4. Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
1.3.3. Mô hình dải của tế bào quang điện hóa
Các electron đƣợc tạo ra nhƣ phản ứng (1.1) ở quang anode đƣợc chuyển qua mạch ngoài đến cathode phản ứng với ion H+
kết quả là biến đổi ion H+ thành khí H2.
Do đó, phản ứng chung của hiệu ứng quang điện hóa tách nƣớc có thể đƣợc viết lại: 2 2 1 2 2
2
h H O O H
(1.4)
Phản ứng (1.5) xảy ra khi năng lƣợng của các photon hấp thụ bởi quang anode bằng hoặc lớn hơn năng lƣợng ngƣỡng Ei:
2 ( ) 2 o H O i A G E N . (1.5) Trong đó: 0 ) (H2O G
là giá trị enthalpy bằng 237.141 kJ/mol; NA = 6.022 x 1023 mol-1. Do đó: 2 ( ) 1.23( ) 2 o H O i A G E eV N . (1.6)
Theo kết quả trên thì hiệu ứng quang điện hóa tách nƣớc có thể xảy ra khi lực điện động của tế bào là bằng hoặc lớn hơn 1,23eV .
1.3.3. Mô hình dải của tế bào quang điện hóa
Sơ đồ dải năng lƣợng của cấu trúc tế bào quang điện hóa gồm quang điện cực bán dẫn và điện cực đối kim loại nhƣ mô tả trong Hình 1.7.
Hình 1.7. Sơ đồ dải năng lƣợng của hệ điện hóa điện cực bán dẫn – kim loại: chƣa tiếp xúc (a), tiếp xúc nhƣng chƣa chiếu sáng (b), tiếp xúc khi chiếu sáng (c) và tiếp
xúc khi chiếu sáng có thế ngoài (d)
Hình 1.7(a) là dải năng lƣợng của hệ trƣớc khi hai điện cực tiếp xúc, cho thấy một sự không cân bằng của các mức Fermi.
Hình 1.7(b) là dải năng lƣợng của hệ khi có tiếp xúc nhƣng chƣa chiếu ánh sáng, thì điện tử sẽ vận chuyển từ điện cực bán dẫn có công thoát thấp hơn sang điện cực kim loại có công thoát lớn hơn cho đến khi công thoát của hai điện cực là nhƣ nhau. Sự vận chuyển điện tích này dẫn tới một sự thay đổi trong thế điện bề mặt EB của chất bán dẫn, kết quả một sự uốn cong dải đã xảy ra. Tuy nhiên, quá trình tách nƣớc vẫn chƣa xảy ra vì mức năng lƣợng của H+/H2 là nằm trên mức Fermi của cathode.
Hình 1.7(c) là dải năng lƣợng của hệ khi ánh sáng có năng lƣợng bằng hoặc lớn hơn khe năng lƣợng của bán dẫn chiếu vào thì thế bề mặt của điện cực quang bán dẫn giảm xuống, đồng thời mức Fermi cũng tăng lên, nhƣng phản ứng vẫn chƣa xảy ra.
Hình 1.7(d) là dải năng lƣợng của hệ khi cung cấp cho hệ một thế ngoài thì mức Fermi của cathode nằm trên mức năng lƣợng H+
/H2 thì phản ứng tách nƣớc bắt đầu xảy ra. Trong mô hình dải, để cho phản ứng xảy ra thì việc cung cấp thế ngoài là cần thiết, nhƣng đối với một vài ôxít bán dẫn có thế dải phẳng nằm trên mức năng lƣợng của H+
/H2 thì không cần cung cấp thế ngoài phản ứng vẫn xảy ra chẳng hạn nhƣ ZnO.