Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu đặc trưng phổ quét thế tuần hoàn của lớp màng mỏng polianilin tổng hợp bằng phương pháp điện hóa

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
----------------------

LÊ THỊ LÝ

NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG
PHỔ QUÉT THẾ TUẦN HOÀN
CỦA LỚP MÀNG MỎNG POLIANILIN TỔNG
HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Hóa lý

HÀ NỘI – 2018


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
----------------------


LÊ THỊ LÝ

NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG
PHỔ QUÉT THẾ TUẦN HOÀN
CỦA LỚP MÀNG MỎNG POLIANILIN TỔNG
HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Chuyên ngành: Hóa lý

Người hướng dẫn khoa học

PGS. TS. Phan Thị Bình

HÀ NỘI – 2018


LỜI CẢM ƠN
Với tấm lòng tri ân và biết ơn chân thành, em xin được bày tỏ lời cảm
ơn sâu sắc tới PGS.TS. Phan Thị Bình đã trực tiếp giao đề tài, hướng dẫn tận
tình và tạo điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành khóa luận tốt nghiệp
này.
Em xin chân thành cảm ơn các Thầy (Cô) giáo Phòng Điện hóa ứng
dụng Viện Hóa học - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam,
Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2 đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp em
hoàn thành khóa luận này.
Cuối cùng, em xin được bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè đã luôn
động viên, khích lệ và tạo mọi điều kiện vật chất và tinh thần để em hoàn
thiện được khóa luận của mình.
Mặc dù bản thân đã cố gắng rất nhiều để thực hiện đề tài một cách hoàn
chỉnh nhất, song không thể tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy, em rất mong
nhận được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn để khóa luận của em được
hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên

Lê Thị Lý

i


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan khóa luận là kết quả của sự cố gắng và nỗ lực nghiên
cứu của bản thân dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS. Phan Thị Bình.
Các số liệu, kết quả trình bày trong khóa luận là hoàn toàn thu được từ
thực nghiệm, trung thực và không sao chép.

Sinh viên

Lê Thị Lý

ii


MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU

1

Chương 1: TỔNG QUAN

3

1.1. Tổng quan về polianilin

3

1.1.1. Giới thiệu chung về polianilin

3

1.1.2. Cấu trúc

3

1.1.3. Tính chất

5

1.1.4. Tổng hợp

7

1.1.5. Ứng dụng

10

1.2. Các phương pháp nghiên cứu

11

1.2.1. Phương pháp quét thế tuần hoàn (CV)

11

1.2.2. Phương pháp thế tĩnh

15

Chương 2: THỰC NGHIỆM

17

2.1. Hóa chất

17

2.2. Dụng cụ

17

2.3. Thiết bị

17

2.4. Tiến hành thực nghiệm

18

2.5. Phương pháp nghiên cứu

19

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

20

3.1. Ảnh hưởng của tốc độ quét thế

20

3.2. Ảnh hưởng của số chu kỳ quét thế

23

3.3. Ảnh hưởng của thời gian điện phân thế tĩnh

27

KẾT LUẬN

31

TÀI LIỆU THAM KHẢO

32

iii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Tiếng Anh

Tiếng Việt

PANi

Polyaniline

RE

Reference Electrode

Điện cực so sánh

WE

Working Electrode

Điện cực làm việc

CE

Counter Electrode

Điện cực đối

CV

Cyclic Voltammetry

Quét thế tuần hoàn

Polianilin

iv


DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1.

Vai trò của điện thế đối với các trạng thái oxy hóa – khử

5

của PANi
Hình 1.2.

Đường CV của PANi trong dung dịch HCl 1 M ở tốc độ

6

quét thế 50 mV/s
Hình 1.3.

Sơ đồ tổng hợp PANi bằng phương pháp điện hóa

9

Hình 1.4.

Đồ thị mối quan hệ E-t trong phương pháp quét thế vòng

12

Hình 1.5.

Quan hệ giữa dòng điện - điện thế trong quét thế tuần

13

hoàn
Hình 1.6.

Đồ thị với hệ thống bất thuận nghịch

14

Hình 1.7.

Đồ thị quét thế tuần hoàn được mô phỏng vớ i cá c hằng

15

số tốc độ ks khá c nhau
Hình 1.8.

(a)Bước nhảy điện thế (b)sự suy giảm nồng độ chất hoạt

16

động điện hóa (c)sự phụ thuộc của dòng điện theo thời
gian
Hình 2.1.

Thiết bị đo tổng trở & điện hóa IM6

17

Hình 3.1.

Phổ quét thế tuần hoàn của điện cực Pt/PANi trong
H2SO4

21

0,5 M khảo sát ở 50 mV/s với 5 chu kỳ quét thế (mẫu
được tổng hợp với 20 chu kỳ quét thế ở các tốc độ khác
nhau (a)20 mV/s, (b) 30 mV/s, (c) 40 mV/s, (d) 50
Hình 3.2.

mV)
So sánh chu kỳ thứ nhất của các đường cong quét CV

21

trên hình 3.1
Hình 3.3.

Sự ảnh hưởng của tốc độ quét thế khi tổng hợp điện cực

23

Pt/PANi đến giá trị dòng pic oxy hóa khử của màng
PANi.
Hình 3.4.

Đường cong quét CV của Pt/PANi trong H2SO4 0,5M

25
v


khảo sát ở tốc độ 50 mV/s với 5 chu kỳ quét thế. Mẫu
được tổng hợp với các chu kỳ khác nhau (a) 10 ck, (b)
15 ck, (c) 20ck, (d) 25 ck, (e)30 ck
Hình 3.5.

So sánh chu kỳ thứ nhất của các đường cong quét CV

25

trên hình 3.4
Hình 3.6.

Sự ảnh hưởng của số chu kỳ quét thế khi tổng hợp điện

27

cực Pt/PANi đến mật độ dòng pic oxy hóa khử của màng
PANi
Hình 3.7.

Phổ quét thế tuần hoàn của điện cực Pt/PANi trong
H2SO4

28

0,5 M khảo sát ở 50 mV/s. Mẫu được tổng hợp ở chế độ
20 chu kỳ với tốc độ quét thế 20 mV/s kết hợp với thời
gian điện phân tĩnh khác nhau (a) 60s, (b) 90s, (c)
Hình 3.8.

120s
So sánh chu kỳ thứ nhất của các đường cong quét CV

29

trên hình 3.7.

vi


MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ thì ngày nay việc thay đổi
những vật liệu truyền thống bằng những vật liệu có tính năng ưu việt hơn ngày
càng được quan tâm. Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã nghiên
cứu và tìm ra những vật liệu giá rẻ dễ tổng hợp, trong đó có vật liệu polyme
dẫn. Trong số các polyme dẫn thì polianilin tạo sự chú ý nhiều nhất đối với
các nhà khoa học bởi nó có những ưu điểm vượt trội về độ bền trong môi
trường, độ dẫn điện tốt, dễ tổng hợp được bằng các phương pháp khác nhau và
dễ liên kết với các linh kiện điện tử… Do tính ưu việt của nó về mặt vật lý,
hóa học, quang học nên PANi ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh
vực và cuộc sống như: chế tạo điện cực, chống ăn mòn kim loại,… Nó có vai
trò lớn trong các thiết bị lưu trữ, có tiềm năng lớn trong siêu tụ điện. PANi có
thể lai ghép được với các oxit kim loại, muội cacbon hoặc graphen hay ống
nano cacbon để cải thiện khả năng ứng dụng của chúng vào thực tế. Tổng hợp
PANi có thể thực hiện bằng hai phương pháp chính: phương pháp hóa học và
điện hóa. Tổng hợp bằng phương pháp hóa học có nhược điểm là khó khống
chế tốc độ của phản ứng so với phương pháp điện hóa. Trong khi đó tổng hợp
bằng phương pháp điện hóa có nhiều ưu điểm hơn như có thể điều chỉnh được
độ dày của màng khi tổng hợp thông qua số chu kỳ quét trong phương pháp
quét thế tuần hoàn (CV) hay điều chỉnh thời gian như trong phương pháp thế
tĩnh và dòng tĩnh. Chính vì vậy tổng hợp PANi bằng con đường điện hóa là
phương pháp được dùng nhiều nhất.
Trong khóa luận này em chọn đề tài “Nghiên cứu đặc trưng phổ quét
thế tuần hoàn của lớp màng mỏng Polianilin tổng hợp bằng phương pháp
điện hóa”.
Nội dung khóa luận bao gồm:
- Tổng quan tài liệu liên quan đến đề tài.
1


- Tổng hợp lớp màng mỏng Polianilin bằng phương pháp quét thế tuần
hoàn kết hợp với thế tĩnh.
- Khảo sát tính chất của lớp màng PANi đã tổng hợp dưới các điều kiện:
+ Thay đổi tốc độ quét thế tuần hoàn
+ Thay đổi số chu kỳ quét thế.
+ Ảnh hưởng của thời gian điện phân thế tĩnh trước giai đoạn quét thế
tuần hoàn.
Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu tài liệu: tổng quan về PANi và các phương pháp tổng hợp.
- Thực nghiệm:
+ Tổng hợp PANi bằng phương pháp CV kết hợp thế tĩnh
+ Khảo sát tính chất điện hóa.

2


Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về polianilin
1.1.1. Giới thiệu chung về polianilin
Vật liệu polyme dẫn điện đã được nghiên cứu và được ứng dụng thành
công trong nhiều lĩnh vực như công nghệ điện tử tin học, chế tạo các điôt phát
quang, làm các màn hình siêu phẳng, chống ăn mòn kim loại,…Polyme dẫn có
thể được tổng hợp bằng hai phương pháp là phương pháp hóa học và phương
pháp điện hóa. Một số loại polyme dẫn đã được tổng hợp: polianilin,
polipyrol, poliacetylen, polithiophen. Trong đó polianilin là một polyme thông
dụng, được chế tạo và ứng dụng rộng rãi do giá thành chế tạo thấp, bền với
môi trường.
Polianilin thường được viết tắt là PANi là một polyme dẫn điện của họ
polyme bán linh hoạt. Hợp chất này được phát hiện cách đây 150 năm nhưng
từ năm 1980 thì PANi mới thu hút sự chú ý của các nhà khoa học.
PANi là một chất cao phân tử được trùng hợp từ nhiều monome anilin.
Chúng là polyme dị hình, các mắt xích nối với nhau bởi các liên kết Nitơ và
Cacbon (N-C). PANi có độ bền oxi hóa trong môi trường tự nhiên, có khả
năng ứng dụng cao trong kĩ thuật [8] và có ứng dụng rộng rãi như pin [17],
cảm biến [11,12], thiết bị điện tử [18], siêu tụ [22] vì vậy hiện nay nó trở
thành một trong các loại polyme dẫn diện điển hình được tập trung nghiên cứu
nhiều.
1.1.2. Cấu trúc
PANi là một chuỗi dài gồm các phân tử anilin liên kết mới nhau:

x là một nửa mức độ trung hòa (DP)

3


PANi có thể tồn tại ở nhiều trạng thái oxi hóa khác nhau trong đó ứng với
mỗi trạng thái có cấu trúc khác nhau tương đương với các màu sắc khác nhau.
Các trạng thái oxi hóa khử cụ thể như sau:
a) Leucoemeraldine (LE): (C6H4NH)x [22]
+ Trạng thái khử cao nhất: n=1, m=0
+ Màu sắc: có màu vàng đến xanh nhạt
+ Cấu trúc:

b) Emeraldine (EM) [22]
+ Trạng thái oxi hóa một nửa: m=n là hình thức chủ yếu của PANi,
ở một trong hai dạng trung tính hay pha tạp với liên kết imine
các nitrogen của một axit.
+ Màu sắc: màu xanh lá cây hoặc xanh nước biển.
+ Cấu trúc:

c) Pernigranilin (PE): (C6H4N)x
+ Trạng thái oxi hóa hoàn toàn: n=0, m=1 với các liên kết imine
thay vì liên kết amin.
+ Màu sắc: màu xanh nước biển đến tím
+ Cấu trúc:

Ngoài ba trạng thái cơ bản là Leucoemeraldine (màu vàng), Emeraldine
4


(màu xanh lá cây) và Pernigranilin (màu xanh tím) thì PANi còn tồn tại ở
dạng muối emeraldin.
PANi ở các dạng khác nhau thì khác nhau về tính chất hóa học cũng như
tính chất vật lý.

Hình 1.1: Vai trò của điện thế đối với
các trạng thái oxy hóa – khử của PANi [9]
1.1.3. Tính chất

a. Tính chất thay đổi màu sắc
PANi có tính điện sắc vì màu của nó thay đổi do phản ứng oxi hóa khử
của màng [7]. Tùy vào phản ứng oxi hóa khử ở các thế khác nhau mà PANi
thể hiện nhiều màu từ vàng nhạt đến xanh lá cây, xanh thẫm và tím đen [6].
Khi ta cài thêm chất khác thì sự thay đổi màu sắc của PANi đa dạng hơn.
Ví dụ cài thêm ion Cl- thì màu sắc của PANi có thể thay đổi từ màu vàng
(trạng thái khử) sang màu xanh (trạng thái oxi hóa).

5


Nhờ vào tính diện sắc mà ta có thể quan sát và biết được trạng thái tồn
tại của PANi.

ESCE (V)

Hình 1.2: Đường CV của PANi trong dung dịch HCl 1 M
ở tốc độ quét thế 50 mV/s [7]
b. Tính chất hóa học [9]
Tính chất hóa học mạnh nhất của PANi là thuộc tính trao đổi anion và là
tính khác biệt với những polyme trao đổi ion thông thường.
c. Tính ổn định nhiệt
- PANi ổn định nhiệt tốt (trên 4000C trong N2)
- Các ion đối trong chuỗi PANi có ảnh hưởng đến đặc tính ổn định
nhiệt của chính nó.
d. Tính dẫn điện
PANi có hệ thống nối đôi liên hợp dọc toàn bộ mạch phân tử hoặc trên
những đoạn lớn của mạch, đây là sự nối tiếp của các liên kết đơn C – C và
liên kết đôi C = C, tạo nên những đám mây electron



linh động có thể

dịch chuyển từ đầu chuỗi đến cuối chuỗi polyme một cách dễ dàng nên nó là
một hợp chất hữu cơ dẫn điện. Độ dẫn điện của PANi nằm trong khoảng 108

– 400 S/cm. Như vậy có thể thấy PANi tồn tại ở cả trạng thái cách điện


và dẫn điện trong đó muối emeraldin có độ dẫn điện cao nhất và ổn định
nhất [7]. Tính dẫn của các muối emeraldin PANi.HA phụ thuộc vào nhiệt
độ, độ ẩm cũng như phụ thuộc vào dung môi. Ngoài ra điều kiện tổng hợp
có ảnh hưởng đến việc hình thành sai lệch hình thái cấu trúc polyme dẫn
đến làm thay đổi tính dẫn điện của vật liệu. Ảnh hưởng lớn nhất là mức độ
pha tạp proton. Độ dẫn đạt cực đại ở 50% proton hóa [1,4].
Bảng 1.1. Độ dẫn điện của PANi trong một số môi trường axit [10]
Độ dẫn điện

Độ dẫn điện

Axít

(S/cm) * 10-2

Axít

(S/cm) * 10-2

H2SO4

9,72

H3PO4

8,44

HCl

9,14

HClO4

8,22

HNO3

8,63

H2C2O4

7,19

Khi ta doping một số ion lạ ví dụ: Cl-, Br-, I-, ClO4-… vào mạch
polyme thì tính dẫn điện của PANi sẽ thay đổi theo. Nguyên nhân dẫn đến sự
tăng độ dẫn là do khi ta doping thêm các ion lạ vào mạch PANi thì nó
chuyển sang
dạng muối làm tăng tính dẫn của PANi.
Ngoài khả năng dẫn điện PANi còn có khả năng tích trữ năng lượng cao
nên được sử dụng làm vật liệu chế tạo nguồn điện thứ cấp: ắc quy, tụ điện
[5].
1.1.4. Tổng hợp
PANi được tạo ra trong dung môi nước hoặc dung môi không nước,
sản phẩm tạo ra ở dạng emeraldin có màu xanh đen.
Có 2 phương pháp tổng hợp PANi: phương pháp hóa học và điện
hóa.
a) Phương pháp hóa học: có thể tạo ra vật liệu PANi ở dạng bột theo
phản ứng (1) [2].


Cơ chế phản ứng polyme hóa khi tổng hợp PANi như sau [4]:
Chất oxi hóa
Monome

Radical cation
Radical trime

Radical cation + Monome
Radical trime

Tiếp tục

Polyme

Quá trình tổng hợp PANi thường có mặt chất xúc tác là tác nhân oxy hóa.
Tác nhân oxi hóa thường dùng là amonipesunfat (NH4)2S2O8 tạo ra sản phẩm
có khối lượng phân tử rất cao và độ dẫn tối ưu hơn các chất oxi hóa khác.
PANi tổng hợp bằng phương pháp hóa học thường có cấu tạo mạch
thẳng, chưa được oxi hóa hay tạo muối gọi là leucoemeraldin.
Để tăng khả năng phân tán của PANi người ta sử dụng chất hoạt động bề
mặt DBSA là một chất có chứa proton và làm tăng khả năng hòa tan của PANi
trong dung môi hữu cơ.
Tổng hợp PANi bằng phương pháp hóa học khó điều khiển hơn so
với phương pháp điện hóa vì ngoài phản ứng polyme hóa thì anilin còn tham
gia vào một số phản ứng phụ khác.
b) Phương pháp điện hóa:


Nguyên tắc của phương pháp là dùng dòng điện tạo nên sự phân cực với
điện thế thích hợp sao cho đủ năng lượng để oxi hóa monome trên bề mặt
điện cực, khơi mào cho polyme hóa điện hóa tạo màng dẫn điện phủ lên bề
mặt điện cực làm việc (WE). Đối với anilin, trước khi polyme hóa điện hóa
thì anilin được hòa tan trong dung dịch axit như H2SO4, HCl, (COOH)2,…

Hình 1.3 Sơ đồ tổng hợp PANi bằng phương pháp điện hóa [23]
Cơ chế tổng hợp PANi bằng phương pháp điện hóa [6]:
+ Khuếch tán và hấp phụ anilin
+ Oxy hóa anilin
+ Hình thành polyme trên bề mặt điện cực
+ Ổn định màng polyme.
Trong đó giai đoạn khuếch tán và hấp phụ sẽ quyết định đến quá trình
tạo màng polyme.
Các phương pháp điện hóa để tổng hợp PANi:


Thế tĩnh: áp điện thế không đổi và đo dòng phản hồi theo thời gian,
thiết lập đường cong phân cực i – t.
Dòng tĩnh: áp dòng điện không đổi và đo điện thế theo thời gian, thiết
lập đường cong phân cưc E – t.
Quét thế tuần hoàn: quét thế từ Ebắt đầu đến Ecuối và ngược lại, ghi lại sự
thay đổi dòng điện theo điện thế, thiết lập đường cong phân cực i – E.
 Ưu điểm của phương pháp tổng hợp điện hóa là có độ tin cậy và ổn
định cao, độ tinh khiết cao, tất cả các quá trình quá trình phản ứng điện hóa
đều
xảy ra trên bề mặt điện cực [1]. Sản phẩm PANi thu được từ phương pháp
tổng hợp điện hóa được áp dụng nhiều trong thực tế như chế tạo các cảm biến
điện hóa đáp ứng cho phân tích môi trường, làm linh kiện điện tử hay chế tạo
siêu tụ điện hóa.
Tuy nhiên, trong các phương pháp tổng hợp điện hóa thì màng PANi
được chế tạo bằng phương pháp quét thế tuần hoàn CV có bám dính trên bề
mặt điện cực tốt hơn, đồng thời cho phép theo dõi được tính oxi hóa khử của
PANi trong suốt quá trình phân cực. Lớp màng PANi có thể tổng hợp được
trên nhiều nền kim loại khác nhau như vàng, platin, thủy tinh dẫn điện,…
trong đó có nhiều công trình liên quan đến nền platin đã được công bố. Tuy
nhiên, các công bố này đưa ra các kết quả về sản phẩm PANi được tổng hợp
chủ yếu bằng phương pháp quét thế tuần hoàn hoặc dòng tĩnh hay thế tĩnh
riêng rẽ mà chưa có sự kết hợp đan xen giữa quét thế tuần hoàn và thế tĩnh
trên nền platin. Vì vậy trong khuôn khổ khóa luận này tôi muốn nghiên cứu
khảo sát tính chất điện hóa thông qua các phổ CV của lớp màng mỏng PANi
được tổng hợp trên nền platin bằng kĩ thuật điện hóa đan xen giữa hai phương
pháp đó là quét thế tuần hoàn và thế tĩnh.
1.1.5. Ứng dụng
PANi được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp: chế tạo điện cực
của pin, thiết bị điện sắc, cố định enzim, chống ăn mòn kim loại… do có


nhiều tính ưu việt [21, 24].
PANi tương đối rẻ vì giá thành monome của nó thấp hơn so với
monome khác như pyrol. Nhờ có ba trạng thái oxi hóa tương ứng với các
màu sắc khác nhau và có phản ứng doping axit/bazơ mà PANi hấp dẫn đối
với bộ cảm biến hỗn hợp axit/bazơ, các tụ siêu tụ và các cảm biến điện hóa
[13, 22]. PANi cũng thích hợp cho sản xuất các loại sợi dẫn điện, lớp phủ
chống tĩnh điện hay che chắn điện từ và các điện cực.
PANi có thể thay thế một số vật liệu như Silic hay gecman do có tính
dẫn điện cũng như được sử dụng để chế tạo các thiết bị điện tử: điot, linh
kiện bộ nhớ… Do có khả năng bám dính cao, có điện thế dương nên màng
PANi có khả năng chống ăn mòn, bảo vệ kim loại cao. Dạng pernigranilin
màu xanh thẫm – trạng thái oxi hóa cao nhất của PANi có khả năng ngăn
chặn sự tấn công của axít hay môi trường ăn mòn [6].
PANi có thể sử dụng để chế tạo sen sơ khí dựa trên nguyên lý sự thay
đổi điện trở thông qua quá trình hấp thụ khí trên bề mặt điện cực như sen sơ
đo oxy và NH3 [12,19].
1.2. Các phương pháp nghiên cứu
1.2.1. Phương pháp quét thế tuần hoàn (CV) [2,3]
Phương pháp quét thế tuần hoàn (CV) được dùng để xác định hệ số
khuếch tán D và xem xét sự biến thiên thuận nghịch (khả năng có thể phóng
và nạp) của vật liệu nghiên cứu (điện thế biến thiên tuyến tính theo thời
gian).
Nguyên lý làm việc:


E (V)
E2
E1





 (s)

Hình 1.4: Đồ thị mối quan hệ E-t trong phương pháp quét thế vòng
- Biến thiên điện thế theo thời gian:
Khi 0 <  <

Khi   

==>

  1  v.

==>

E = E2


v(
Trong đó: v là tốc độ quét thế trong khoảng 0 ÷ 1000 (mV/s)
Khi  > 

==>

 là thời điểm đổi chiều quét thế (s)
 là thời gian quét thế (s)
E1 và E2 là điện thế quét bắt đầu và cuối (V)
- Mỗi pic xuất hiện khi ta quét thế về phía âm ứng với quá trình khử,
mỗi pic xuất hiện khi ta quét thế về phía dương ứng với quá trình oxi hóa. Sự
xuất hiện các pic oxi hóa, khử cho phép đánh giá về hoạt tính điện hóa của
vật liệu cũng như độ thuận nghịch hay bất thuận nghịch.
Với hệ thuận nghịch:
Hình 1.5 phản ánh mối quan hệ giữa dòng điện đáp ứng với điện thế
trong phương pháp quét thế tuần hoàn.
Ip,c = -2,69.105.n3/2.A.Do.Co.v1/2
Trong đó:
A: diện tích điện cực
n: số electron tham gia phản ứng điện cực
Do: hệ số khuếch tán

(2)


Co: nồng độ ban đầu của chất oxy hóa (mol/ml)
v: tốc độ quét thế (mV/s)
Dòng pic phụ thuộc tuyến tính vào căn bậc 2 của tốc độ quét thế.

Hình 1.5. Quan hệ giữa dòng điện - điện thế trong quét thế tuần hoàn
Ở điều kiện tiêu chuẩn (298 K), khoảng cách vị trí pic oxy hóa và khử sẽ
là:

| Ep,c - Ep,a | = 58 �




|

����,
����,

|=1

Với: Ep,c: điện thế pic catot
Ep,a: điện thế pic anot
Ip,a: dòng pic anot
Ip,c: dòng pic catot
n: số điện tích trao đổi
Đặc tính: +) ∆Ep nhỏ, không phụ thuộc vào tốc độ quét thế
+) ∆Ep không phụ thuộc nhiều vào A
+) Ip,a / Ip,c không phụ thuộc vào v, D


Với hệ bất thuận nghịch:

Hình 1.6. Đồ thị với hệ bất thuận nghịch [3]
- Dòng điện cực đại:
Ip,c = -2,99.105n((1-α)n’)1/2ACoDo1/2v1/2

(3)

Trong đó :
n là số điện tử trao đổi
n’ là số điện tử trao đổi trong giai đoạn khống chế
α là hệ số chuyển điện tích (0 < α < 1)
A là diện tích điện cực (cm2)
Do là hệ số khuếch tán (cm2/s)
Co là nồng độ ban đầu của chất oxy hóa (mol/ml)
v là tốc độ quét thế
- Khoảng cách vị trí pic oxy hóa và khử sẽ là:

| Ep,c - Ep,a | > 58
�




����,��

|
≠ 1

|


��
�,

Vị trí pic sẽ thay đổi nếu ta thay đổi tốc độ quét thế (hình 1.7).


I (mA)

E (V)

Hình 1.7. Đồ thị quét thế tuần hoàn được mô phỏng
vớ i cá c hằng số tốc độ ks khá c nhau [2]
- Đặc tính: +) ∆Ep tăng
+) Ip,a hoặc Ip,c giảm
+) Dòng pic phụ thuộc vào hệ số chuyển điện tích α
Ứng dụng: Sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực nghiên cứu hóa học:
- Khảo sát tính chất điện hóa của các hệ ôxy hóa khử: độ thuận
nghịch, thế ôxy hóa khử, điện thế tiêu chuẩn …
- Phân tích định tính các chất có hoạt tính điện hóa
- Nghiên cứu tính chất vật liệu điện cực: sen sơ điện hóa/sinh học;
pin/acquy v.v…
- Đo phân cực vòng nghiên cứu ăn mòn điểm
Phương pháp này được áp dụng trong khóa luận để tổng hợp màng PANi
và khảo sát tính chất điện hóa của lớp màng đã tổng hợp được.
1.2.2. Thế tĩnh


Nguyên lý làm việc: Điện thế được áp lên điện cực làm việc một giá trị
không đổi, sự biến đổi của dòng điện trên điện cực này được ghi theo thời
gian.

Co

E

i

E2
t3 > t2 > t1 >

E1

0

t

0

0

x

0

0

Hình 1.8. (a)Bước nhảy điện thế (b)sự suy giảm nồng độ chất hoạt động điện
hóa (c) sự phụ thuộc của dòng điện theo thời gian [2].
Ứng dụng:
- Điện cực đo ôxy hòa tan trong nước.
- Nghiên cứu ăn mòn điện hóa / mạ vật liệu.
- Nghiên cứu sự hấp phụ của các chất có hoạt tính điện hóa,
DNA.
Phương pháp này được áp dụng trong khóa luận để tổng hợp lớp màng
PANi với kỹ thuật đan xen với quét thế tuần hoàn.

t


Chương 2: THỰC NGHIỆM
2.1. Hóa chất
- Anilin C6H5NH2 99%, d = 1,023 g/ml (Nhật)
- Nước cất
- Axeton, metanol (Trung Quốc)
- Kali đicromat K2Cr2O7
- Axit sunfuric H2SO4 98%, d = 1,8 g/ml (Trung Quốc)
2.2. Dụng cụ
- Cốc thủy tinh dung tích 20 ml, 50 ml
- Đũa thủy tinh, thìa thủy tinh
- Pipet 1 ml, 2 ml, 5 ml
- Bình định mức: 50 ml, 100 ml, 250 ml, 500 ml
2.3. Thiết bị
Thiết bị điện hóa IM6 của hãng Zahner Elektrik (Đức) tại Viện hóa học.

Hình 2.1. Thiết bị đo tổng trở & điện hóa IM6
Thiết bị này có nhiều ứng dụng như phục vụ cho nghiện cứu màng phủ
và khả năng hấp phụ hợp chất hữu cơ trên điện cực hay nghiên cứu vật liệu


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×