khác nhau đƣợc đo để tối ƣu hiệu suất PEC theo nhiệt độ xử lý là cho thấy trong hình 3.6.
Hình 3.6 Thuộc tính PEC của các điện cực ZnO hạt nano ủ tại các nhiệt độ khác nhau; (a) mật độ dòng quang và (b) hiệu suất chuyển đổi quang tƣơng ứng
Hình 3.6 (a) là mật độ dòng quang theo thế đƣợc đo trong tối và dƣới sự chiếu sáng của nguồn sáng đèn Xenon theo mức thế từ -0.6 V đến 1.2 V và tƣơng ứng hình 3.6 (b) là hiệu suất chuyển đổi quang đƣợc tính toán từ công thức (1.10). Kết quả cho thấy, mật độ dòng quang cũng nhƣ hiệu suất chuyển đổi quang tăng lên theo nhiệt độ ủ và đạt giá trị lớn nhất tại nhiệt độ ủ là 450oC và giảm xuống nếu nhiệt độ ủ là tăng thêm đến 550oC. Ủ nhiệt không những làm tăng chất lƣợng tinh thể của các hạt nano mà còn làm tăng độ kết nối và độ bám dích đến đế của các hạt nano tốt hơn, do đó làm tăng độ dẫn của màng điện cực dẫn đến hiệu suất PEC tăng. Nếu nhiệt độ ủ mẫu tăng thêm thì sự kết nối lại của các hạt nano tăng lên làm giảm diện tích trong sự tiếp xúc với dung dịch electrolyte dẫn đến giảm phản ứng điện hóa xảy ra tại bề mặt cho hiệu suất PEC cao.
Ảnh hƣởng của bề dày màng tới hiệu suất PEC cũng đƣợc đo và tối ƣu nhƣ cho thấy trong hình 3.7.
Hình 3.7: Thuộc tính PEC của các điện cực ZnO hạt nano với bề dày thay đổi; (a) mật độ dòng quang và (b) hiệu suất chuyển đổi quang tƣơng ứng
Kết quả đo cho thấy, bề dày tối ƣu cho hiệu suất PEC cao nhất là mẫu điện cực phủ trải 2 lớp và ủ nhiệt tại 450o
C với thời gian 2 giờ trong không khí, tƣơng đƣơng với bề dày là 21 m. Màng dày hơn có thể hấp thụ nhiều hơn photon ánh sáng và sản phẩm sinh ra nhiều hơn các cặp điện tử lỗ trống, nhƣng quảng đƣờng dịch chuyển của các hạt tải đến điện cực cũng tăng lên làm tăng khả năng tái hợp cặp điện tử lỗ trống dẫn đến hiệu suất PEC giảm. Do đó trong điều kiện chế tạo của luận văn, bề dày màng và nhiệt độ xử lý mẫu tối ƣu đƣợc chọn là 21 m và 450oC trong không khí cho 2 giờ. Ở điều kiện tối ƣu này, hiệu suất PEC đạt đƣợc là 0.75% dƣới sự chiếu sáng của nguồn sáng đèn Xenon (cƣờng độ 100 mA.cm-2).
Với mong muốn nâng cao thêm hiệu suất PEC của hệ vật liệu này, cho nên các thanh nano đƣợc đƣa thêm vào trong màng nhƣ một tâm tán xạ để tăng cƣờng khả năng hấp thụ ánh sáng mà không làm mất đáng kể diện tích bề mặt bên trong màng. Do đó để chứng minh điều này, thuộc tính PEC của các điện cực quang chế tạo với hàm lƣợng thanh nano pha trộn khác nhau đƣợc đo và cho thấy nhƣ trong hình 3.8.
Hình 3.8: Thuộc tính PEC của các điện cực ZnO hạt nano với hàm lƣợng thanh nano pha trộn thay đổi; (a) mật độ dòng quang và (b) hiệu suất chuyển đổi quang tương ứng
Quan sát kết quả đo dòng quang và hiệu suất PEC cho thấy rằng, mẫu điện cực với hàm lƣợng pha trộn thanh nano 6.7wt% cho mật độ dòng quang và hiệu suất PEC là lớn nhất, sự tăng lên thêm của hàm lƣợng thanh nano pha trộn vào trong màng sẽ tăng thêm khả năng hấp thụ quang nhƣng làm giảm mạnh diện tích bề mặt bên trong màng dẫn đến mật độ dòng quang cũng nhƣ hiệu suất PEC giảm. Cụ thể, hiệu suất PEC cực đại đạt đƣợc là 0.92% cho mẫu ZnO-B(T:6.7wt%), cao hơn 1.2 lần so với 0.75% hiệu suất đạt đƣợc của điện cực chỉ với các hạt nano. Giá trị hiệu suất đạt đƣợc cũng là khá cao cho đến nay đối với hệ vật liệu ZnO [25, 26]. Kết quả này đề nghị rằng, việc đƣa thêm vào trong màng các hạt nano các tâm tán xạ ánh sáng dạng thanh kích thƣớc khoảng 400 nm trong đƣờng kính với một hàm lƣợng tối ƣu để không làm giảm đáng kể diện tích bề mặt bên trong màng có thể là một cách hiệu quả để tăng hiệu suất PEC.
KẾT LUẬN CHUNG
Luận văn đã nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất quang điện hóa tách nƣớc của vật liệu cấu trúc ZnO dạng hạt nano phủ trải trên đế FTO và đạt đƣợc các kết quả nhƣ sau:
- Từ kết quả phân tích mô hình bằng ảnh SEM cho thấy, bằng phƣơng pháp phủ trải tôi đã tổng hợp thành công điện cực quang ZnO hạt nano và điện cực quang ZnO hạt nano pha trộn thanh nano với hàm lƣợng thanh trong màng thay đổi 0wt%, 6.7wt%, 20wt% và 50wt%.
- Kết quả đo phổ hấp thụ UV-Vis cho thấy điện cực quang ZnO hạt nano pha trộn thêm hàm lƣợng thanh nano hấp thụ mạnh ánh sáng trong vùng nhìn thấy và vùng hồng ngoại. Điều này chứng minh các thanh nano đƣa thêm vào trong màng làm nhiệm vụ nhƣ các tâm tán xạ ánh sáng hiệu quả cho việc tăng cƣờng hấp thụ ánh sáng trong vùng nhìn thấy của phổ mặt trời.
- Kết quả đo thuộc tính PEC cho thấy dƣới bức xạ của ánh sáng đèn Xenon (150W) cƣờng độ sáng I = 100 mWcm-2
thì điện cực quang ZnO hạt nano với bề dày và nhiệt độ xử lý mẫu tối ƣu là 21 m và 450oC, 2 giờ trong không khí cho hiệu suất PEC khá cao 0.75%. Điện cực quang ZnO hạt nano đạt đƣợc PEC tối ƣu trên rồi đƣợc đƣa thêm vào các tâm tán xạ ánh sáng là các thanh nano có kích thƣớc 400 nm trong đƣờng kính để cải thiện thêm hiệu suất PEC, kết quả cho thấy rằng mẫu điện cực quang có hàm lƣợng thanh nano pha trộn là 6.7wt% cho hiệu suất PEC cao nhất, cao hơn 1.2 lần so với 0.75% hiệu suất đạt đƣợc của điện cực chỉ với các hạt nano. Giá trị hiệu suất này cũng là khá cao cho đến nay đối với hệ vật liệu ZnO.
* Những đóng góp mới
- Góp phần đa dạng thêm các hệ vật liệu và phƣơng pháp chế tạo điện cực quang trong ứng dụng tách nƣớc quang điện hóa.
- Điện cực quang chế tạo cho hiệu suất PEC khá cao đây là kết quả khá tốt đạt đƣợc của luận văn.
* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Góp phần nâng cao hiệu suất tách nƣớc, tiến tới khả năng ứng dụng thực tế nhiên liệu hydro của kỹ thuật quang điện hóa tách nƣớc.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] A. Fujishima and K. Honda. Electrochemical Photolysisof Water at a Semiconductor Electrode.Nature, 1972, 238, 37.
[2] F. E. Osterloh and B. A. Parkinson (2011), “Recent developments in solar water splitting photocatalysis”, MRS Bull, 36, 17–22.
[3] H. N. Hieu, N. M. Vuong, and K. Dojin (2013), “Optimization of CdS/ZnO Electrode for Use in Photoelectrochemical Cell, Journal of The Electrochemical Society”, 160, H852-H857.
[4] J. A. Rodriguez, T. Jirsak, J. Dvorak, S. Sambasivan, en D. Fischer, “Reaction of NO2 with Zn and ZnO: Photoemission, XANES, and
Density Functional Studies on the Formation of NO3”, J. Phys. Chem. B, vol 104, no 2, bll 319–328, 2000.
[5] C. Chen, J. Liu, P. Liu, en B. Yu, “Investigation of Photocatalytic Degradation of Methyl Orange by Using Nano-Sized ZnO Catalysts”, Advances in Chemical Engineering and Science, vol 01, no 01. bll 9–14, 2011.
[6] F. Lu, W. Cai, en Y. Zhang, “ZnO hierarchical micro/nanoarchitectures: Solvothermal synthesis and structurally enhanced photocatalytic
performance”, Advanced Functional Materials, vol 18, no 7. bll 1047– 1056, 2008.
[7] Y. Qiu, K. Yan, H. Deng, en S. Yang, “Secondary branching and
nitrogen doping of ZnO nanotetrapods: Building a highly active network for photoelectrochemical water splitting”, Nano Letters, vol 12, no 1. bll 407–413, 2012.
[8] M. Guptaand et al, “Preparation and characterization of nanostructured ZnO thin films for photoelectrochemical splitting of water”, Bulletin of
Materials Science, vol 32, no 1. bll 23–30, 2009.
[9] X. Wang, J. Song, en Z. L. Wang, “Nanowire and nanobelt arrays of zinc oxide from synthesis to properties and to novel devices”, J. Mater. Chem., vol 17, no 8, bll 711–720, 2007.
[10] V. A. Coleman and C. Jagadish, “Basic Properties and Applications of ZnO”, bl bll 1–20.
[11] V. A. Coleman and C. Jagadish (2006), “Basic Properties and Applications of ZnO” pp. 1–20.
[12] T. Olorunyolemi, A. Birnboim, Y. Carmel, O. Carl, W. Jr, I. K. Lloyd, S. Smith, and R. Campbell (2002),“Thermal Conductivity of Zinc Oxide: From Green to Sintered State”, vol. 53, pp. 14–17.
[13] Kohan, A. F., Ceder, G., Morgan, D. & Van de Walle, C. G. (2000), “First- principles study of native point defects in ZnO”, Physical Review B 61, 15019-15027
[14] Liu X, Wu X, Cao H and Chang R P H (2004), “Growth mechanism and properties of ZnO nanorods synthesized by plasma-enhanced chemical vapor deposition”, J. Appl. Phys. 95, 3141.
[15] G. Sakai, N. Matsunaga, K. Shimanoe, and N. Yamazoe (2001), “Theory of gas-diffusion controlled sensitivity for thin film semiconductor gas sensor”, vol. 80, pp. 125–131.
[16] G. Sakai, N. Matsunaga, K. Shimanoe, and N. Yamazoe (2001), “Theory of gas-diffusion controlled sensitivity for thin film semiconductor gas sensor”, vol. 80, pp. 125–131.
[17] T. P. Cell (2012),“Photoelectrochemical Hydrogen Production”, vol. 102. Boston, MA: Springer US.
[18] M. Gr (2001),“Photoelectrochemical cells”, vol. 414, no. November. [19] T. Bak, J. Nowotny, M. Rekas, and C. C. Sorrell (2010),“Photo-
electrochemical hydrogen generation from water using solar energy . Materials-related aspects”, vol. 27, no. 2002, pp. 991–1022.
[20] H. M. Chen, K. Chen, R. Liu, and L. Zhang(2012), “Chem Soc Rev Nano-architecture and material designs for water splitting photoelectrodes”.
[21] Q. Zhang, C. S. Dandeneau, X. Zhou, and G. Cao (2009) “ZnO
Nanostructures for Dye-Sensitized Solar Cells”, Adv. Mater, vol. 21, no. 41, pp. 4087–4108.
[22] S. U. M. Khan, M. Al-Shahry, and W. B. Ingle (2002), “Efficient photochemical water splitting by a chemically modified n-TiO2”, Science, vol. 297, no. 5590, pp. 2243–5.
[23] Cusker Mc. L.B. (1998), “Product characterization by X-Ray powder diffraction”, Micropor. Mesopor. Mater, 22, pp. 495-666
[24] Corma A. (1997), “From Microporous to Mesoporous Molecular Sieves Materials and Their Use in Catalysis”, Chem. Rev, 97, pp. 2373-2419 [25] M. Shi, X. Pan, W. Qiu, D. Zheng, M. Xu, H. Chen. Int J Hydrogen
Energy. 2011, 36, 15153-15159.
[26] I. S. Cho, Z. Chen, A. J. Forman, D. R. Kim, P. M. Rao, T. F. Jaramillo, X. Zheng. Nano Lett. 2011, 11, 4978-4984.