4. Cấu trúc của đề tài
3.3.1.1. Đặc trưng thế quét tuyến tính (LSV) cho quá trình OER của vật
Đặc trƣng thế quét tuyến tính (LSV) khảo sát sự phụ thuộc của mật độ dòng điện theo điện thế. Mẫu vật liệu càng tốt khi với một điện thế nhỏ có thể cho mật độ dòng đáng kể. Đặc trƣng thế quét tuyến tính dƣới đây khảo sát hai quá trình: OER và HER.
3.3.1.1. Đặc trưng thế quét tuyến tính (LSV) cho quá trình OER của vật liệu vật liệu
Hình 3.13. Đặc trƣng LSV cho quá trình OER của vật liệu Au-Co3O4 IO biến tính với nồng độ HAuCl4 10 mM và thời gian chiếu UV khác nhau khi a) không chiếu sáng
Hình 3.14. Biểu đồ so sánh quá thế cho quá trình OER của vật liệu Au-Co3O4 IO biến tính với nồng độ HAuCl4 10 mM và thời gian chiếu UV khác nhau khi không chiếu
sáng (dark) và đƣợc chiếu sáng bằng đèn Xenon (light)
Dựa vào kết quả tính quá thế (Hình 3.14) cho quá trình OER của vật liệu Au-Co3O4 IO biến tính với nồng độ HAuCl4 10 mM và thời gian chiếu UV khác nhau khi không chiếu sáng (dark) và đƣợc chiếu sáng bằng đèn Xenon (light), ta có thể thấy: Giá trị quá thế ở mật độ dòng điện 30 mA.cm-2 của các mẫu Au-Co3O4 khi chƣa chiếu sáng (0.01V-0.06V-0.03V) và khi đƣợc chiếu sáng (0.06V-0.04V-0.01V) đều thấp hơn đáng kể so với mẫu Co3O4 (0.19V). Quan sát đặc trƣng LSV cho thấy, dộ dốc của các mẫu Au-Co3O4 cao hơn hẳn so với mẫu Co3O4, đặc biệt là khi đƣợc chiếu sáng (khi hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon xảy ra). Do đó, vật liệu Au-Co3O4 cho hiệu suất xúc tác quá trình OER tốt hơn so với vật liệu Co3O4.
Quá th ế (V v ới R H E )
Bảng 3.1. Bảng tính điện thế E (V) cho các mẫu tại mật độ dòng điện j = 30 mA.cm-2 và j = 250 mA.cm-2 OER Điện thế E (V) Dark Light j = 30 mA.cm-2 j = 250 mA.cm-2 j = 30 mA.cm-2 j = 250 mA.cm-2 Ni foam 1.77 1.77 Co3O4 IO 1.42 2.32 1.42 2.32 Au-Co3O4 IO-10mM-10ph 1.24 2.51 1.29 2.33 Au-Co3O4 IO-10mM-20ph 1.29 2.36 1.27 2.26 Au-Co3O4 IO-10mM-30ph 1.26 2.32 1.24 2.19 Au-Co3O4 IO-5mM-30ph 1.32 2.63 1.25 2.53 Au-Co3O4 IO-20mM-30ph 1.32 2.73 1.38 2.62 IrO2 1.55 1.81 1.55 1.81
Xét độ chênh lệch điện thế từ mật độ 30 mA.cm-2 lên 250mA.cm-2 của 3 mẫu Au-Co3O4-10mM (10 phút, 20 phút, 30 phút) từ bảng 3.1: Trong điều kiện không chiếu sáng thì mẫu Au-Co3O4-10mM–30ph có giá trị (1.06V), nhỏ hơn so với mẫu Au-Co3O4-10mM–10ph (1.27V) và Au-Co3O4-10mM–20ph (1.07V), kết quả cũng tƣơng tự khi chiếu sáng, mẫu Au-Co3O4-10mM–30ph có giá trị (0.95V), Au-Co3O4-10mM–10ph (1.04V) và Au-Co3O4-10mM– 20ph (0.99V). Điều này cho thấy độ dốc LSV (hình 3.13) của mẫu Au-Co3O4- 10mM–30ph cao hơn Au-Co3O4-10mM–10ph, Au-Co3O4-10mM–20ph. Độ dốc cao chứng tỏ vật liệu Au-Co3O4-10mM–30ph cho hiệu suất xúc tác OER tối ƣu nhất trong các mẫu đang khảo sát.
Từ hình 3.14 nhận thấy ở cả ba mẫu vật liệu Au-Co3O4 IO-10mM (10 phút, 20 phút, 30 phút), quá thế ứng với điều kiện chiếu sáng có giá trị lần lƣợt là 0.06V, 0.04V, 0.01V đều nhỏ hơn quá thế ứng với điều kiện không chiếu sáng 0.01V, 0.06V, 0.03V. Bên cạnh đó, điện thế cực đại tại mật độ
dòng điện j = 250mA.cm-2
của các mẫu Au-Co3O4 IO-10mM (10ph: 2.33V, 20p: 2.26V, 30p: 2.19V) khi đƣợc chiếu sáng cũng nhỏ hơn giá trị tƣơng ứng (10ph: 2.51V, 20p: 2.36V, 30p: 2.32V) khi không đƣợc chiếu sáng. Hơn nữa, độ chênh lệch điện thế từ mật độ 30 mA.cm-2
lên 250mA.cm-2 của các mẫu Au-Co3O4 IO-10mM (10ph: 1.04V, 20p: 0.99V, 30p: 0.95) khi đƣợc chiếu sáng cũng nhỏ hơn giá trị tƣơng ứng (10ph: 1.27V, 20p: 1.07V, 30p: 1.06V) khi không đƣợc chiếu sáng, cho thấy độ dốc của vật liệu khi đƣợc chiếu sáng nhỏ hơn độ dốc vật liệu khi không đƣợc chiếu sáng. Từ các điều kiện trên, khẳng định hiện tƣợng cộng hƣởng plasmon góp phần làm tăng hiệu suất xúc tác điện hóa cho quá trình OER.
Sau khi xác định đƣợc thời gian biến tính tối ƣu cho vật liệu Au-Co3O4
là 30 phút, chúng tôi tiến hành thay đổi điều kiện nồng độ muối HAuCl4, cụ thể, khảo sát thêm các nồng độ 5mM, 20mM. Để có cái nhìn toàn diện và khách quan hơn về khả năng xúc tác điện hóa của vật liệu Au-Co3O4, chúng tôi tiến hành so sánh đặc trƣng LSV của các vật liệu tổng hợp đƣợc với IrO2
(là một trong những vật liệu xúc tác tốt nhất cho quá trình OER cho đến thời điểm hiện tại).
Hình 3.15. Đặc trƣng LSV cho quá trình OER của vật liệu Au-Co3O4 IO biến tính với thời gian chiếu UV 30 phút, với các nồng độ HAuCl4 khác nhau khi a) không
chiếu sáng (dark) và b) đƣợc chiếu sáng bằng đèn Xenon (light)
Bảng 3.2. Bảng tính quá thế cho quá trình OER của vật liệu Au-Co3O4 IO biến tính với thời gian chiếu UV 30 phút, với các nồng độ HAuCl4 khác nhau khi không chiếu
sáng (dark) và đƣợc chiếu sáng bằng đèn Xenon (light)
OER Quá thế η(V) tại j = 30 mA.cm-2 (dark) Quá thế η(V) tại j = 30 mA.cm-2 (light) Ni foam 0.54 0.54 Co3O4 0.19 0.19 Au-Co3O4-5mM-30ph 0.09 0.02 Au-Co3O4-10mM-30ph 0.03 0.01 Au-Co3O4-20mM-30ph 0.09 0.15 IrO2 0.32 0.32
Từ bảng 3.1 và bảng 3.2, chúng tôi so sánh quá thế, độ chênh lệch điện thế ở j = 250mA.cm-2 với điện thế ở j = 30mA.cm-2 và độ dốc đƣờng đặc
trƣng LSV của các mẫu Au-Co3O4 IO -5mM, 30ph; Au-Co3O4 IO -10mM, 30ph; Au-Co3O4 IO -20mM, 30ph trong các điều kiện không chiếu sáng và chiếu sáng bằng đèn Xenon. Về quá thế, mẫu Au-Co3O4 IO -10mM, 30ph có giá trị (dark: 0,03V; light: 0,01V) thấp hơn so với mẫu Au-Co3O4 IO -5mM, 30ph (dark: 0,09 V; light: 0,02V) và Au-Co3O4 IO -20mM, 30ph (dark: 0,09V; light: 0,15V). Quan sát hình 3.15, độ dốc cho thấy độ chênh lệch điện thế của mẫu Au-Co3O4 IO -10mM thấp hơn hẳn hai mẫu còn lại, đặc biệt là khi đƣợc chiếu sáng. Do đó, kết luận mẫu Au-Co3O4 IO -10mM, 30ph cho hiệu suất xúc tác OER tốt hơn mẫu Au-Co3O4 IO -5mM, 30ph và Au-Co3O4 IO -20mM, 30ph. Dựa vào hình 3.15, bảng 3.2, cho thấy mẫu Au-Co3O4IO - 10mM, 30ph cho hiệu suất xúc tác điện hóa tốt hơn Ni foam với quá thế nhỏ hơn rất nhiều. Mặc dù, so sánh quá thế nhận thấy mẫu Au-Co3O4IO -10mM, 30ph có giá trị cao hơn mẫu IrO2, nhƣng khi đƣợc chiếu sáng, độ chênh lệch quá thế giữa hai mẫu này có xu hƣớng giảm dần, đây là dấu hiệu để có hƣớng phát triển, cải tiến vật liệu Au-Co3O4 IO trở thành vật liệu xúc tác điện hóa tốt hơn.