CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO VẬT LIỆU
3.1. Kết quả nghiên cứu chế tạo màng TiO2
3.1.4. Ảnh hưởng của môi trường ủ lên hiệu suất chuyển đổi quang-điện
màng TiO2
Hình 3.8 trình bày các đặc tính quang điện hóa của điện cực FTO/TiO2 sử dụng
bức xạ ánh sáng AM 1,5G (bức xạ mặt trời tiêu chuẩn dùng để đánh giá hiệu suất các loại PMT đặt tại mặt đất với công suất 1000 W/m2) và hệ thống khảo sát ba điện cực với dung dịch điện li là Kpi 1M. Các quang điện cực thể hiện đặc điểm của bán dẫn loại n-type khi mật độ dòng quang điện tăng lên theo sự tăng lên của điện thế áp vào. Dòng quang điện tăng từ khoảng 1,25 x 10-3 mA/cm2 lần lượt đến 0,18 mA/cm2 và 0,27 mA/cm2 ở 0,4 V (so với RHE) tương ứng với các mẫu TiO–Abi và TiO–Vac và đạt đến giá trị bão hòa trong khoảng điện thế áp từ 0,4 đến 1,5 V (Hình 3.8 (a)). Sự gia tăng của dòng quang điện là kết quả của sự gia tăng các điện tử được sinh ra do hấp thụ ánh sáng đồng thời khả năng thu điện tích (charge collection) của các điện cực được cải thiện nhờ sự suy giảm điện trở của vật liệu TiO2. Khi so sánh dòng quang điện, chúng ta có thể thấy giá trị của nó đối với điện cực TiO–Vac (0,27 mA/cm2) cao hơn của điện cực TiO–Abi (0,18 mA/cm2) ở điện thế 0,4 V (so với RHE). Ngồi ra, điện cực TiO–Vac có điện thế khởi động (Vonset) dương 0,15 V (so với RHE) cũng cao hơn khi so với điện cực TiO–Abi (0,09 V). Ở đây, chúng tôi cho rằng nồng độ oxy tăng lên đã làm tăng mức Fermi của TiO2, và do đó, nó làm tăng điện thế khởi phát của điện cực TiO2. Cụ thể như sau: trong bán dẫn loại n-type, mối quan hệ giữa nồng độ hạt tải (n) và vị trí của mức Fermi (𝐸𝐹𝑛) là:
𝑛 = 𝑁𝐶exp[−(𝐸𝐶−𝐸𝐹𝑛)
𝑘𝐵𝑇 ] (3.5)
Và tương tự cho bán dẫn thuần là:
𝑛𝑖 = 𝑁𝐶exp[−(𝐸𝐶−𝐸𝐹𝑖)
𝑘𝐵𝑇 ] (3.6)
Sau đó từ hai phương trình trên suy ra:
𝐸𝐹𝑛 − 𝐸𝐹𝑖 = 𝑘𝐵𝑇𝑙𝑛(𝑛
Trong đó, 𝐸𝐹𝑛, 𝐸𝐹𝑖, n và ni lần lượt là mức Fermi và nồng độ hạt tải trong bán dẫn loại n-type và bán dẫn thuần. Như vậy, vị trí mức Fermi trong loại n-type bị thay đổi so với mức Fermi của bán dẫn thuần phụ thuộc vào nồng độ điện tử (n) và tỷ lệ với nồng độ khuyết oxy trong chất bán dẫn TiO2. Nó ngụ ý rằng nồng độ khuyết oxy tăng lên, sau đó làm tăng mức Fermi của TiO2, và do đó, nó làm tăng điện thế khởi phát của điện cực TiO2. Do đó, chúng tơi đã quan sát thấy điện thế khởi phát thay đổi từ 0,09 đến 0,15 V (so với RHE) cho các điện cực được ủ trong khơng khí và chân khơng.
Hình 3.8. Phổ qt thế tuyến tính (a) và đường hiệu suất chuyển đổi quang điện (b)
được tính ra từ đường quét thế tuyến tính của các màng TiO2 được ủ trong khơng khí (TiO –Abi) và chân khơng (TiO – Vac)
Hình 3.8 (b) thể hiện hiệu suất chuyển đổi quang được tính từ đường qt thế
tuyến tính Hình 3.8 (a) theo phương trình sau: 𝜂(%) =𝐽(𝐸𝑜− |𝑉𝑅𝐻𝐸|)
𝑃𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒 × 100 (3.8)
Trong đó, Eo = 1.23 V là thế thuận nghịch chuẩn (standard reversible
potential), J là mật độ dòng quang (mA/cm2), VRHE là điện thế phân cực so với RHE (V) và P là mật độ công suất của ánh sáng tới (mW/cm2). Kết quả là hiệu suất chuyển đổi quang của mẫu TiO-Vac là 0,22 %, cao hơn của điện cực TiO-Abi (𝜂 = 0,15 %). Sự tăng cường hiệu suất chuyển đổi quang này theo chúng tơi nó có nguồn gốc từ việc tăng nồng độ khyết ô xy của các mẫu được ủ trong chân không như đã được bàn luận ở trên.
3.2. Kết quả nghiên cứu chế tạo dung dịch Au/TiO2 với kích thước và tỷ lệ Au khác nhau
Trong phần này, một số kết quả liên quan đến việc phát triển công nghệ chế tạo hệ hạt nano Au/TiO2 bằng phương pháp hóa khử từ dung dịch tiền chất HAuCl4 với chất khử là NaBH4. Đặc biệt, chúng tơi đã khảo sát vai trị cũng như sự ảnh hưởng của việc sử dụng chất hoạt động bề mặt PVP lên kích thước và phân bố của các hạt nano Au trong dung dịch.