Để khảo sát khả năng tiêm vào và rút lithium ra khỏi màng, chúng tôi đã xử lý từ giản đồ điện hóa CV ñể tính lượng điện tích tiêm vào màng (phần diện tích âm
Luận văn thạc sĩ
một chu kỳ quét thế. Giá trị này sẽ được khảo sát theo tốc độ quét thế và nhiệt độ xử lý nhiệt màng, cho bởi bảng 4.5và hình 4.12.
Bảng 4.5: Lượng điện tích tiêm vào và thoát ra của màng V2O5 (đơn vị mC/cm2)
10 mV/s 20 mV/s 50 mV/s 80 mV/s 100 mV/s Tiêm 20.388 18.726 14.739 13.959 13.147 300C Thoát 20.018 18.523 14.711 13.734 12.947 Tiêm 28.262 27.012 23.940 22.286 20.548 2000C Thoát 27.905 27.024 23.917 22.274 20.536 Tiêm 9.935 4.630 2.443 2.207 2.018 2500C Thoát 9.475 4.413 2.420 2.176 1.969 Tiêm 17.984 17.714 14.851 13.086 12.376 3000C Thoát 15.952 17.254 14.733 13.359 12.592 Tiêm 12.425 11.297 10.168 9.040 7.922 3500C Thoát 12.360 11.243 10.125 9.007 7.889 Tiêm 3.326 3.253 2.780 2.529 2.407 4000C Thoát 3.281 3.231 2.729 2.465 2.335
Hình 4.12: Lượng điện tích ion tiêm vào (trái) và rút ra khỏi màng (phải) ở các nhiệt độvà tốc độquét thế khác nhau
Nhiệt độ ủ Tốc độ quét thế
Luận văn thạc sĩ
Dựa vào bảng 4.5 và hình 4.12 ta thấy rằng khi tăng tốc độ quét lượng điện tích tiêm vào hay thoát ra đều giảm. Điều này có thể giải thích tương tự sự dịch đỉnh trong giản đồ CV, là do quán tính lớn của các ion Li+. Tốc độ quét thế nhanh làm cho các ion không kịp phản ứng hết với màng, hay nói cách khác, chưa kịp tiêm hết
cũng nhưrút hết ra khỏi màng, dẫn đến lượng điện tích trao đổi giảm. Qua đó thấy được rằng tốc độ quét 10 - 20mV/s là tốt nhất để khảo sát màng (lượng điện tích trao đổi lớn, phản ứng xảy ra gần nhưhoàn toàn). Điều này phù hợp với nhận định từ giản đồ CV.
Lượng điện tích trao đổi của màng mới phủ là khá cao (>20 mC/cm2), cho thấy màng có khả năng điện hóa rất tốt. Tuy nhiên, sau khi được xử lý nhiệt ở
200oC, lượng điện tích trao đổi tăng thêm và đạt giá trị lớn nhất trong các mẫu xử lý
nhiệt. Các mẫu ủ ở nhiệt độ cao hơn có điện tích trao đổi giảm, trong đó đáng chú ý là mẫu ủ nhiệt 400oC có điện tích nhỏ nhất. Kết quả này, một lần nữa khẳng định
các kết quả rút ra từ phổ XRD và CV.
Lượng điện tích tiêm vào và thoát ra không bằng nhau: lượng điện tích tiêm vào trong quá trình nhuộm màu luôn lớn hơn lượng điện tích xả ra trong quá trình tẩy màu. Điều này chứng tỏ quá trình tẩy màu không diễn ra hoàn toàn và vẫn còn một lượng nhỏ ion Li+ xuyên sâu trong màng tạo thành cấu trúc LixV2O5. Kết quả này tương đồng với nhiều kết quả được công bố về màng điện sắc V2O5 và WO3.
Từ lượng điện tích trao đổi, dễ dàng xác định được lượng lithium tiêm vào và rút ra khỏi màng (giá trị của x) bằng các công thức sau [44]:
(4.2)
Trong đó, MLi+ là số mol ion Li+ tiêm vào (hoặc rút ra) màng, MV2O5 là số
mol Oxide vanadium trong màng; V là thể tích của lớp màng; D là mật độ khối của
màng (~ 3,371 g/cm3); m là khối lượng phân tử gam V2O5, q là lượng điện tích trao đổi; qe- là điện tích của điện tử và N là hằng số Avogadro. Giá trị x tính toán được thay đổi theo tốc độ quét thế và nhiệt độ ủ cho bởi hình 4.13.
Luận văn thạc sĩ
Hình 4.13: Lượng ion lithium tiêm vào (trái) và rút ra khỏi màng (phải) ở các nhiệt độvà tốc độquét thế khác nhau
Dựa vào đồ thị trên, kết hợp với giá trị x của các pha LixV2O5 trong chương 1, ta thấy trong tất cả các trường hợp trên, lượng lithium/V2O5 được tiêm vào màng
ñều nhỏ hơn 1. Điều này chứng tỏ, quá trình điện hóa diễn ra trong trạng thái thuận
nghịch, tức là ion Li+ có thể được rút hết ra khỏi màng. Điều này có vẻ mâu thuẫn với nhận định ở trên về lượng điện tích trao đổi. Để làm rõ, lượng lithium bị bẫy lại trong màng sau một chu kỳ tiêm – rút với các tốc độ quét và nhiệt độ ủ cho bởi
bảng 4.6.
Bảng 4.6: Lượng lithium/V2O5còn lại trong màng sau quá trình rút ion
Tốc độ quét thế (mV/s) Nhiệt độ ủ (oC) 10 20 50 80 100 30 0.010 0.006 0.001 0.006 0.006 200 0.010 <0.001 0.001 <0.001 <0.001 250 0.013 0.006 0.001 0.001 0.001 300 0.057 0.013 0.003 0.008 0.006 350 0.002 0.002 0.001 0.001 0.001 400 0.001 0.001 0.001 0.002 0.002
Luận văn thạc sĩ
Ta thấy, trừ mẫu ủ nhiệt 300oC, tốc độ quét thế 10 mV/s, các trường hợp
khác ñều có lượng lithium bị bẫy ≤0,013 Li/V2O5. Con số này là nhỏ và không đáng kể so với lượng lithium tiêm vào màng (bảng 4.6) cũng như lượng lithium bị bẫy ở lại màng trong trạng thái tiêm – rút không thuận nghịch (từ 0,4 – 0,5 Li/V2O5, [21, 22, 29]). Như vậy, các phản ứng điện hóa của màng V2O5 được đo ở trên ñều diễn ra thuận nghịch cùng với một lượng nhỏ lithium bị bẫy lại trong màng.