4.1. TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU CdS/TiO 2 CẤU TRÚC NANO SỢI
4.1.5. 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.
Hình 4.6. Mật độ dòng quang điện và hiệu suất chuyển đổi quang của điện cực CdS/TiO2
với thời gian phủ CdS khác nhau.
Các tính chất quang điện hóa tách nước của điện cực CdS/TiO2 với thời gian phủ CdS khác nhau ở các nhiệt độ 80 oC được trình bày ở Hình 4.6. Giá trị mật độ dòng quang điện bảo hòa khoảng từ 2,5 mA/cm2 đến 3,4 mA/cm2 đối với CdS/TiO2, giá trị này lớn hơn rất nhiều giá trị mật độ dòng quang điện của các dây TiO2 (0,02 mA/cm2) tại điện thế 0V. Một kết quả đáng chú ý nữa là sự trôi thế mở mạnh hướng tới thế âm hơn của cấu trúc CdS/TiO2
87
sợi nano. Cụ thể là, cấu trúc TiO2 thế mở mạch là khoảng -0,2 V còn cấu trúc CdS/TiO2
thanh nano là –0,55 V. Kết quả này là nguyên nhân của sự hấp thụ ánh sáng lớn hơn của cấu trúc CdS/TiO2 dẫn tới sự tích tụ lớn mật độ hạt tải tại điện cực chủ yếu do quá trình chuyển các quang điện tử từ CdS đến bề mặt TiO2, điều này làm cho mức Fermi của hệ âm hơn và kết quả là sự trôi âm của thế mở mạch. Tất cả những kết quả này một lần nữa chứng tỏ rằng những thuận lợi của vật liệu CdS mang lại như đã đề cập ở trên. Kết quả này cũng được so sánh với một số kết quả được công bố gần đây ở Bảng 4.1.
Bảng 4.1. So sánh kết quả mật độ dòng quang ứng với điện cực CdS/TiO2 của một số công trình.
Vật liệu Nguồn sáng kích thích
Dung dịch điện phân
j (mA/cm2) (tại Vn = 0 V)
Tài liệu tham khảo
TiO2 nano sợi /CdS
Xenon 150 W Na2SO4 0,5 M ~ 0,6 [10]
TiO2 nano sợi/
CdS
Xenon 500 W 74 mW/cm
2
KOH 1M ~ 3,1
[52]
TiO2 nano thanh/CdS
Xenon AM 1,5 100 mW/cm
2
0,25M/0,35M Na2S/Na
2SO
3
~ 2,5 [89]
TiO2 NF/ CdS (Kết quả luận
án)
Xenon 1500 W 100 mW/cm2
0,25M/0,35M Na2S/Na
2SO
3
~ 3,4
Độ ổn định của điện cực làm việc CdS/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 0V (vs Ag/AgCl) như trình bày trong Hình 4.6(a). Kết quả cho thấy sự ổn định khá tốt của điện cực sau bảy 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 thì dòng quang gần như bằng 0, nhưng khi chiếu sáng thì dòng
88
quang tăng rất nhanh gần như một đường thẳng và đạt đến giá trị không đổi. Điều này chứng tỏ sự vận chuyển điện tử nhanh ở trong điện cực và điều này cũng chứng tỏ khả năng ứng dụng thực tế của điện cực. Hình 4.6(b) trình bày hiệu suất chuyển đổi quang của các điện cực CdS/TiO2. Ta có thể thấy hiệu suất ban đầu tăng khi tăng thời gian mọc CdS và đạt giá trị cực đại 3,2% ứng với điện cực với thời gian phủ CdS là 2 giờ và giảm khi thời gian phủ CdS tăng lên. Như vậy, khi lớp CdS đạt một chiều dày nhất định thì hiệu suất đạt cực đại (ứng với mẫu thời gian 2 giờ) và khi chiều dày lớp CdS trên sợi TiO2 vượt quá giá trị này thì giá trị mật độ dòng quang cũng như hiệu suất giảm xuống. Điều này được giải thích như sau, khi lượng CdS tăng lên sẽ làm tăng số lượng hạt cặp điện tử - lỗ trống được giải phóng điều này làm tăng mật độ dòng quang (nên hiệu suất cũng tăng theo). Khi bề dày lớp CdS quá dày dẫn tới tăng quãng đường di chuyển của hạt tải đến bề mặt của điện cực, do đó sự tái hợp của điện tử-lỗ trống tăng lên làm giảm lượng điện tích đến các điện cực mặc dù một lượng lớn các cặp điện tử-lỗ trống được sinh ra. Chính điều này làm giảm giá trị mật độ dòng quang [88].
Hình 4.7. Sự phụ thuộc dòng quang điện vào thời gian điện phân
Để đưa vào ứng dụng thực tế, độ bền của điện cực trong quá trình điện phân cũng là một yếu tố quan trọng. Chúng tôi tiến hành kiểm tra độ bền cho điện cực CdS/TiO2 (diện tích 1 cm2) với thời gian mọc CdS là 2 giờ được biểu diễn trên Hình 4.7. Ở đây hiệu điện thế được chọn khi điện phân là 0 V, nguồn sáng sử dụng là ánh sáng mặt trời 150 W của đèn Xenon với cường độ sáng 100 mW/cm2, dung dịch điện phân là hỗn hợp Na2S nồng độ
89
0,25 M và Na2SO3 nồng độ 0,35 M. Hình 4.7 ((a) và (b)) cho thấy mật độ dòng quang tương đối ổn định trong quá trình điện phân là 40 phút. Kết quả này bước đầu cho thấy điện cực CdS/TiO2 rất có triển vọng ứng dụng trong thực tế.