2.5.1. Phương pháp quét thế tuần hoàn
Nguyên lý của phương pháp là áp vào điện cực nghiên cứu một tín hiệu điện thế biến thiên tuyến tính theo thời gian từ E1 đến E2 và ngược lại. Đo dòng đáp ứng theo điện thế tương ứng sẽ cho ra đồ thị CV biểu diễn mối quan hệ dòng – thế. Các q trình oxi hố – khử xảy ra của phản ứng điện hố (nếu có) sẽ thể hiện trên các đường cong vôn – ampe qua các pic xuất hiện. Khi pic xuất hiện theo chiều quét thế
về phía âm thì đó là pic tương ứng với quá trình khử, ngược lại pic xuất hiện theo
chiều quét thế về phía dương là ứng với q trình oxi hố. Từ đường cong vơn –
ampe thu được có thể đánh giá được tính chất điện hố của hệ và các kết quả liên
quan đến vật liệu làm điện cực nghiên cứu.
Hình 2.7 Quan hệ giữa dịng – điện thế trong qt thế tuần hồn (Ipa, Ipc: Dịng pic anot và catot; Epa, Epc: Điện thế pic anot và catot)
b. Thiết lập hệ điện hoá
- Hệ điện hoá được thiết lập gồm 3 điện cực (Hình 2.8): + Điện cực đối: là điện cực Pt
+ Điện cực so sánh là điện cực AgCl/KCl 3M + Điện cực làm việc:
(1) Đế kim loại Ti (đánh bóng tráng rửa nước cất trước khi lắp vào hệ).
E pa E pc I pc I pa I (A) R à O + ne- O + ne- à R E (V)
(2) Đế kim loại Ti đã phủ màng vật liệu N-TiO2, diện tích màng làm việc 1 cm2
. (sau khi sử dụng tháo khỏi hệ, tráng rửa bằng nước cất, sấy khô và bảo quản). - Các điện cực được nhúng vào bình phản ứng chứa 30ml dung dịch chưa có, hoặc có Rhodamine B nồng độ 5mg/l.
- Các điều kiện tiến hành: pH dung dịch (3 trường hợp: môi trường axit H2SO4 1M; môi trường trung tính Na2SO4 1M và mơi trường KOH 2M), điều kiện chiếu ánh
sáng nhìn thấy (60W) hoặc bóng tối, khoảng điện thế (U = 1,5V), tốc độ quét thế
(Vquét = 0.05V/s) được sắp đặt trước mỗi thí nghiệm khảo sát.
- Quét điện thế tuần hoàn trên các hệ đã thiết lập, thu được tín hiệu dịng biến đổi
theo thế (I - E)
Hình 2.8 Sơ đồ phác hoạ hệ thống phản ứng xúc tác quang điện hoá 3 điện cực
2.5.2. Phương pháp áp thế một chiều a. Phương pháp áp thế một chiều a. Phương pháp áp thế một chiều
Trong phương pháp áp thế một chiều, một điện thế cố định không quá lớn được áp vào điện cực nghiên cứu theo thời gian. Cường độ dòng điện một chiều
trong mạch được ghi đo và hiển thị liên tục ở mọi thời điểm hệ làm việc.
Điện cực nghiên cứu có lớp màng bán dẫn phủ trên bề mặt. Lớp phủ đó là
vật liệu đóng vai trị xúc tác quang cho q trình oxi hố tăng cường phân huỷ chất thử hữu cơ trong dung dịch ở bình phản ứng của hệ điện hố. Điện thế cố định được sử dụng đóng vai trị hỗ trợ khả năng xúc tác của vật liệu bán dẫn dựa trên nguyên
tắc sinh ra một điện trường ngăn trở sự tái kết hợp nhanh chóng của cặp điện tích
linh động e-
/h+ quang sinh trong vật liệu. Theo đó, sự có mặt của điện thế này giúp tăng hiệu quả phân huỷ chất hữu cơ. Cuối cùng, việc theo dõi đánh giá được hiệu
suất phân huỷ chất thử hữu cơ cho phép đánh giá được hiệu quả xúc tác của vật liệu theo các điều kiện tiến hành phản ứng.
b. Thiết lập hệ điện hoá
- Thiết lập hệ điện hoá gồm 2 điện cực (Hình 2.9) : + Điện cực dương là: điện cực than chì (C - graphit)
+ Điện cực âm là: vật liệu bán dẫn N-TiO2/Inox, diện tích màng làm việc
(2,85cm × 3cm) ~ 8cm2
• Các điện cực được nhúng vào bình phản ứng chứa 35ml dung dịch RhB nồng
độ ban đầu 5mg/l, Na2SO4 0,5M đóng vai trị chất hỗ trợ điện phân. Để tiến
hành thí nghiệm, trước hết cần phải chờ cho hệ điện hoá đạt cân bằng hấp
phụ trong thời gian 30 phút (Khi đó chưa chiếu sáng và áp điện thế)
Hình 2.9 Sơ đồ phác hoạ hệ thống thí nghiệm khảo sát khả năng xúc tác quang điện hố của vật liệu
• Thực hiện thí nghiệm ở điều kiện chiếu ánh sáng nhìn thấy (sử dụng loại đèn compact 36W)
Anot N-TiO2/KL Catot Than chì
Đèn compact
(-) (+)
Bình phản ứng Nguồn điện 1 chiều
• Các điều kiện: pH dung dịch, giá trị điện thế 1 chiều áp vào hệ sẽ được chọn trước mỗi thí nghiệm khảo sát (thiết bị cho phép điều chỉnh giá trị điện thế
một chiều)
o Khi khảo sát hoạt tính xúc tác quang điện hoá của vật liệu bán dẫn N-TiO2 theo thời gian, chọn pH = 10, điện thế cố định áp đặt vào hệ là 1,5V.
o Khi khảo sát hoạt động xúc tác quang điện hoá của vật liệu chế tạo theo giá trị điện thế 1 chiều áp lên điện cực (U > 0), môi trường pH dung dịch trong các thí nghiệm được đặt giống nhau, bằng 10.
Điện thế áp đặt vào mạch ngoài trong hệ xúc tác quang điện hố có
vai trị quan trọng trong việc kéo electron quang sinh về phía catot, chống lại sự tái kết hợp giữa electron e- và lỗ trống h+ quang sinh, do đó nâng cao hiệu quả của q trình xúc tác quang điện hố.
Khi nghiên cứu ảnh hưởng của điện thế áp đặt vào mạch ngồi của hệ
điện hố đến hiệu quả của quá trình xúc tác quang điện hoá, nhiều tác giả
[25, 33, 34] đã chỉ ra rằng đối với hệ điện hố có điện cực làm việc là TiO2
thì khoảng điện thế áp đặt tối ưu là trong khoảng từ 0,6 – 1,5V. Vì vậy, trong
đề tài này chúng tôi chọn khảo sát ảnh hưởng của điện thế ở các giá trị cố định U = 0,5 ; 1 ; 1,5 ; 2V
o Khi khảo sát hiệu quả xúc tác quang điện hoá của vật liệu theo pH của dung dịch mẫu thử, điện thế áp lên điện cực trong các thí nghiệm giống nhau,
bằng 1,5V.
o Khảo sát hiệu quả hoạt động xúc tác quang của vật liệu (U = 0, Hình 2.10)
Q trình thí nghiệm có chiếu sáng nhưng khơng áp điện thế. Dung dịch Rhodamine B có pH = 10
Hình 2.10 Hệ thống thí nghiệm khảo sát tính chất xúc tác quang của vật liệu bán dẫn (U = 0 V)