở của dung dịch điện ly Rs, điện dung lớp màng phủ Cc, điện trở các lỗ nhỏ (kích thước micro) trên bề mặt màng Rpo, điện dung lớp điện tích kép
trên màng Cdl, điện trở chuyển dời điện tích Rct, điện dung khuếch tán của màng Cdiff, điện trở khuếch tán của màng Rdiff.
Hình 3. 14Biểu đồ Nyquist và sơ đồ mạch thay thế của chip Pt/PANI-EB đo phổ tổng trở ở nồng độ ôxy 1,5 ppm trong dung dịch điện ly NaCl 2 o/oo; tần số quét 0,1 Hz ÷ 1
kHz; biên độ điện thế quét 0,01V.
Kết quả dạng đồ thị Nyquist và sơ đồ mạch thay thế tương đương ở Hình 3.14 có hình dạnghình bán nguyệt cho thấy mạch điện mô phỏng từ đồ thị Nyquist có điện trở dung dịch RS mắc nối tiếp tổng trở Z1(điện trở chuyển điện tích của lớp màng Rpo mắc song song với điện dung lớp màng) và nối tiếp Z2(điện trở chuyển điện tích từ lớp màng sang điện cực mắc song song với điện dung lớp điện tích kép). Điều này cho thấy tại nồng độ này lớp phủ PANI-EB và bề mặt điện cực được phủ màng khôngbị tác động bởi các ion có trong dung dịch điện ly.
Kết quả dạng đồ thị Nyquist và sơ đồ mạch thay thế ở Hình 3.15 có hình bán nguyệt cho thấy mạch điện mô phỏng từ đồ thị Nyquist có điện trở RS và tụ điện CC. Ngoài ra còn có sự ảnh hưởng của điện trở Rpo của các lỗ nhỏ và điện dung lớp điện tích kép Cdl mắc song song với điện trở chuyển điện tích Rct của lớp màng PANI-EB.
Kết quả mạch thay thế tương đương cho thấy có thể lúc này trên bề mặt màng PANI-EB bắt đầu hình thành vô số các lỗ nhỏ dẫn từ bề mặt màng xuống lớp kim loại bên dưới và cho các phân tử nước, các phân tử ôxy đi tới bề mặt của lớp kim loại và ở đây quá trình phản ứng sắp xảy ra. Do đó kết quả giá trị điện trở lỗ Rpo và điện trở chuyển dời điện tích Rct từ mạch tương đương rất lớn.
Hình 3. 15Biểu đồ Nyquist và sơ đồ mạch thay thế của chip Pt/PANI-EB đo tổng trở ở nồng độ ôxy 3 ppm trong dung dịch điện ly NaCl 2 o/oo; tần số quét 0,1 Hz ÷ 1 kHz;
biên độ điện thế quét 0,01V.
Hình 3. 16Biểu đồ Nyquist và sơ đồ mạch thay thế của chip Pt/PANI-EB đo tổng trở ở nồng độ ôxy 5,82 ppm trong dung dịch điện ly NaCl 2 o/oo; tần số quét 0,1 Hz ÷ 1
kHz;biên độ điện thế quét 0,01V.
Kết quả mạch thay thế tương đương ở Hình 3.16 có hình bán nguyệt cho thấy mạch điện mô phỏng từ đồ thị Nyquist ngoài các thành phần có trong mạch tương đương như trường hợp Hình 3.15, lúc này trong mạch còn xuất hiện thêm trở kháng khuếch tán Warburg gồm điện dung khuếch tán và điện trở khuếch tán do sự hình
thành các ion OH- khi có sự xuất hiện của ôxy. Tuy nhiên ở giai đoạn này quá trình khuếch tán mới bắt đầu hình thành vì vậy giá trị điện dung khuếch tán nhỏ và điện trở khuếch tán rất lớn.
Hình 3. 17Biểu đồ Nyquist chip Pt/PANI-EB đo tổng trở ở nồng độ ôxy 9,77 ppm;dung dịch điện ly NaCl 2 o/oo; tần số quét 0,1 Hz ÷ 1 kHz;biên độ điện thế 0,01V.
Hình 3. 18Biểu đồ Nyquist chip Pt/PANI-EB đo tổng trở ở nồng độ ôxy 16,05 ppm;dung dịch điện ly NaCl 2 o/oo; tần số quét 0,1 Hz ÷ 1 kHz;biên độ điện thế quét
Hình 3. 19Biểu đồ Nyquist chip Pt/PANI-EB đo tổng trở ở nồng độ ôxy 26 ppm trong dung dịch điện ly NaCl 2 o/oo; tần số quét 0,1 Hz ÷ 1 kHz;biên độ điện thế quét 0,01V.
Kết quả đồ thị Nyquist và mạch thay thế tương đương tương của Hình 3.17, Hình 3.18 và Hình 3.19 tương tự như Hình 3.16. Kết quả các thành phần có trong mạch sẽ đưa vào Bảng 3.3. Các giá trị tại Bảng 3.3 cho thấy từ khi xuất hiện thêm trở kháng khuếch tán Warburg (gồm điện dung khuếch tán và điện trở khuếch tán) do sự hình thành các ion OH- đi qua các lỗ trống trên màng. Nồng độ ôxy càng cao thì sự xuất hiện của các ion OH- càng lớn và giá trị điện dung khuếch tán tăng theo và giá trị điện trở khuếch tán sẽ giảm.
Bảng 3. 3 Điện trở và điện dung trong mạch tương đương tương ứng với các nồng độ ôxy khác nhau. Nồng độ ôxy (ppm) RS Rpo Cc Rct Cdl Rdiff Cdiff 9,77 -8,66kΩ 8,76kΩ 266pF 8,6kΩ 3,99µF 7,4kΩ 42,9µF 16,05 71,9Ω 4,38kΩ 2,38µF 7,04kΩ 1,42µF 9,31kΩ 39,4µF 26,00 63,8 Ω 6,42kΩ 3,35µF 4,82kΩ 10,6µF 6,73kΩ 80,7µF
Hình 3. 20Biểu đồ Bode khi đo chip Pt/PANI-EB trong dung dịch NaCl 2o/oo trong các nồng độ ôxy khác nhau, tần số quét 0,1 Hz ÷ 1 kHz.
Từ kết quả đồ thị Bode của điện cực Pt/PANI-EB (Hình 3.20) có thể thấy chip không có sự thay đổi ở tần số trên 5 Hz mà sự thay đổi chỉ xuất hiện rõ ở tần số thấp dưới 5 Hz do sự xuất hiện của trở kháng Warburg. Tổng trở của chip có sự chênh lệch khá lớn ở các nồng độ ôxy khác nhau. Ở nồng độ ôxy 5,82 ppm trở lên, tổng trở thay đổi không nhiều do các điện trở trong mạch thay đổi không nhiều và chỉ có điện dung thay đổi làm cho tổng trở giảm. Nguyên nhân có thể do khi ngâm trong dung dịch điện ly cấu trúc của màng PANI-EB đã chuyển sang trạng thái kích thích các lỗ trống tự do di chuyển trên mạch polyme. Các lỗ trống này góp phần làm tăng độ dẫn điện của nó để các ion OH- trong dung dịch nhanh chóng khuếch tán qua màng.
Từ các kết quả đo được và kết hợp với các thông số R,C từ sơ đồ mạch thay thế chứng tỏ khi đặt nguồn điện xoay chiều vào cảm biến, giá trị điện dung khuếch tán có sự ảnh hưởng rất lớn khi có sự xuất hiện của ôxy. Từ khi khi có sự xuất hiện của giá trị điện dung khuếch tán các giá trị khác trong mạch thay đổi rất ít chỉ có giá trị này tăng rất nhiều khi có sự xuất hiện của ôxy.