Phương pháp điện hóa 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. Với ưu thế đơn giản dễ thực hiện, các trang thiết bị rẻ tiền và sẵn có nên nó thường hay được sử dụng để chế tạo các hạt oxit kim loại khác nhau [24]. Hình 1.10 là sơ đồ hệ điện hóa thường hay được sử dụng trong thực tế, trong đó:
- Điện cực dương: lá kim loại tinh khiết, có độ sạch cao. - Điện cực âm: lưới hoặc tấm Pt.
- Dung dịch điện ly: Các chất điện ly gốc F,Cl,Brvà 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 1.10: Sơ đồ điện hóa chế tạo các hạt nano oxit kim loại
Các thông số công nghệ chính khi sử dụng phương pháp điện hóa cần quan tâm là:
- Dung dịch điện ly: Các nghiên cứu chế tạo ống TiO2 sử dụng dung dịch điện ly chứa các anion như
Cl ,
F ăn mòn điện cực anot là Ti kim loại cho thấy ion Fphù hợp nhất để ăn mòn và tạo ống TiO2. Chính vì vậy phần lớn các nghiên cứu trong thời gian gần đây đều sử dụng các dung dịch điện phân chứa ion Fvà tập trung nghiên cứu các điều kiện tối ưu của dung dịch [25].
- Điện thế phân cực: điện thế phân cực sẽ quyết định hình thái học bề mặt, kính thước và loại sản phẩm tạo ra. Tùy thuộc vào từng loại dung dịch chất điện ly sẽ lựa chọn điện thế cho phù hợp [25, 26].
- Điện cực sử dụng: Để đảm bảo chất lượng vật liệu chế tạo điện cực yêu cầu có độ sạch cao.
- Nhiệt độ, pH, nồng độ của chất điện ly. Ti Pt + Electrolyte A V -
- Chế độ phân cực: dòng hoặc thế không đổi.
Đặc điểm khi chế tạo vật liệu bằng phương pháp điện hóa:
- Phản ứng tổng hợp điện hóa diễn ra gần với điện cực bên trong lớp điện tích kép, tại đó thế gradien rất cao là 105 V cm-1. Trong điều kiện đó, quá trình tổng hợp không thu được các sản phẩm từ phản ứng đó.
- Các sản phẩm tạo ra sau quá trình điện hóa được bóc tách ra đi vào trong dung dịch chất điện ly hoặc tạo ra lớp màng mỏng hoặc lớp phủ bám trên bề mặt điện cực phản ứng. Hình 1.11 là sơ đồ minh họa quá trình chế tạo tạo lớp màng TiO2 và quá trình ăn mòn định hướng lớp TiO2 để tạo lớp màng TiO2 dạng ống [26]. Hình 1.12 là sơ đồ giải thích cơ chế tạo thành màng TiO2 dạng ống.
- Lớp điện kép giữa pha rắn - lỏng làm tăng quá trình tạo lớp phủ trên chất nền của một số hình dạng, đặc biệt là nếu hình dạng của điện cực phù hợp với điện thế phân cực trên điện cực.
- Tổng hợp điện hóa ở nhiệt độ thấp bị hạn chế bởi các giá trị điểm sôi của chất điện ly. Để hạn chế, chất điện ly ở dạng muối nóng chảy thường hay được sử dụng.
- Động học của phản ứng được điều khiển thông qua khống chế dòng điện chạy qua dung dịch chất điện ly, trong khi nhiệt động lực học được điều khiển bằng cách chọn điện thế phân cực thích hợp.
Hình 1.11: Sơ đồ minh họa quá trình chế tạo tạo lớp màng TiO2 và quá trình
Hình 1.12: Sơ đồ giải thích cơ chế tạo thành màng TiO2 dạng ống [28]
Trong đó: (a) Suy giảm của cường độ dòng điện điện phân theo thời gian ứng với các trường hợp không có (---) và có (________) ion Ftrong dung dịch điện ly. Trong dung dịch điện ly không có ion Fsẽ tạo ra lớp oxit trên bề mặt kim loại (CO); khi có thêm ion Fsẽ tạo ra lớp oxit dạng xốp hoặc dạng ống trên bề mặt kim loại. Quá trình tạo lớp oxit, tạo lớp xốp và tạo ống TiO2 theo các bước từ I đến III; (b,c) quá trình di chuyển của các ion linh động từ dung dịch điên ly qua lớp oxit bề mặt dưới tác dụng của điện trường trong dung dịch điện ly không có ion F(c) và có ion F; (b): sự di chuyển nhanh chóng của các ion
F sẽ tạo ra lớp giàu Ftại bề mặt tiếp xúc Ti – TiO2.