4.3. TÍNH CHẤT VẬT LIỆU CdS/Au/TiO 2 CẤU TRÚC NANO SỢI
4.3.4. Kết quả phân tích thuộc tính quang điện hóa tách nước
Hình 4.23. Mật độ dòng quang điện và hiệu suất chuyển đổi quang của các điện cực Au/TiO2, CdS/TiO2, Au/CdS/TiO2 và CdS/Au/TiO2
Thuộc tính quang điện hóa tách nước và hiệu suất chuyển đổi tương ứng của các điện cực Au/TiO2, CdS/TiO2, Au/CdS/TiO2 và CdS/Au/TiO2 được trình bày trong Hình 4.23.
104
Giá trị mật độ dòng quang điện bão hòa của các điện cực Au/TiO2, CdS/TiO2, Au/CdS/TiO2 và CdS/Au/TiO2 lần lượt là 0,5 mA/cm2, 3,2 mA/cm2, 4,3 mA/cm2 và 5,4mA/cm2 tại điện thế 0,6 V (đối với điện cực tham chiếu Ag/AgCl) (Hình 4.23 (a)). Hiệu suất chuyển đổi quang tăng tương ứng theo các cấu trúc trên và đạt giá trị cực đại 4% (tại 0,3V) ứng với điện cực có cấu trúc CdS/Au/TiO2. Ưu điểm của cấu trúc CdS/Au/TiO2 so với hai cấu trúc còn lại là CdS/TiO2 và Au/CdS/TiO2 do vai trò của các hạt nano Au nằm giữa hai lớp TiO2 và CdS, điều này sẽ được bàn luận cụ thể hơn ở phần sau. Kết quả này cũng được so sánh với một số kết quả được công bố gần đây ở Bảng 4.3.
Bảng 4.3. So sánh kết quả mật độ dòng quang ứng với điện cực CdS/Au/TiO2 của một số công trình.
Vật liệu Nguồn sáng kích thích
Dung dịch điện phân
j (mA/cm2) Tài liệu tham khảo
CdS/Au/TiO
2
nano ống
Xenon AM 1.5G P = 100 mW/cm
2
0,35 M Na2SO3 and 0,25 M
Na2S
~ 6 (tại 0V vs Ag/AgCl)
[101]
Au/CdS/TiO2 nano thanh
Xenon AM 1,5G 100 mW/cm
2
0,35 M Na2SO3
and 0,25 M Na2S
~ 3,5 (tại 0V vs Ag/AgCl)
[28]
CdS/Au/TiO2
nano thanh
Xenon AM 1.5G 100mW/cm
2
0,35 M Na2SO3 and 0,25 M
Na2S
~ 4,07 (tại 0V vs Ag/AgCl)
[50]
CdS/Au/TiO
2
nano sợi (Kết quả luận án)
Xenon 150 W 100 mW/cm
2
0,35 M Na2SO3
and 0,25 M Na2S
~ 5,4 (tại 0,6V vs
Ag/AgCl)
105
Kết quả của luận án so với một số công trình thấp hơn, nhưng cũng đã tiệm cận với một số kết quả khác. Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng của hệ vật liệu tổ hợp CdS/Au/TiO2 trong lĩnh vực PEC tách nước.
Hình 4.24. Sự phụ thuộc dòng quang điện vào thời gian điện phân ở chế độ bật-tắt ánh sáng (a) và mật độ dòng quang điện của các điện cực CdS/TiO2, Au/CdS/TiO2 và
CdS/Au/TiO2 khi kích thích bằng LED
Độ hồi đáp của điện cực làm việc CdS/Au/TiO2 cũng được kiểm tra bởi việc đo độ hồi đáp quang lặp lại theo chu kỳ bật/tắt của ánh sáng mặt trời tại một thế của 0 V (vs Ag/AgCl) như trình bày trong Hình 4.24(a). Kết quả cho thấy sự ổn định khá tốt của điện cực sau 8 vòng đo, mật độ dòng quang gần như lặp lại trạng thái ban đầu và độ hồi đáp là khá nhanh. Nghĩa là, khi ngắt ánh sáng dòng quang gần như bằng 0V, nhưng khi chiếu sáng dòng quang tăng rất nhanh gần như một đường thẳng và đạt đến giá trị không đổi. Kết quả này bước đầu cho thấy điện cực CdS/Au/TiO2 rất có triển vọng ứng dụng trong thực tế.
Để đánh giá vai trò của các hạt nano Au, chúng tôi khảo sát thuộc tính quang điện hóa của điện cực CdS/TiO2, Au/CdS/TiO2 và CdS/Au/TiO2 (chiếu xạ 15 phút) dưới ánh sáng kích thích của đèn LED xanh (L128-GRN), bước sóng 540 nm và cường độ phát quang 1,2 mW/cm2, kết quả đo được trình bày trong Hình 4.24(b). Từ đồ thị, ta thấy đối với điện cực CdS/TiO2 mật độ dòng quang hầu như bằng 0, bởi vì ánh sáng kích thích có năng lượng nhỏ hơn khe năng lượng của TiO2 và CdS nên không tạo ra được các quang điện tích tham gia quá trình điện phân. Đối với điện cực Au/CdS/TiO2 và CdS/Au/TiO2 mật độ dòng
106
quang tăng đạt giá trị lần lượt là 0,015 mA/cm2 và 0,025 mA/cm2 (tại 0,6 V vs Ag/AgCl), điều này do tác dụng hiệu ứng SPR của các hạt nano Au. Tuy nhiên, vai trò của Au trong hai cấu trúc trên là khác nhau nên làm giá trị mật độ dòng của chúng sẽ khác nhau. Điều này sẽ được bàn luận trong cơ chế ở phần sau.