Chương 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.3. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý RhB bằng vật liệu
3.3.2. Khảo sát ảnh hưởng của điện thế mạch ngoài đến hiệu suất quang phân
Các kết quả khảo sát được trình bày trong bảng 3.2 và đồ thị 3.9
t = 7h, H = 74.83% 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 2 3 4 5 6 7 Hiệu suất (%)
Thời gian làm việc (h)
Hiệu quả xúc tác theo thời gian
Bảng 3.2 Hiệu suất quang phân huỷ Rhodamine B theo thời gian của các hệ xúc tác quang điện hố với các điện thế mạch ngồi khác nhau
t (h) U = 0 V U = 0,5 V U = 1 V U = 1,5 V U = 2 V A H (%) A H (%) A H (%) A H (%) A H (%) 0 0,148 - 0,146 - 0,147 - 0,147 - 0,146 - 1 0,141 4,73 0,135 7,53 0,134 8,84 0,131 10,88 0,114 21,92 2 0,135 8,78 0,126 13,69 0,123 15,75 0,118 19,73 0,104 28,77 3 0,130 12,16 0,116 20,55 0,114 22,45 0,090 38,78 0,099 32,19 4 0.124 16,21 0,091 37,82 0,088 39,89 0,059 59,86 0,086 41,50
Hình 3.9 Đồ thị ảnh hưởng của điện thế mạch ngoài đến hiệu suất quang phân huỷ RhB
- So sánh hiệu quả xúc tác quang hoá (khi U = 0) và xúc tác quang điện hoá
(U > 0) của vật liệu:
+ Hoạt tính xúc tác quang của vật liệu đạt hiệu suất tương đối thấp, và tăng chậm theo thời gian xử lý mẫu: Dạng đồ thị hiệu suất xúc tác quang theo thời gian gần như một đường thẳng tuyến tính với hệ số góc nhỏ, có thể ngoại suy ra khoảng
0 10 20 30 40 50 60 70 t = 0 t = 1 t = 2 t = 3 t = 4 Hiệu suất (%)
Thời gian chiếu sáng và áp điện (h)
U = 0 U = 0.5 U = 1 U = 1.5 U = 2
thời gian để quá trình quang xúc tác đạt đến một hiệu suất xử lý chấp nhận được là rất dài, lâu hơn rất nhiều so với q trình xúc tác quang điện hố.
+ Khi áp thế vào điện cực xúc tác, hiệu suất xử lý biểu hiện một sự khác biệt rõ ràng so với hiệu suất quang xúc tác: Các đồ thị biểu thị hiệu suất xúc tác quang điện hoá theo thời gian là các đường gấp khúc, với các đoạn gấp khúc có độ dốc
tăng dần. Trong đồ thị, tất cả các đường đồ thị biểu diễn hiệu suất của các quá trình xúc tác quang điện hoá đều nằm cao hơn nhiều so với đường hiệu suất xúc tác
quang theo thời gian.
- So sánh hiệu quả hoạt xúc tác quang điện hoá (U > 0) của vật liệu theo giá trị điện thế áp đặt:
+ Từ các kết quả thu được ta thấy rằng: theo chiều tăng điện thế cố định từ
0,5 à 1,5V, hiệu suất xử lý Rhodamine B tăng dần, đạt cực đại khi U = 1,5V. Sau
đó khi tiếp tục tăng thế áp đặt lên đến 2V, hiệu suất xử lý của xúc tác lại giảm đi.
Theo quan sát thí nghiệm áp điện thế 2V, cường độ dòng trong mạch lớn hơn rất
nhiều cường độ dòng trong các trường hợp điện thế áp đặt thấp hơn (Bảng 3.3) -
nhưng lại không làm tăng hiệu suất xử lý như mong đợi, trong khi đó với khoảng
thế 0,5 à 1,5V thì U càng lớn dẫn đến I lớn và hiệu suất xử lý mẫu tăng.
Bảng 3.3 So sánh cường độ dòng trong hệ điện hoá và hiệu suất xử lý chất thử của vật liệu N – TiO2 ứng với các giá trị thế một chiều là 1,5 V và 2 V
t (h) U = 1,5 V U = 2 V A I (mA) H (%) A I (mA) H (%) 0 0,147 0,5 - 0,146 1,25 - 1 0,131 0,45 10,88 0,114 1 21,92 2 0,118 0,4 19,73 0,104 0.95 28,77 3 0,09 0,4 38,78 0,099 0.9 32,19 4 0,059 0.3 59,86 0,086 0.85 41,10 5 0,049 < 66,67 0,076 << 49,95 6 0,044 << 70,07 0,076 << 49,95
(Thực tế: cường độ dịng khơng hồn toàn đứng yên ở một giá trị cố định trong suốt quá trình xúc tác quang điện hố, kết quả cường độ dịng trong bảng 3.3 là lấy theo
các giá trị ổn định lâu dài nhất. Giá trị cường độ dòng trong các trường hợp điện thế thấp hơn (0,5V và 1V) rất nhỏ nên không đưa ra ở đây)
* Các kết quả trên có thể được lý giải như sau:
Điện thế cố định áp đặt ở mạch ngoài của hệ điện hoá tạo ra một điện trường
gây lực tác dụng đối với các điện tích nằm trong điện trường đó. Các electron e-
và lỗ trống h+
quang sinh trên điện cực N-TiO2/kim loại là các điện tích trái dấu sẽ
phân bố về hai phía ngược nhau theo chiều điện trường này (electron e-
quang sinh bị hút về phía catot), dẫn đến sự phân hoá thành các vùng mật độ cao của hai loại điện tích linh động trong mạch điện. Do đó, sự có mặt của điện thế một chiều giúp
ngăn cản sự tái kết hợp của electron và lỗ trống quang sinh ở bề mặt xúc tác, tăng hiệu quả xúc tác của vật liệu.
Trong khoảng 0,5 à 1,5V, điện thế cố định áp đặt ở mạch ngoài của hệ điện hố càng tăng thì tác dụng phân hố riêng biệt hai vùng điện tích linh động e-
và h+ càng mạnh, khả năng hạn chế được sự tái kết hợp electron và lỗ trống quang sinh
càng tăng. Khi điện thế đặt vào mạch là 1,5V, điện trường sinh ra đủ mạnh để ngăn chặn hoàn toàn sự tái kết hợp của các điện tích linh động (e-
và h+) quang sinh, hiệu suất xử lý đạt cao nhất.
Khi tăng thế cố định ở mạch ngoài lên đến 2V, điện thế lớn là động lực thúc đẩy quá trình e-
và h+ được sinh ra liên tục và rất nhanh trên vật liệu, các điện tích linh động này hoàn toàn đã bị ngăn chặn khả năng tái kết hợp. Ban đầu cường độ
dòng trong mạch lớn và tốc độ phân huỷ RhB rất nhanh. Nhưng do tốc độ tái hấp phụ RhB lên bề mặt xúc tác chậm không bắt kịp với tốc độ quang sinh các điện tích linh động, trên điện cực các điện tích linh động giải toả liên tục, dẫn đến vật liệu
bán dẫn nhanh chóng bị cạn kiệt nguồn điện tích này, cường độ dịng giảm mạnh,
kết quả cuối cùng tốc độ quang phân huỷ RhB giảm, hiệu suất của quá trình giảm.