3.1. Khảo sát phổ Nyquist
Điện cực compozit Ti/TiO2-PANi-CNTs sau khi tổng hợp, được khảo sát phổ tổng trở điện hóa trong dung dịch nước thải nhà máy bia có bổ sung thêm glucozơ 5 g/L nhằm mục đích đánh giá hoạt tính điện hóa của điện cực và sơ bộ lý giải quá trình điện hóa xảy ra trên bề mặt các điện cực thông qua phổ tổng trở dạng Nyquist.
Kết quả khảo sát phổ tổng trở dạng Nyquist của các điện cực compozit trong dung dịch nghiên cứu được biểu diễn trên hình 3.1.
Hình 3.1: Sơ đồ Nyquist của các mẫu điện cực Ti/TiO2-PANi-CNTs khảo sát trong dung dịch nước thải nhà máy bia bổ sung glucozơ (5 g/L).
Trên hình 3.1, các biểu tượng phản ánh giá trị đo và các nét liền thuộc về giá trị mô phỏng theo sơ đồ tương đương hình 3.2.
22
Hình 3.2: Sơ đồ tương đương mô phỏng phổ tổng trở trong môi trường nước
thải nhà máy bia có chứa glucozơ 5 g/L của các compozit PANi-TiO2-CNTs
chế tạo theo tỉ lệ phần trăm CNTs thay đổi.
Trong đó:
Rdd : Điện trở dung dịch
Cf: Điện dung lớp kép của lớp màng vật liệu Rpc: Điện trở phân cực của lớp màng vật liệu CPE: Thành phần pha không đổi
Rct: Điện trở chuyển điện tích trong lỗ xốp Rhp: điện trở hấp phụ
L: Thành phần điện cảm
Kết quả trên hình 3.1 cho thấy các giá trị đo và mô phỏng gần như trùng khít nhau chứng tỏ mô hình này hoàn toàn phù hợp với kết quả đo tổng trở điện hóa. Như vậy quá trình điện hóa ở đây gồm có 7 thành phần tham gia đó là điện trở dung dịch Rdd, điện dung lớp kép của lớp màng vật liệu Cf, điện trở phân cực của lớp màng vật liệu Rpc, thành phần pha không đổi CPE, điện trở chuyển điện tích trong lỗ xốp Rct, điện trở hấp phụ Rhp và thành phần điện cảm L. Kết
23
quả cho thấy rằng khi hàm lượng CNTs là 1% thì vòng Nyquist thu được lớn hơn nhiều so với trường hợp compozit không chứa CNTs; Tuy nhiên, khi tăng hàm lượng CNTs lên đến ≥ 10% thì vòng Nyquist đã thu hẹp lại, trong đó vòng Nyquist nhỏ nhất đạt được khi tăng hàm lượng CNTs 30%. Theo lý thuyết thì độ lớn vòng Nyquist tỉ lệ thuận với tổng trở điện hóa và tỉ lệ nghịch với hoạt tính điện hóa. Như vậy có thể nói rằng điện cực compozit Ti/TiO2-PANi-CNTs với tỉ lệ CNTs 30% có hoạt tính điện hóa cao nhất. Điều này có thể được lý giải là do CNTs có khả năng dẫn điện rất tốt và khi đã kết hợp với TiO2 và PANi thì tạo nên một cấu trúc xốp có độ dẫn điện thuận lợi cho các quá trình điện hóa xảy ra trên bề mặt điện cực.
Bảng 3.1 cho biết các giá trị của từng thành phần trong sơ đồ tương đương ở hình 3.2.
Bảng 3.1: Các thông số điện hóa mô phỏng theo sơ đồ tương đương
của các vật liệu trong môi trường nước thải có glucozơ.
Đặc điểm điện cực R dd (m) Cf (µF) Rpc (k) CPE Rct () Rhp () L (TH) Vật liệu điện cực CNTs (%) (pF) n PANi-TiO2 0 0,086 45,67 2,916 404,5 1,52 373,0 19,98 967,90 PANi- TiO2-CNTs 1% 1,886 43,46 5,713 1072 1,47 353,3 19,98 1,69 PANi- TiO2-CNTs 10% 26,48 34,04 0,604 264 1,51 577,3 19,98 10-8 PANi- TiO2-CNTs 20% 8,943 49,44 1,958 363,9 1,51 541,1 19,98 17,14 PANi- TiO2-CNTs 30% 0,997 41,25 0,3726 160 1,618 525,8 19,98 10-8
24
Kết quả trong bảng 3.1 cho thấy khi thay đổi hàm lượng CNTs thì các giá trị điện dung lớp kép của màng vật liệu thay đổi không nhiều, trong khi điện trở hấp phụ (19,98 Ω) không thay đổi. Điều này có nghĩa là quá trình hấp phụ xảy ra không phụ thuộc vào sự có mặt của CNTs. Tuy nhiên, giá trị điện cảm của quá trình xảy ra trong lỗ xốp lại thay đổi rất lớn, giá trị nhỏ nhất đạt được cỡ 10-8 TH đối với điện cực compozit với 10% và 30%, chính điều này có thể đã góp phần làm giảm điện trở phân cực của lớp màng vật liệu. Dựa vào hình dạng của hình bán nguyệt trên hình 3.1 cũng như giá trị điện trở hấp phụ Rhp trong bảng 3.1 có thể thấy rằng xuất hiện quá trình hấp phụ trên điện cực và tốc độ của quá trình hấp phụ không thay đổi khi thay đổi hàm lượng CNTs trong compozit.
Từ kết quả thu được ở bảng 3.1, xây dựng các đồ thị về sự ảnh hưởng của tỉ lệ CNTs đến giá trị từng thành phần trong sơ đồ tương đương. Kết quả cho thấy khi thay đổi hàm lượng CNTs thì giá trị điện dung lớp kép của màng vật liệu biến đổi không nhiều dao động từ 0,8 đến 1 µF, giá trị của thành phần pha không đổi ở hàm lượng CNTs 1% có giá trị cao hơn hẳn so với các hàm lượng CNTs còn lại. Tuy nhiên, giá trị của điện trở chuyển điện tích trong lỗ xốp có giá trị tăng khi hàm lượng CNTs tăng từ 1% đến 10% và giá trị thay đổi không đáng kể khi hàm lượng CNTs tăng 10% đến 30%. Giá trị điện trở phân cực của lớp màng vật liệu lớn nhất ở hàm lượng CNTs 1% và giảm dần khi hàm lượng CNTs tăng từ 1% đến 30%.
25
Hình 3.3: Sự ảnh hưởng của CNTs đến Cf và CPE.
Hình 3.4: Sự ảnh hưởng của CNTs đến Rpc và Rct.