5. Phương pháp nghiên cứu
1.2.3. Mô hình năng lượng của PEC
Sơ đồ năng lượng của cấu trúc PEC gồm điện cực quang bán dẫn và điện cực đối kim loại được mô tả trên Hình 1.6.
Hình 1.6(a) là sơ đồ dải năng lượng của hệ trước khi hai điện cực tiếp xúc với dung dịch điện phân, nó cho thấy một sự không cân bằng của các mức Fermi (EF) của hai cực. Hình 1.6(b) là sơ đồ dải năng lượng khi điện cực tiếp xúc với dung dịch điện phân nhưng chưa chiếu ánh sáng. Khi đó có sự hình thành lớp điện tích kép trên bề mặt bán dẫn làm uốn cong dải năng lượng của chất bán dẫn tại bề mặt tiếp xúc. Đồng thời, electron khuếch tán từ điện cực bán dẫn có EF cao
hơn sang điện cực kim loại cho đến khi hệ đạt trạng thái cân bằng nhiệt động, lúc đó EF ở hai điện cực sẽ bằng nhau. Tuy nhiên, quá trình tách nước vẫn chưa xảy ra vì mức năng lượng của H+/H2 nằm trên EF của catốt. Khi hấp thụ photon có năng lượng bằng hoặc lớn hơn Eg của bán dẫn (Hình 1.6(c)) thì thế bề mặt của điện cực quang bán dẫn giảm xuống, đồng thời mức Fermi EF cũng tăng lên, nhưng phản ứng vẫn chưa xảy ra. Để phản ứng tách nước xảy ra, ta cần cung cấp cho hệ một thế ngoài để mức EF của catốt nằm trên mức năng lượng khử H+/H2 (Hình 1.6(d)).
Hình 1.6. Sơ đồ năng lượng của hệ điện hóa điện cực bán dẫn - kim loại: (a) chưa tiếp xúc, (b) tiếp xúc nhưng chưa chiếu ánh sáng, (c) ảnh hưởng của chiếu sáng và (d) ảnh
hưởng của chiếu sáng và thế ngoài [13]
Mô hình năng lượng của PEC ở trên cho thấy việc cung cấp thế ngoài là cần thiết để phản ứng xảy ra. Tuy nhiên, một vài ôxít bán dẫn có vị trí đáy dải dẫn
nằm trên mức năng lượng khử H+/H2 như ZnO, TiO2,… thì không cần cung cấp thế ngoài phản ứng vẫn xảy ra, chúng ta sẽ thấy rõ hơn điều này trong các lý thuyết ở phần sau.