c. So sánh động học các quá trình trao đổi điện tích trong pin DSSC
3.8.3. Kính hiển vi điện tử quét – SEM
SEM là một trong những phương pháp phân tích phổ biến nhất dùng để xác định
đặc tính của vật liệu, cấu trúc vi tinh thể và sự phân bố kích thước. Độ phân giải của phương pháp này đạt đến vài nanomet, cho phép điều chỉnh độ phóng đại từ 10 đến trên 1.000.000 lần.
Nguyên tắc của phép đo FE-SEM: điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử (có thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường...), sau đó được tăng tốc. Thế tăng tốc của SEM từ 10 kV đến 50 kV. Điện tửđược phát ra, tăng tốc và hội tụ thành một chùm điện tử
hẹp (cỡ vài trăm Angstrong đến vài nanomet) nhờ hệ thống thấu kính từ, sau đó quét trên bề mặt mẫu nhờ các cuộn quét tĩnh điện. Độ phân giải của SEM được xác định từ
kích thước chùm điện tử hội tụ. Ngoài ra, độ phân giải của SEM còn phụ thuộc vào tương tác giữa vật liệu tại bề mặt mẫu vật và điện tử. Khi điện tử tương tác với bề mặt
mẫu vật, sẽ có các bức xạ phát ra, sự tạo ảnh trong SEM và các phép phân tích được thực hiện thông qua việc phân tích các bức xạ này.
Hình 3.25. Hình ảnh hệ thống kính hiển vi điện tử FE-SEM
Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành chụp ảnh các mẫu bột, mẫu màng và bề dày lớp phim bằng kính hiển vi quét điện tử quét hiệu ứng trường FE-SEM tại trung tâm R&D, Khu Công Nghệ Cao Thành Phố Hồ Chí Minh, Phân viện bảo hộ lao động – Hà Nội (Hitachi S-4800 – Nhật Bản) và Viện Công nghệ Hóa học TPHCM.
Tạo mẫu chụp SEM khảo sát cấu trúc khung polymer trong gel điện ly [51,52].
Acetonitrile là một dung môi hữu cơ có độ phân cực trung bình, độ linh động cao, có khả năng hòa tan tốt I2, muối halogel và một số loại polymer. Acetonitrile những thông số vật lý đáng chú ý sau:
Bảng 3.1: Các thông số vật lý của acetonitrile
Acetonitrile
Công thức phân tử C2H3N
Nhóm Dung môi hữu cơ
Tỉ trọng 0,786 g/mL Khối lượng phân tử 41,05 g mol−1
Nhiệt độđông đặc −45 °C
Nhiệt độ sôi 82 °C
pKa 25
Để khảo sát được cấu trúc, trạng thái tập hợp và sự phân bố của polymer trong gel điện ly, cần cố định khung gel polymer và tách loại dung môi của hệ. Có một số
phương pháp đã được công bố trong các tạp chí quốc tế như phương pháp sấy bằng CO2, tẩm trích dung môi bằng CO2 siêu tới hạn…, tuy nhiên các phương này bộc lộ một hạn chế là thiết bị phức tạp và nhiệt độ tiến hành cao hơn điểm đông đặc của dung môi, cấu trúc khung polymer dễ bịảnh hưởng môi trường dung môi lỏng với áp suất cao.
Trong nghiên phạm vi cứu này, chúng tôi thực hiện phương pháp sấy thăng hoa dung môi ở nhiệt độ thấp trong môi trường chân không. Theo bảng thông số vật lý của dung môi (bảng 3.1), nhiệt độ đóng rắn của dung môi acetonitrile là -45oC, do đó, nhiệt
độ của quá trình loại dung môi ra khỏi gel điện ly bằng phương pháp sấy chân không ở
nhiệt độ thấp phải được thực hiện ở nhiệt độ dưới nhiệt độ đông đặc của dung môi. Trong nghiên cứu này, để minh chứng cho điều nói trên, nhiệt độ của quá trình sấy chân không ở nhiệt độ thấp được thực hiện tại 2 điểm nhiệt độ lân cận của điểm đông đặc dung môi là -45oC và -50oC.
Để cố định cấu trúc vật chất của hệ điện ly gel, một lượng nhỏ gel, khoảng 10 mg phủ thành một lớp mỏng trên bề mặt lam kính cần cấp đông, dung dịch nitơ lỏng
được sử dụng làm tác nhân lạnh. Mẫu gel được bỏ vào trong thiết bị chịu nhiệt bằng thép và ngâm trong môi trường nitơ lỏng 20 phút, sau đó nâng dần nhiệt độ của hệ lên
bằng bơm chân không hiệu OSAKA đặt tại phòng thí nghiệm Bộ môn Cơ sở, Khoa học Vật Liệu, trường Đại học Bách Khoa, thành phố Hồ Chí Minh.
Với mẫu chế tạo là một màng gel mỏng, lượng gel ít, khoảng 10 mg, thời gian 8 giờ trong môi trường chân không, là đủ dưđể lượng dung môi thăng hoa, thoát ra khỏi màng gel điện ly. Quá trình sấy được kết thúc bằng thao tác nâng nhiệt độ của hệ về
nhiệt độ phòng một cách từ từ, đồng thời với việc giữ áp lực chân không nhằm tiếp tục quá trình hóa hơi dung môi và tránh sự kết tinh của hơi nước trong không khí lên bề
mặt mẫu. Mẫu sau khi chế tạo xong được lưu trong lọ bi đậy kín nắp, trong lọ bi có chứa silica hút ẩm (silica đã sấy 200oC trong 8 giờ) nhằm tránh sự xâm nhập của hơi nước trong không khí đồng thời tiếp tục làm kiệt hơi dung môi trong mẫu gel còn sót lại, nếu có.
Quy trình và thiết bị tạo mẫu SEM bằng phương pháp sấy thăng hoa