CHƢƠNG 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.5. Nghiên cứu tính chất quang xúc tác của màng TiO2 và TiO2 pha
3.5.1. Bản chất của quá trình quang xúc tác
Phép đo quang điện hóa được tiến hành đo với màng TiO2 tinh khiết phủ trên điện cực kim loại Ti được nhúng trong dung dịch điện phân là Na2SO4 0.1 M với pH = 11, khoảng cách từ điện cực đến bóng đèn chiếu sáng là 18 cm, tốc độ quét là 20 mV/s trong khoảng thế từ -0,4 đến 0,7 V.
a. Khi điện cực chưa được chiếu sáng
Sau khi lắp đặt các điện cực, ta tiến hành phép đo khi điện cực không được chiếu sáng. Hình 3.5 trình bày đường cong I-V của điện cực TiO2 khi chưa được chiếu sáng. Đường cong ta thu được cũng tương tự đường I-V trong các báo cáo trước [25, 26].Trên hình 3.5 cho thấy khi quét thế từ -0.4 đến 0.7 V thì cường độ dịng điện thay đổi từ -27 µA đến 33 µA.
-0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 I( A ) U(V)
chua chieu sang
Hình 3.5. Đường cong I-V của điện cực TiO2 khi chưa được chiếu sáng
Nhìn vào đường cong ta có thể giải thích như sau: Khi điện thế điện cực làm việc âm thì các ion H+
sẽ di chuyển đến bề mặt điện cực làm việc để nhận electron, tại bề mặt điện cực làm việc xảy ra quá trình khử H+ thành khí H2 theo phương trình phản ứng :
Chính vì vậy, các electron đi ra khỏi điện cực làm việc và đi vào điện cực đếm nên cho ta dòng điện âm.
Khi điện thế điện cực làm việc dương các ion OH-
di chuyển tới bề mặt điện cực làm việc. Tại đó xảy ra q trình oxi hóa ion OH- thành khí O2 theo phương trình phản ứng:
2OH- - 2e → H2O + ½ O2↑ (2)
Điện cực làm việc nhận electron từ phản ứng nên cho ta dòng điện dương. Tóm lại khi tiến hành q trình điện hóa ta có thể thu được khí H2 hay O2 tùy thuộc vào thế của điện cực. Vậy khi điện cực được chiếu sáng, để chứng minh khả năng hấp thụ ánh sáng của màng TiO2 chúng tôi mong đợi rằng cường độ dòng sẽ lớn hơn tức là thu được lượng khí H2 nhiều hơn. Do đó trong các nghiên cứu tiếp theo để so sánh khả năng quang xúc tác của vật liệu này chúng tôi đã so sánh cường độ dòng quang thu được sau khi được chiếu sáng.
b. Khi điện cực được chiếu sáng
Giữ nguyên thí nghiệm như phần a nhưng ta bắt đầu chiếu sáng điện cực liên tục trong 5 phút, sau đó khi bắt đầu áp thế ta tắt ánh sáng trong 2 giây, bật ánh sáng 2 giây và lặp lại khi máy quét hết khoảng thế như xung ánh sáng trình bày trên hình vẽ 3.6. Máy ngừng đo ta thu được đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của cường độ dòng quang vào thế đối với màng như hình 3.7. Khi ta bật ánh sáng trong vòng 2 giây tương ứng với phần dương trong hình 3.6 là phần xung âm trong hình 3.7.
Hình 3.6 trình bày xung ánh sáng chiếu vào điện cực. Hình 3.7 trình bày sự phụ thuộc của cường độ dòng quang vào thế điện cực làm việc trong khoảng thế từ -0.4 đến 0.7 V.
-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 cu on g do anh sa ng Thoi gian (s) 5 phut -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 -1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0 200 I( A ) U(V) a. Chieu 5 phut b. Chua chieu sang c. y=o b c a Bat anh sang Tat anh sang Hình 3.6. Xung ánh sáng chiếu vào điện cực
Hình 3.7 .Sự phụ thuộc của cường độ dòng quang vào thế tại d=18 cm của màng TiO2 khi ánh sáng chiếu là bóng đèn cao áp thủy ngân
Trên hình 3.7 cho thấy sự phụ thuộc dịng quang vào thế điện cực làm việc khi được chiếu sáng bóng đèn cao áp thủy ngân trong thời gian 5 phút sau đó bắt đầu đo ở chế độ tắt bật 2 giây. Nhìn đồ thị ta thấy khi bật ánh sáng thì cường độ dịng quang bị sụt xuống phần âm tức là giảm từ 0 xuống hơn 800 µA tại thế -0.3 V và khi tắt ánh sáng cường độ dòng quang giảm dần về giá trị ban đầu. Hiện tượng đó chứng tỏ màng TiO2 có ảnh hưởng khi có tác dụng của ánh sáng do có xuất hiện dịng điện. Điều này ta có thể giải thích như sau:
Khi điện thế điện cực làm việc âm tại bề mặt điện cực vẫn xảy ra phản ứng khử H+ thành khí H2 như phương trình phản ứng (1) trên hình 3.8. Khi điện cực được chiếu sáng các electron được kích thích và chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn của màng TiO2 tạo thành electron dẫn. Nồng độ electron trên bề mặt điện cực lúc này tăng so với khi chưa được chiếu sáng nên cường độ dòng điện âm hơn so với khi chưa chiếu sáng. Nếu tắt ánh sáng kích thích, trên vùng dẫn của màng không đươc cấp thêm electron dẫn và một phần electron trên vùng dẫn lại nhảy xuống
vùng hóa trị tái hợp với các lỗ trống nên nồng độ electron giảm. Dẫn đến dòng điện giảm dần về giá trị ban đầu.
Hình 3.8. Sơ đồ quang điện hóa của màng TiO2 khi điện thế điện cực âm
Khi điện thế điện cực làm việc dương tại bề mặt điện cực vẫn xảy ra phản ứng oxi hóa OH-
thành khí O2 như phương trình phản ứng (2) trên hình 3.9 và nhường electron cho điện cực. Khi được chiếu sáng điện cực làm việc có thêm electron chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn làm giảm khả năng nhận electron nên dòng giảm.
Hình 3.9. Sơ đồ quang điện hóa của màng TiO2 khi điện thế điện cực dương
Đối với điện cực bán dẫn TiO2, khi được chiếu ánh sáng và tắt ánh sáng thì cường độ dịng quang thay đổi. Chứng tỏ ánh sáng kích thích có ảnh hưởng đến vật
Ta thấy điện cực được chiếu sáng ở những thời điểm khác nhau thì cho dạng đồ thị và cường độ dịng quang khác nhau. Chính vì vậy, tơi tiến hành khảo sát cường độ dòng quang theo thời gian chiếu sáng điện cực để tìm được sự phụ thuộc của cường độ dòng quang vào thời gian chiếu sáng.