Phương pháp đo điện

Xác định độ dẫn ion bằng phép đo phổ tổng trở xoay chiều: Phổ tổng trở (Impedance Spectrum) là phương pháp được sử dụng để xác định các tham số của vật liệu như hằng số điện môi, độ dẫn điện, đặc biệt là độ dẫn ion trong các vật liệu có tính dẫn ion.

2.2.3.1. Xác định độ dẫn điện tử bằng phân cực một chiều

Các phép đo độ dẫn điện tử của vật liệu dẫn ion được thực hiện trên hệ điện hóa Auto Lab.

Model PGSTAT302N với các mẫu đo kiểu bánh kẹp được phủ điện cực chặn ion (Hình 2.2). Đầu tiên, một số chu trình quét vòng được thực hiện tại điện áp lớn hơn điện áp sử dụng cho phép đo để ổn định quá trình điện hóa trong mẫu [15]. Tiếp theo, điện thế không đổi được đặt trên các điện cực. Dòng điện được ghi phụ thuộc vào

Hình 2.2: Mô hình mẫu đo hai điện cực kiểu bánh kẹp.

thời gian cho tới khi đạt được giá trị ổn định. Tỷ số hiệu điện thế giữa các điện cực và cường độ dòng điện qua mẫu khi đạt giá trị ổn định cho ta giá trị điện trở đặc trưng cho độ dẫn điện tử của mẫụ

2.2.3.2. Một số khái niệm về lý thuyết mạch xoay chiều

Chúng ta biết rằng tín hiệu xoay chiều được đặc trưng bởi thế hiệu (U) và dòng điện (I) phụ thuộc thời gian có dạng:

U = Uo sin(t), I = Io sin(t +),

trong đó, U₀ và I₀ là biên độ của hiệu điện thế và cường độ dòng điện,  là tần số dao động,  là góc lệch pha của dòng điện và hiệu điện thế. Khi dòng điện trong mạch thỏa mãn điều kiện chuẩn dừng, mối liên hệ giữa cường độ dòng điện và hiệu điện thế tuân theo định luật Ohm:

I = U/R hay U = ỊR.

Trong trường hợp chỉ có điện trở thuần, cường độ dòng điện I và thế hiệu U cùng pha với nhaụ Đối với đoạn mạch thuần điện dung ta có:

dq du I C dt dt   = CU_ocos(t) = 0 C U X ^sin(t + /2),

với XC = 1/(C). Như vậy, với điện dung thuần cường độ dòng điện nhanh pha hơn hiệu điện thế một góc /2 và ta có thể viết:

U = - J.X_C .I Trong trường hợp điện trở R và tụ điện C mắc nối tiếp: Trong trường hợp điện trở R và tụ điện C mắc nối tiếp:

U = U_R + U_C = I(R – J.X_C) = Ị Z. Khi đó Z = R - j.XC là tổng trở của mạch điện. Độ lớn của Z: Khi đó Z = R - j.XC là tổng trở của mạch điện. Độ lớn của Z:

Z = (R² + X_C²)^1/2 (2.2) và góc lệch pha được xác định bởi:

CX 1 X 1 tg R RC     ^{. (2.3)} Như vậy, tổng trở Z là đại lượng phụ thuộc vào tần số của tín hiệu xoay chiềụ Kỹ thuật phổ tổng trở chính là xác định sự phụ thuộc tổng trở theo tần số. Thông

thường các quá trình này được khảo sát trong vùng tần số từ vài trăm mHz cho tới hàng chục MHz thậm chí GHz. Để xác định các tham số như độ dẫn điện, quá trình dịch chuyển điện tích hay hệ số khuếch tán của các ion trong vật liệu bằng kỹ thuật phổ tổng trở chúng ta phải dựa vào mối liên hệ của chúng với các thành phần điện trở hay tụ điện trong sơ đồ mạch điện tương đương.

2.2.3.3. Phương pháp đo tổng trở hai điện cực và ba điện cực

Dạng cơ bản của bình điện hóa hai điện cực nhúng trong chất điện li được mô tả trong hình 2.3. Dòng điện qua bình khi giữa hai điện cực được áp đặt một hiệu điện thế. Các điện cực bao gồm: điện cực làm việc (WE) và điện cực đối (SE), chúng cho phép dòng điện qua bình điện hóạ Phương pháp này được sử dụng để nghiên cứu các tính chất của chất điện li, như độ dẫn, khi đó thông số chính là điện trở chất điện lị

Trong các trường hợp cần khảo sát các

quá trình xảy ra ở điện cực làm việc, mối quan hệ giữa dòng điện và điện thế điều khiển phản ứng này cần được xác định, phương pháp ba điện cực được sử dụng (Hình 2.4). Việc sử dụng thêm điện cực thứ ba (điện cực so sánh – RE) cho phép phân biệt các quá trình xảy ra trong lớp tiếp giáp giữa điện cực làm việc với các quá trình xảy ra trong khối chất điện lị Thông thường điện cực RE, được tách biệt với điện cực WE trong một ngăn riêng biệt, liên kết với điện cực WE bởi ống thuỷ tinh mao dẫn chứa chất điện lị Điện trở chất điện li giữa hai điện cực WE và RE có thể được giảm tối thiểu bởi sự đặt hai điện cực này gần nhau mà không làm nhiễu dòng qua điện cực làm việc.

2.2.3.4. Mạch tương đương và đặc trưng phổ tổng trở của mẫu đo ba điện cực

Các nghiên cứu về quá trình điện hóa cho thấy sơ đồ mạch điện tương đương của bình điện hóa có dạng mạch Randle như trình bày trên hình 2.5. Trong đó C_d là

Hình 2.3: Bình điện hóa hai điện cực.

Hình 2.4: Bình điện hóa ba điện cực.

điện dung lớp kép mắc song song với tổng trở Zf đặc trưng cho quá trình điện hóạ Để đơn giản hóa, Zf được phân tích thành hai thành phần R_s và C_s mắc nối tiếp, hay R_ct nối tiếp với Z_w. Ở đây, C_s là một giả điện dung, R_ct là điện trở chuyển điện tích, Z_w là tổng trở Warburg đặc trưng cho quá trình chuyển khối lượng, R₀ là điện trở dung dịch chất điện lị Trong các đại lượng này chỉ có R0 là không phụ thuộc tần số. Bằng các tính toán lý thuyết [2], [5], mối liên hệ của Rs và Cs với tần số được xác định theo biểu thức sau:

R_s = R_ct + δ/1/2

và C_s = 1/(δ1/2