7. Cấu trúc của đề tài
1.4.2. Cơ chế phản ứng
Hình 1-14 cho thấy: Cơ chế của phản ứng tách nước điện hóa liên quan đến một số quá trình trong điện cực quang và tại bề mặt trung gian giữa điện cực quang và dung dịch điện li.
Hình 1.14. Cơ chế phản ứng quang điện hóa.
Khi điện cực bán dẫn được chiếu sáng với những photon có năng lượng h bằng hoặc lớn hơn năng lượng vùng cấm của bán dẫn thì kết quả là hình thành các hạt tải, electron trong vùng dẫn và lỗ trống trong vùng hóa trị:
'
2h 2e 2h. (1.5)
Trong đó: h là hằng số Planck; là tần số e- là electron; h’ là lỗ trống.
Tại bề mặt trung gian giữa điện cực quang và dung dịch điện phân:
2 2
1
2 ' 2H 2
2
Những lỗ trống sinh quang h’ phản ứng với nước để hình thành oxi và ion H+. Khí oxi được sinh ra tại bề mặt điện cực quang và ion H+ di chuyển đến cathode thông qua dung dịch điện phân.
Tại cathode:
2
2 H2e 2H . (1.7)
Các electron được tạo ra như phản ứng (1.5) ở quang anode được 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 nước có thể được viết lại:
2 2 2
1 2
2
h H O O H . (1.8)
Phản ứng (1.8) xảy ra khi năng lượng của các photon hấp thụ bởi quang anode bằng hoặc lớn hơn năng lượng ngưỡng Ei:
2 ( ) 2 o H O i A G E N . (1.9)
Trong đó: là giá trị enthalpy bằng 237.141 kJ/mol; NA = 6.022 x 1023 mol-1. Do đó hiệu suất:
2 ( ) 1.23( ) 2 o H O i A G E eV N . (1.10)
Theo kết quả trên thì hiệu ứng quang điện hóa tách nước có thể xảy ra khi lực điện động của tế bào là bằng hoặc lớn hơn 1,23 eV [30].