4.2. TÍNH CHẤT VẬT LIỆU Au/TiO 2 CẤU TRÚC NANO SỢI
4.2.5. Kết quả phân tích thuộc tính quang điện hóa tách nước
Thuộc tính quang điện hóa tách nước của những điện cực chế tạo được đo với những điều kiện như đã trình bày chi tiết trong phần thực nghiệm.
Các tính chất quang điện hóa tách nước của điện cực Au/TiO2 với thời gian chiếu xạ khác nhau được trình bày ở Hình 4.14. Giá trị mật độ dòng quang điện bão hòa khoảng từ 0,4 mA/cm2 đến 1,2 mA/cm2 đối với Au/TiO2, giá trị này lớn hơn rất nhiều giá trị mật độ dòng quang điện của các dây nano TiO2 (0,3 mA/cm2) tại điện thế 0,9 V. Hiệu suất chuyển đổi quang tăng khi thời gian chiếu xạ tăng và đạt giá trị cực đại 0,52% (tại 0,5 V) ứng với điện cực có thời gian chiếu xạ 15 phút. Sự tăng giá trị mật độ dòng có nguyên nhân sự gia tăng kích thước và số lượng các hạt Au trên bề mặt sợi TiO2 khi thời gian chiếu tăng lên.
Khi số lượng hạt Au tăng lên, chẳng những làm giảm khả năng tái hợp của cặp điện tử - lỗ trống mà còn làm tăng hiệu quả của của việc tách cặp quang điện tích này do sự tương tác điện trường của TiO2 và Au. Tuy nhiên khi thời gian chiếu tăng lên, kích thước của hạt Au tăng nên năng lượng của chúng sẽ trở về những đặc tính của vật liệu khối điều này làm cho chúng đóng vai trò làm tâm tái hợp của cặp điện tử - lỗ trống. Hơn nữa, khi số lượng Au tăng lên sẽ làm giảm lượng photon đi vào bề mặt TiO2. Chính hai lý do này làm giảm mật độ dòng quang. Nên ta có thể thấy ứng với mẫu Au/TiO2 chiếu xạ 20 phút mật độ dòng
96
quang giảm đi so với mẫu chiếu xạ 15 phút [57]. Kết quả này cũng được so sánh với một số kết quả được công bố gần đây ở bảng 4.2.
Hình 4.14. Mật độ dòng quang điện và hiệu suất chuyển đổi quang của điện cực Au/TiO2 với thời gian chiếu xạ khác nhau.
Bảng 4.2. So sánh kết quả mật độ dòng quang ứng với điện cực Au/TiO2 của một số công trình.
Vật liệu Nguồn sáng kích thích
Dung dịch điện phân
j (mA/cm2) Tài liệu tham khảo TiO2 cấu trúc
lỗ xốp /Au
Xenon AM 1.5G P = 100 mW/cm2
Na2SO4 0,5 M ~ 0,75
(tại 1V vs RHE) [9]
TiO2 nano ống cấu trúc trật tư thẳng đứng/
Au
Xenon AM 1.5G P = 100 mW/cm
2
KOH 1M ~ 0,9
(tại 0,9V vs RHE)
[58]
TiO2 nano thanh cấu trúc
trật tự thẳng đứng/Au
Xenon AM 1,5 P = 100 mW/cm
2
KOH 1M ~ 0,61
(tại 0V vs Ag/AgCl)
[78]
TiO2 nano sợi/
CdS (Kết quả luận
án)
Xenon 150 W 100 mW/cm
2 Na2SO4 0,5 M
~ 0,34 (tại 0,9V vs
Ag/AgCl)
97
Độ ổn định của điện cực làm việc Au/TiO2 ứng với thời gian chiếu 15 phút 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 0,5V ( so với điện cực tham chiếu Ag/AgCl) như trình bày trong Hình 4.15(a).
Kết quả cho thấy sự ổn định khá tốt của điện cực sau 20 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 0, nhưng khi chiếu sáng dòng quang tăng rất nhanh gần như một đường thẳng và đạt đến giá trị không đổi. Độ bền cho điện cực trên khi điện phân được biểu diễn trên hình lồng vào của Hình 4.15(a). Ở đây hiệu điện thế được chọn khi điện phân là 0,5 V. Từ cho thấy mật độ dòng quang tương đối ổn định trong quá trình điện phân là 15 phút. Kết quả này bước đầu cho thấy điện cực Au/TiO2 rất có triển vọng ứng dụng trong thực tế.
Để đánh giá vai trò của các hạt nano Au trong cấu trúc Au/TiO2, chúng tôi khảo sát thuộc tính quang điện hóa của điện cực TiO2 và 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 4.15(b). Từ đồ thị, ta thấy đối với điện cực 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 nên không tạo ra được các quang điện tích tham gia phản ứng.
Đối với điện cực Au/TiO2 mật độ dòng quang tăng đạt giá trị 0,05 mA/cm2 (tại 0,6 V so với điện cực Ag/AgCl), điều này do tác dụng hiệu ứng SPR của các hạt nano Au.
Hình 4.15. Sự phụ thuộc dòng quang điện vào thời gian điện phân(a) và mật độ dòng quang điện của các điện cực TiO2 và Au/TiO2 với thời gian chiếu xạ 15 phút
khi kích thích bằng LED
98