Phương pháp điện hóa là phương pháp dựa trên quá trình oxi hóa - khử xảy ra tại bề mặt các điện cực khi có dòng điện một chiều đi qua dung dịch chất điện ly. Phương pháp này thường được sử dụng để chế tạo các oxit kim loại khác nhau [37]. Hình 1.11 là sơ đồ hệ điện hóa thường hay được sử dụng trong thực tế, trong đó:
- Điện cực âm: lưới hoặc tấm Pt.
- Dung dịch điện ly: Các chất điện ly gốc F, Cl, Br và chất hoạt động bề mặt. - Ampe kế và điện kế dùng để đo dòng điện và điện thế.
- Nguồn điện một chiều điện áp thay đổi được, thường từ 0 đến 80V.
Hình 1.11: Sơ đồ quá trình chế tạo các hạt nano TiO2 từ một thanh Ti
bằng phương pháp điện hóa[37]
Các thông số công nghệ chính khi sử sử dụng phương pháp điện hóa cần quan tâm là:
- Dung dịch điện ly. - Điện thế phân cực. - Điện cực sử dụng.
- Nhiệt độ, pH, nồng độ của chất điện ly.
Ưu điểm của chế tạo vật liệu bằng phương pháp điện hóa là vật liệu thu được có độ tinh khiết cao, thời gian phản ứng ngắn, có thể tự động hóa thu được sản phẩm với khối lượng lớn.
Cơ chế tạo hạt nano TiO2 bằng phương pháp điện hóa
Khi cho dòng điện một chiều chạy qua dung dịch chất điện phân: Tại cực anot: e Ti Ti → 4+ +4 Tại cực catot: 2 2 4 2 2 4 2 2 2 . 4 2 2 2 TiO O Ti O H TiO OH Ti H OH e O H → + → + ↑ + → + − + − + −
Kích thước hạt nano thu được phụ thuộc nhiều vào nồng độ và nhiệt độ của dung dịch chất điện ly. Kích thước hạt giảm khi tăng nồng độ chất điện ly. Dạng anatase của TiO2 thu được khi ủ vật liệu ở 450oC trong 2 giờ [18].
Một số kết quả nghiên cứu chế tạo hạt nano TiO2 bằng phương pháp điện hóa
Trên thế giới, do ưu thế đơn giản dễ thực hiện, các trang thiết bị rẻ tiền và sẵn có nên phương pháp điện hóa thường hay được sử dụng để chế tạo các hạt oxit kim loại khác nhau [37]. Các kết quả nghiên cứu gần đây trên thế giới cũng cho thấy các hạt nano TiO2 đã được chế tạo thành công trên cơ sở quá trình điện phân kim loại Titan trong dung dịch điện phân (dung dịch KCl; NH4F) khi cho dòng điện một chiều đi qua. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng có thể chế tạo nhanh hạt nano TiO2 bằng phương pháp điện hóa với kích thước hạt khá nhỏ ~ 7 nm [18].
Hình 1.12: Ảnh FESEM (a) và TEM (b )của hạt nano TiO2 chế tạo bằng phương pháp điện hóa trong dung dịch KCl 1M [18]
Một nghiên cứu khác đã được tiến hành sử dụng chất điện ly tetrabutylammonium bromide (99%, Acros Organics) và nguồn điện 1 chiều cung cấp bởi hệ điện hóa AUTOLAB PGSTAT 302N chế tạo thành công hạt nano kích thước hạt nhỏ ~ 5 nm và có thể điều khiển kích thước hạt theo yêu cầu [9].
Hình 1.13: (A) Sơ đồ minh họa quá trình điện hóa sử dụng hệ Autolab để tổng hợp hạt nano TiO2 và (B) ảnh mẫu thu được [9]
thêm chất hoạt động bề mặt để tránh kết tụ khi tạo ra sản phẩm trong môi trường chất điện ly chứa nước hoặc sử dụng chất điện ly hữu cơ đắt tiền, độc hại đi kèm với nguồn điện một chiều được điều khiển chính xác giá thành cao [9, 18] do đó cần phải cải tiến thêm.