NGHIÊN cứu sự tạo PHỨC của RUTHENI (II) với một số THUỐC THỬ ỨNG DỤNG làm CHẤT NHẠY QUANG TRONG PIN mặt TRỜI

Nhiều phức chất của Rutheni hấp thụ ánh sáng trong dải phổ nhìn thấy đang được nghiên cứu trong việc chuyển đổi ánh sáng thành dòng quang điện, được sử dụng là nguồn tạo điện tử trong DS

Trang 1

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ môn hóa Phân tích, các thầy cô trong khoa Hóa học – trường Đại học Sư phạm Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn.

Em xin trân trọng cảm ơn phòng Sau đại học, các phòng ban trường Đại học Sư phạm Hà Nội, thư viện trường Đại học Sư phạm Hà Nội đã tạo điều kiện cho em hoàn thành luận văn

Và cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn tới gia đình, các anh, chị và bạn bè luôn quan tâm, giúp đỡ và động viên em trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Hà Nội, tháng 10 năm 2013

Tác giả

Vũ Thị Thu Hương

Trang 2

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG 1

CHÚ THÍCH CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT 1

Mật độ quang 1

Bipiriđin 1

Benzen 1

Fill factor: Hệ số lấp đầy 1

Dòng ngắn mạch 1

Metal to ligan charge tranfer: hiệu ứng chuyển điện tích kim loại – phối tử 1

Số thứ tự 1

Thế mạch hở 1

Bước sóng 1

Hiệu suất 1

Hệ số hấp thụ mol 1

PHẦN I MỞ ĐẦU 1

II Mục đích nghiên cứu 2

III Nhiệm vụ nghiên cứu 2

IV Phương pháp nghiên cứu 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG CHẤT MÀU NHẠY QUANG 3

Hình 1.2 Cấu tạo của pin mặt trời sử dụng chất nhạy quang 9

Hình 1.3 Công thức cấu tạo của chất N3 11

Hình 1.4 Công thức cấu tạo của chất Black Dye 12

Trang 3

Hình 1.6 Hiệu suất chuyển đổi dòng photon tới của N-719 13

Hình 1.7 Đặc trưng J-V của pin mặt trời dựa trên phức Rutheni N719 13 Hình 1.8 Một số chất nhạy quang của Rutheni chứa nhóm kỵ nước 14

Hình 1.9 Hiệu quả trung bình của pin mặt trời sử dụng 14

chất màu N -719 và Z - 907 14

Hình 1.10 Chất nhạy quang của Rutheni có hệ số đập tắt cao 15

Hình 1.11 Một số chất màu mới có hệ số dập tắt cao 16

Hình 1.12 Cấu trúc phân tử của Ru-B1, HMP-11, and HMP-12 16

Hình 1.13 Hình ảnh Rutheni 19

Bảng 1.1 Mức năng lượng ion hóa của rutheni 20

1.3 SƠ LƯỢC VỀ THUỐC THỬ 2,2’-BIPYRIĐIN [11], [43] 28

Bảng 1.2 Một số đặc điểm tạo phức của 2,2’-bipyridin với các ion kim loại 29

Bảng 1.3 Giới hạn pha loãng để phát hiện các anion bằng Fe(bpy)3SO4 31

1.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN CỦA PHỨC TRONG DUNG DỊCH 32

Hình 1.14 Phương pháp hệ đồng phân tử cho phức có tỉ lệ 1:1 34

Hình 1.15 Xác định tỉ lệ phối tử và ion trung tâm theo phương pháp 36

Staric-Bacbanel 36

1.5 NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ TẠO PHỨC ĐƠN LIGAN [18], [20] 36

Hình 1.16 Sự phụ thuộc lgB vào pH 39

1.6 XÁC ĐỊNH HỆ SỐ HẤP THỤ MOL 39

1.7 CÁC BƯỚC PHÂN TÍCH MÀU TRONG PHÂN TÍCH ĐO QUANG [8], [22] 43

2.1 HÓA CHẤT, DỤNG CỤ, THIẾT BỊ NGHIÊN CỨU 47

Trang 4

2.2 KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM 48

2.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 51

2.4 XỬ LÝ KẾT QUẢ 51

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 52

3.1 PHỨC [Ru(bpy)3]Cl2 52

Hình 3.1 So sánh màu của phức và của ion Ru2+ cùng nồng độ 53

Hình 3.2 Chất rắn thu được sau khi cô cạn dung dịch thí nghiệm 3 53

Bảng 3.2 Sự phụ thuộc mật độ quang vào bước sóng của dung dịch Ru2+ 55

Hình 3.3 Đồ thị sự phụ thuộc mật độ quang vào bước sóng ở thí nghiệm 1, 2 56

Bảng 3.3 Sự phụ thuộc mật độ quang phụ thuộc vào thời gian 57

Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn mật độ quang theo thời gian 57

Bảng 3.4 Mật độ quang của phức Ru2+ với 2,2’-bipyriđin phụ thuộc vào pH 58

Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ quang vào pH 59

Bảng 3.5 Ảnh hưởng lượng dư thuốc thử tới sự tạo phức của Ru2+ với 2,2’-bipyriđin 60

Hình 3.6 Đồ thị khảo sát lượng dư thuốc thử tới sự tạo phức giữa Ru2+ và 2,2’-bipyriđin 60

Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn mật độ quang theo nồng độ thuốc thử 61

Bảng 3.6 Kết quả đo mật độ quang trong phương pháp tỉ số mol khi 62

Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn mật độ quang theo nồng độ Ru2+ 63

Bảng 3.7 Kết quả mật độ quang của hệ đồng phân tử có tổng nồng độ 10.10-5 M 64

Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn mật độ quang theo nồng độ Ru2+ bằng phương pháp hệ đồng phân tử trong dãy 1 64

Trang 5

Bảng 3.8 Kết quả mật độ quang của hệ đồng phân tử có tổng nồng độ

15.10-5 M 65

Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn mật độ quang theo nồng độ Ru2+ trong phương pháp hệ đồng phân tử trong dãy 2 66

Bảng 3.9 Biểu diễn phụ thuộc mật độ quang vào nồng độ Ru2+ khi xây dựng đường chuẩn của phức Ru2+ với 2,2’-bipyriđin 67

Hình 3.11 Đồ thị sự phụ thuộc mật độ quang vào nồng độ Ru2+ 67

Bảng 3.10 Kết quả đo mật độ quang của hai dãy theo phương pháp Komar 68

Bảng 3.11 Kết quả xác định hệ số hấp thụ mol của Ru2+ ở hai dãy 69

Bảng 3.12 Kết quả xác định hệ số hấp thụ mol của phức [Ru(bpy)3]Cl2 theo phương pháp Komar 70

Bảng 3.13 Tính toán hệ số hấp thụ mol của phức [Ru(bpy)3]Cl2 72

3.2 PHỨC Ru(bpy)2(SCN)2 73

Hình 3.12 Hình ảnh dung dịch các chất 1, 2, 3 74

Bảng 3.14 Sự phụ thuộc mật độ quang của (RuBzCl2)2 vào bước sóng 74 Hình 3.13 Sự phụ thuộc mật độ quang của (RuBzCl2)2 vào bước sóng 76 Bảng 3.15 Sự phụ thuộc mật độ quang vào bước sóng của chất 2 77

Hình 3.14 Biểu diễn sự phụ thuộc mật độ quang chất 2 vào bước sóng 77

Bảng 3.16 Kết quả khảo sát mật độ quang chất 2 phụ thuộc vào thời gian 78

Hình 3.15 Biểu diễn sự phụ thuộc mật độ quang chất 2 vào thời gian 78

Bảng 3.17 Khảo sát sự phụ thuộc mật độ quang chất 3 vào bước sóng .79 Hình 3.16 Biểu diễn sự phụ thuộc mật độ quang chất 3 vào bước sóng 80

PHẦN III KẾT LUẬN 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

Trang 6

DANH MỤC HÌNH VẼ

Bipiriđin 1

Benzen 1

Bước sóng 1

Hiệu suất 1

chất màu N -719 và Z - 907 14

Trang 7

Trang 8

Hình 3.6 Đồ thị khảo sát lượng dư thuốc thử tới sự tạo phức giữa Ru2+

và 2,2’-bipyriđin 60 Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn mật độ quang theo nồng độ thuốc thử 61 Bảng 3.6 Kết quả đo mật độ quang trong phương pháp tỉ số mol khi 62 Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn mật độ quang theo nồng độ Ru2+ 63 Bảng 3.7 Kết quả mật độ quang của hệ đồng phân tử có tổng nồng độ 10.10-5 M 64 Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn mật độ quang theo nồng độ Ru2+ bằng

phương pháp hệ đồng phân tử trong dãy 1 64 Bảng 3.8 Kết quả mật độ quang của hệ đồng phân tử có tổng nồng độ 15.10-5 M 65 Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn mật độ quang theo nồng độ Ru2+ trong

phương pháp hệ đồng phân tử trong dãy 2 66 Bảng 3.9 Biểu diễn phụ thuộc mật độ quang vào nồng độ Ru2+ khi xây dựng đường chuẩn của phức Ru2+ với 2,2’-bipyriđin 67 Hình 3.11 Đồ thị sự phụ thuộc mật độ quang vào nồng độ Ru2+ 67 Bảng 3.10 Kết quả đo mật độ quang của hai dãy theo phương pháp Komar 68 Bảng 3.11 Kết quả xác định hệ số hấp thụ mol của Ru2+ ở hai dãy 69 Bảng 3.12 Kết quả xác định hệ số hấp thụ mol của phức [Ru(bpy)3]Cl2 theo phương pháp Komar 70 Bảng 3.13 Tính toán hệ số hấp thụ mol của phức [Ru(bpy)3]Cl2 72 Hình 3.12 Hình ảnh dung dịch các chất 1, 2, 3 74 Bảng 3.14 Sự phụ thuộc mật độ quang của (RuBzCl2)2 vào bước sóng 74 Hình 3.13 Sự phụ thuộc mật độ quang của (RuBzCl2)2 vào bước sóng 76 Bảng 3.15 Sự phụ thuộc mật độ quang vào bước sóng của chất 2 77 Hình 3.14 Biểu diễn sự phụ thuộc mật độ quang chất 2 vào bước sóng 77

Trang 9

Bảng 3.16 Kết quả khảo sát mật độ quang chất 2 phụ thuộc vào thời gian 78 Hình 3.15 Biểu diễn sự phụ thuộc mật độ quang chất 2 vào thời gian 78 Bảng 3.17 Khảo sát sự phụ thuộc mật độ quang chất 3 vào bước sóng .79 Hình 3.16 Biểu diễn sự phụ thuộc mật độ quang chất 3 vào bước sóng 80 PHẦN III KẾT LUẬN 81

Trang 10

DANH MỤC BẢNG

Bipiriđin 1

Benzen 1

Bước sóng 1

Hiệu suất 1

chất màu N -719 và Z - 907 14

Trang 11

Trang 12

Hình 3.6 Đồ thị khảo sát lượng dư thuốc thử tới sự tạo phức giữa Ru2+

và 2,2’-bipyriđin 60 Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn mật độ quang theo nồng độ thuốc thử 61 Bảng 3.6 Kết quả đo mật độ quang trong phương pháp tỉ số mol khi 62 Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn mật độ quang theo nồng độ Ru2+ 63 Bảng 3.7 Kết quả mật độ quang của hệ đồng phân tử có tổng nồng độ 10.10-5 M 64 Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn mật độ quang theo nồng độ Ru2+ bằng

phương pháp hệ đồng phân tử trong dãy 1 64 Bảng 3.8 Kết quả mật độ quang của hệ đồng phân tử có tổng nồng độ 15.10-5 M 65 Hình 3.10 Đồ thị biểu diễn mật độ quang theo nồng độ Ru2+ trong

phương pháp hệ đồng phân tử trong dãy 2 66 Bảng 3.9 Biểu diễn phụ thuộc mật độ quang vào nồng độ Ru2+ khi xây dựng đường chuẩn của phức Ru2+ với 2,2’-bipyriđin 67 Hình 3.11 Đồ thị sự phụ thuộc mật độ quang vào nồng độ Ru2+ 67 Bảng 3.10 Kết quả đo mật độ quang của hai dãy theo phương pháp Komar 68 Bảng 3.11 Kết quả xác định hệ số hấp thụ mol của Ru2+ ở hai dãy 69 Bảng 3.12 Kết quả xác định hệ số hấp thụ mol của phức [Ru(bpy)3]Cl2 theo phương pháp Komar 70 Bảng 3.13 Tính toán hệ số hấp thụ mol của phức [Ru(bpy)3]Cl2 72 Hình 3.12 Hình ảnh dung dịch các chất 1, 2, 3 74 Bảng 3.14 Sự phụ thuộc mật độ quang của (RuBzCl2)2 vào bước sóng 74 Hình 3.13 Sự phụ thuộc mật độ quang của (RuBzCl2)2 vào bước sóng 76 Bảng 3.15 Sự phụ thuộc mật độ quang vào bước sóng của chất 2 77 Hình 3.14 Biểu diễn sự phụ thuộc mật độ quang chất 2 vào bước sóng 77

Trang 13

Bảng 3.16 Kết quả khảo sát mật độ quang chất 2 phụ thuộc vào thời gian 78 Hình 3.15 Biểu diễn sự phụ thuộc mật độ quang chất 2 vào thời gian 78 Bảng 3.17 Khảo sát sự phụ thuộc mật độ quang chất 3 vào bước sóng .79 Hình 3.16 Biểu diễn sự phụ thuộc mật độ quang chất 3 vào bước sóng 80 PHẦN III KẾT LUẬN 81

Trang 14

6 EDTA Etilenđiamin tetraaxetic

8 IPCE Incident photon to current conversion

efficiency: Hiệu suất chuyển đổi từ photon sang dòng điện

10 LUMO Lowest Unoccupied Molecular Orbital: mức

năng lượng thấp nhất

điện tích kim loại – phối tử.

13 UV Ultraviolet radiation: tia tử ngoại

14 UV-VIS Ultraviolet–visible: vùng tử ngoại và vùng nhìn

Trang 16

PHẦN I MỞ ĐẦU

I Lí do chọn đề tài

Thế giới đang trong kỷ nguyên toàn cầu hóa, công nghiệp hóa và công nghệ thông tin Cùng với sự phát triển đó con người phải đối mặt với nhiều vấn đề toàn cầu Một trong các vấn đề đó là khủng hoảng năng lượng khi nguồn dầu mỏ bị cạn kiệt, giá thành ngày càng lên cao, nguồn cung cấp không

ổn định Nguồn than đá cũng có hạn và gây ô nhiễm môi trường Vì vậy, việc tìm kiếm nguồn năng lượng khác có khả năng tái tạo đang đặt ra bài toán khó cần giải quyết cho các nhà khoa học trong mọi lĩnh vực Những nguồn năng lượng triển vọng như năng lượng hạt nhân, nhiệt hạch, năng lượng sinh học, năng lượng gió, năng lượng mặt trời,…

Hằng ngày năng lượng mặt trời chiếu xuống gấp 20.000 lần năng lượng dùng cho trái đất mỗi ngày Dòng quang điện mở ra những cơ hội lớn để cung cấp cho chúng ta năng lượng thân thiện với môi trường Việc chuyển hóa năng lượng mặt trời theo công nghệ chế tạo pin mặt trời đã được nghiên cứu

từ lâu Pin mặt trời vô cơ đã đã được triển khai nghiên cứu, ứng dụng trong hầu hết các nghành kinh tế, khoa học và công nghệ Tuy nhiên pin mặt trời vô

cơ có công nghệ sản xuất phức tạp, giá thành cao Để khắc phục những nhược điểm của pin mặt trời vô cơ việc nghiên cứu thay thế pin mặt trời vô cơ đang được triển khai mạnh So với pin vô cơ thì pin mặt trời hữu cơ có những ưu điểm: công nghệ đơn giản, tính mềm dẻo trong suốt, dễ biến tính, có độ linh động cao, nhẹ và giá thành thấp [24] Với những ưu thế và lợi ích mà pin mặt trời hữu cơ, đặc biệt là pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy quang (dye-sensitized solar cells - DSSC) đây sẽ là một trong những hướng phát triển đầy triển vọng

Trang 17

Rutheni là nguyên tố hóa học có ký hiệu Ru, số hiệu nguyên tử 44, kim loại chuyển tiếp trong nhóm Platin của bảng hệ thống tuần hoàn Nhiều phức chất của Rutheni hấp thụ ánh sáng trong dải phổ nhìn thấy đang được nghiên cứu trong việc chuyển đổi ánh sáng thành dòng quang điện, được sử dụng là nguồn tạo điện tử trong DSSC mới đầy triển vọng.

Từ những lí do trên, chúng tôi lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu sự tạo

phức của Rutheni (II) với một số thuốc thử ứng dụng làm chất nhạy quang trong pin mặt trời”.

II Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu về pin mặt trời, pin mặt trời chất nhạy quang

- Nghiên cứu sự tạo thành phức của Ru2+ với một số hợp chất hữu cơ

III Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu về pin mặt trời, pin mặt trời chất nhạy quang

- Lựa chọn các điều kiện tối ưu để tổng hợp phức của Ru2+ với các hợp chất hữu cơ: bipyridin,…

IV Phương pháp nghiên cứu

- Nhóm phương pháp nghiên cứu lý thuyết: tổng hợp tài liệu, biên dịch…

- Phương pháp thực nghiệm: Sử dụng phương pháp đo quang nghiên cứu.+ Các điều kiện tạo phức tối ưu: pH, môi trường, lực ion, nhiệt độ…

+ Thành phần của phức

+ Các tham số của phức: cơ chế, hệ số hấp thụ mol, hằng số bền

Trang 18

PHẦN II NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 TỔNG QUAN VỀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG CHẤT MÀU NHẠY QUANG

1.1.1 Giới thiệu về pin năng lượng mặt trời (pin mặt trời)

1.1.1.1 Khái niệm pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là phần tử bán dẫn quang có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các linh kiện cảm biến ánh sáng là các dạng diot p-n, dùng để biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện được phát hiện đầu tiên năm 1839 bởi nhà vật lý Pháp Alexandre Edmond Becquerel [45] Tuy nhiên cho đến 1883 một pin năng lượng mới được tạo thành, bởi Charles Fritts, ông phủ lên mạch bán dẫn selen một lớp cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối thiết bị chỉ có hiệu suất 1% [46] Sau đó là một loạt công trình khoa học và phát minh sáng chế về pin năng lượng mặt trời

Để tạo ra nhiều năng lượng, người ta kết nối nhiều phần tử pin mặt trời lại với nhau tạo thành tấm pin mặt trời Công suất cực đại một tấm pin mặt trời có thể tạo ra phụ thuộc vào hiệu suất chuyển đổi quang năng thành điện năng của tấm pin mặt trời đó Trong tiếng Việt, pin mặt trời còn được gọi là pin năng lượng mặt trời, pin quang điện, tế bào quang điện Tấm pin mặt trời còn được gọi là bảng pin mặt trời hay Mô-đun pin năng lượng mặt trời

1.1.1.2 Phân loại pin năng lượng mặt trời

a Pin mặt trời Silic

Trang 19

Vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời và cho các thiết bị bán dẫn là các silic tinh thể Ở dạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn thuần số hạt tải (hạt mang điện)

là electron và số hạt tải là lỗ trống (hole) như nhau

Để làm pin mặt trời từ bán dẫn tinh khiết phải làm ra bán dẫn loại n và bán dẫn loại p rồi ghép lại với nhau cho nó có được tiếp xúc p - n

Hình 1.1 Một tế bào mặt trời cơ bản của pin mặt trời silic

Tuy nhiên pin mặt trời silic có một số hạn chế về kinh tế, kỹ thuật:

- Vật liệu xuất phát là silic tinh khiết nên giá thành rất đắt Ban đầu là làm từ silic đơn tinh thể dùng trong công nghệ vi điện tử nhưng giá vẫn là khá cao Đã có những cách dùng silic đa tinh thể, silic vô định hình tuy hiệu suất thấp hơn nhưng bù lại giá rẻ hơn Tuy nhiên, vật liệu silic sử dụng phải là tinh khiết nên giá thành rẻ hơn không nhiều

- Đối với silic, để đưa electron từ miền hoá trị lên miền dẫn phải tốn năng lượng cỡ 1,1 eV Vậy năng lượng của photon đến phải bằng hoặc cao hơn 1,1eV một chút là đủ để kích thích eletron nhảy lên miền dẫn, từ đó tham gia tạo thành dòng điện của pin mặt trời Photon ứng với năng lượng 1,1 eV

Trang 20

ứng với ánh sáng màu lục, lam, tử ngoại là có năng lượng quá thừa để kích thích điện tử của silic nhảy lên miền dẫn Do đó pin mặt trời silic lãng phí năng lượng mặt trời để chuyển thành điện năng.

b Pin mặt trời sử dụng chất nhạy quang

Vì nhiều lí do, hiệu suất của loại pin này chỉ vào cỡ 11% thấp hơn hiệu suất của pin mặt trời silic (12 - 15%) Tuy nhiên ưu điểm rõ rệt của loại pin này:

- Vật liệu chế tạo rẻ, dễ kiếm Đặc biệt TiO2 là chất bột trắng hay dùng

để làm sơn trắng rất phổ biến

- Kỹ thuật chế tạo đơn giản, không phải cần máy móc cao cấp đắt tiền như ở trường hợp pin mặt trời silic Thậm chí có thể làm pin mặt trời kiểu này theo cách thủ công

- Dễ dàng cải tiến nhiều khâu kỹ thuật, nhất là ứng dụng công nghệ nano để làm bột TiO2 có diện tích mặt ngoài cực lớn Nhược điểm của loại pin này là có chứa chất lỏng phải có các biện pháp chống rò rỉ khi dùng lâu (tuổi thọ không cao bằng tuổi thọ của pin mặt trời silic)

- Hiện nay đã có nhiều cải tiến đối với chất màu nhạy quang làm cho ánh sáng thuộc nhiều bước sóng trong phổ ánh sáng mặt trời đều dễ dàng bị hấp thụ để kích thích làm thoát điện tử tạo ra dòng điện với hiệu suất cao

c Pin mặt trời dạng keo nước (lá nhân tạo)

Pin mặt trời dạng keo nước còn được gọi là lá nhân tạo Đây là loại pin mặt trời có thể uốn cong, thành phần là keo nước chứa các phân tử nhạy sáng kết hợp với các điện cực phủ chất liệu cacbon, ví dụ như ống nano cacbon hoặc than chì Các phân tử nhạy sáng trở nên “kích động” khi ánh sáng mặt trời chiếu vào và sản sinh ra điện năng Cơ chế này tương tự như cơ chế kích thích tổng hợp đường để sinh trưởng của phân tử thực vật

Trang 21

Hiện tại, việc ứng dụng loại pin này vẫn chưa được công bố do hiệu suất hoạt động của pin vẫn còn thấp.

1.1.1.3 Ứng dụng của pin năng lượng mặt trời

a Tích hợp vào các thiết bị

Pin mặt trời thường được tích hợp vào các thiết bị như máy tính bỏ túi, laptop, đồng hồ đeo tay, điện thoại di động, đèn trang trí, đèn sân vườn, đèn tín hiệu, đèn đường, các loại xe, máy bay, robot tự hành, vệ tinh nhân tạo

Sự tích hợp của pin mặt trời mang lại một sự khác biệt cho các thiết bị: thẩm mỹ, tiện dụng và thân thiện với môi trường

c Nguồn điện cho tòa nhà

Nguồn điện cho tòa nhà là một trong những giải pháp vừa giúp giảm hóa đơn tiền điện hàng tháng vừa giúp giảm đầu tư của xã hội cho các công trình nhà máy điện khổng lồ bằng cách kết hợp sức mạnh của toàn dân trong việc tạo ra điện phục vụ đời sống sản xuất chung

Nguồn điện cho tòa nhà hiện tại được chia thành 2 loại đó là nguồn điện mặt trời cục bộ và nguồn điện mặt trời hòa lưới quốc gia Riêng nguồn điện mặt trời hòa lưới quốc gia có nhiều ưu điểm và mang lại hiệu quả kinh tế cao nếu được nhà nước khuyến khích sử dụng

Trang 22

Sử dụng nguồn điện mặt trời trong gia đình vừa giúp bảo vệ môi trường, vừa thể hiện một phong cách sống hiện đại trong một xã hội hiện đại.

d Nhà máy điện mặt trời

Bằng cách kết nối nhiều nguồn điện mặt trời với nhau có thể tạo ra được một tổ hợp nguồn điện mặt trời có đủ khả năng thay thế một nhà máy phát điện

Nhà máy điện mặt trời có thể dùng để cấp điện cho một thành phố, một hòn đảo, Hiện tại số lượng nhà máy điện mặt trời trên thế giới còn hạn chế, tuy nhiên trong tương lai số lượng này sẽ tăng lên khi giá thành sản xuất pin mặt trời giảm xuống

Có nhiều loại vật liệu dùng để chế tạo vật liệu pin mặt trời Ta thường dùng hai tiêu chuẩn đánh giá là hiệu suất và giá thành Hiệu suất là tỉ số giữa năng lượng điện từ và năng lượng ánh sáng mặt trời Giá thành là giá sản xuất trên từng kWh điện Hiệu năng của pin mặt trời tạo dòng điện với sự bức

xạ của mặt trời là một yếu tố quyết định trong giá thành Để tạo những ứng dụng thực tế cho pin năng lượng, điện năng tạo ra có thể nối với mạng lưới điện sử dụng dạng chuyển đổi trung gian Trong các phương tiện di chuyển, thường sử dụng hệ thống ắc quy để lưu trữ nguồn năng lượng chưa sử dụng đến Các pin năng lượng thương mại và hệ thống công nghệ cho nó có hiệu suất từ 5% đến 15%

Việc sử dụng các chất trong pin quang điện đơn kết nối dùng để chuyển hóa ánh sáng tự nhiên thành điện năng làm tăng hiệu suất đó là chất nhạy sáng

1.1.2 Pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy quang (DSSC)

1.1.2.1 Giới thiệu về pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy quang

Pin mặt trời chất màu nhạy quang là thế hệ pin mặt trời mới, hứa hẹn nhiều tiềm năng triển khai ứng dụng nhờ có giá thành thấp, quy trình chế tạo

Trang 23

đơn giản và kiểu dáng linh hoạt hơn so với pin mặt trời truyền thống silic Năm 1991, nhóm nghiên cứu do giáo sư Michael Gratzel đứng đầu tại trường Đại học Bách khoa Liên bang Thụy sỹ-Lausanne (EPFL) đã phát triển loại pin mới này dựa trên tinh thể nano titan đioxit (TiO2) hấp phụ chất màu nhạy quang và đã đạt được hiệu suất chuyển hóa quang điện hơn 7%, đây cũng là một phát minh đột phá về công nghệ năng lượng của thế giới Với công trình này Giáo sư Gratzel đã nhận được giải thưởng công nghệ thiên niên

kỷ 2010 (2010 Millennium Technology Prize) [30], [42] Pin mặt trời thế

hệ mới này thực chất được chế tạo dựa trên cơ sở sao chép quá trình quang hợp của cây xanh:

(1) Sử dụng chất màu để hấp thu ánh sáng và tạo ra điện tử tự do

(2) Các lớp vật liệu TiO2 mà trên đó các chất màu được hấp phụ sẽ làm tăng hiệu suất hấp thụ ánh sáng và hiệu suất thu nhận các điện tử tự do sinh ra

từ những chất màu

1.1.2.2 Cấu tạo của DSSC

Cấu tạo nguyên thuỷ của pin DSSC gồm ba phần chính (hình 1.2) Trên cùng là một lớp mỏng chất dẫn điện trong suốt, đóng vai trò anot làm bằng oxit thiếc pha tạp flo (SnO2: F) Lớp này phủ lên tấm thuỷ tinh trong suốt Tiếp đó là một lớp có diện tích bề mặt rất lớn Lớp dẫn điện SnO2: F và lớp hạt bột oxit titan TiO2 được nhúng vào hỗn hợp chất màu nhạy quang rutheni - polypyridin và dung môi Sau khi nhúng, một lớp mỏng chất màu nhạy quang bám dính vào các hạt TiO2 bằng liên kết cộng hoá trị Tiếp đó mặt sau được tráng bằng một lớp mỏng chất điện ly iôt và đậy kín bằng tấm điện cực kim loại, thường là platin Toàn bộ được dán kín sao cho dung dịch không

bị rò chảy ra

Trang 24

Hình 1.2 Cấu tạo của pin mặt trời sử dụng chất nhạy quang

1.1.2.3 Hoạt động của Pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy quang

Pin DSSC hoạt động như sau: ánh sáng mặt trời qua tấm kính, qua lớp điện cực trong suốt SnO2: F chiếu vào chất màu nhạy quang dính trên bề mặt các hạt TiO2 Photon kích thích các phân tử chất màu nhạy quang làm cho electron ở đó bị bứt ra nhảy vào miền dẫn của TiO2 rồi từ đó dễ dàng chuyển động chạy về điện cực trong suốt ở phía trên Khi bị mất electron để nhận thêm cho phân tử không bị phân huỷ Phân tử chất màu nhạy quang lấy electron của iot ở dung dịch điện phân, biến anion I- thành anion I3- Các anion iot này khi tiếp xúc với điện cực kim loại sẽ lấy lại electron từ điện cực trong suốt qua mạch ngoài chạy về điện cực kim loại Như vậy đã thực hiện cơ chế photon kích thích làm cho electron nhảy lên, đến điện cực trong suốt rồi qua mạch ngoài chạy về điện cực kim loại tạo ra dòng điện

1.1.3 Các chất màu nhạy quang sử dụng trong pin mặt trời

Chất màu nhạy sáng đóng vai trò là chất cho điện tử dưới tác dụng quang thì chất màu nhạy sáng lý tưởng trong một pin quang điện đơn kết nối dùng

để chuyển hóa ánh sáng tự nhiên thành điện năng phải có các đặc tính sau:

Trang 25

Thứ nhất, có khả năng hấp thụ được toàn bộ ánh sáng có bước sóng

ngắn hơn 920 nm (ánh sáng nhìn thấy)

Thứ hai, trong cấu trúc phân tử chúng có các nhóm chức thực hiện chức

năng gắn kết với các chất nền như cacboxylat hay photphat để có thể gắn chặt với bề mặt oxit bán dẫn

Thứ ba, khi bị kích thích nó phải truyền các electron vào chất rắn với

một hiệu suất lượng tử đơn nhất Mức năng lượng ở trạng thái kích thích của chất màu phải phù hợp với giới hạn dưới (mức LUMO) của miền dẫn oxit để giảm thiểu sự tổn hao năng lượng trong quá trình vận chuyển electron

Thứ tư, thế oxi hóa khử của nó phải đủ cao để nó có thể được tái tạo lại

nhờ sự nhường electron của chất điện ly oxy hóa khử hay lỗ trống chất rắn

Thứ năm, cuối cùng nó phải đủ bền để có thể trải qua khoảng 108 chu trình tương ứng với khoảng 20 năm hoạt động dưới ánh sáng mặt trời

1.1.3.1 Sự ảnh hưởng của cấu trúc chất màu nhạy quang đến hiệu suất của

pin mặt trời nhạy quang (DSSC)

Một thiết bị quang điện phải duy trì khả năng làm việc trong 20 năm mà không được giảm hiệu suất nhiều Vì thế tính bền của tất cả các vật liệu sử dụng trong pin mặt trời đều được kiểm tra kỹ lưỡng

Hiện nay, hầu hết các nghiên cứu về chất màu nhạy quang tập trung vào việc xác định và tổng hợp các chất màu thỏa mãn những yêu cầu này trong khi vẫn duy trì tính bền trong môi trường điện hóa Các nhóm gắn của chất màu phải đảm bảo rằng các phân tử chất màu phải được sắp xếp một cách tự nhiên thành một lớp đơn phân tử trên bề mặt lớp oxit Sự phân tán phân tử như vậy đảm bảo một tỷ lệ lớn trạng thái kích thích của phân tử chất màu (được hình thành khi hấp thụ photon) sẽ trở lại trạng thái ban đầu bằng cách truyền điện tử vào miền dẫn của lớp oxit của chất bán dẫn

Trang 26

Tuy nhiên, sự hấp thụ ánh sáng của một lớp đơn phân tử chất màu thường yếu, thậm chí nó bị coi là nguyên nhân chính dẫn đến sự làm giảm hiệu suất của thiết bị nhạy hóa bởi chất màu Và người ta cũng cho rằng, tính nhẵn của bề mặt nền là bắt buộc để ngăn chặn sự tổn hao do quá trình tái kết hợp – tỷ lệ với cấu trúc đa tinh thể hay độ gồ ghề của các thiết bị quang điện pha rắn Ngày nay, điều này không còn đúng nữa vì quá trình truyền điện tạo

ra electron trong mạng tinh thể bán dẫn được tách xa khỏi các hạt tải dương bởi các phân tử chất màu – là những chất cách điện ở trạng thái cơ bản nên chúng đóng vai trò như hàng rào ngăn chặn sự tái kết hợp điện

1.1.3.2 Giới thiệu một số chất nhạy quang dùng trong pin mặt trời chất màu

nhạy quang

Những nghiên cứu về chất màu nhạy quang là một trong những vấn đề được tập trung nhiều nhất trong pin mặt trời chất màu nhạy quang Những chất nhạy quang đã được biết đến như phthalociamin, chất màu hữu cơ, phức rutheni Trong đó phức rutheni có hiệu suất cao nhất Năm 1991 Michael Gratzel đã công bố pin mặt trời sử dụng chất màu nhạy quang đạt hiệu suất

7,1 – 7,9 % khi sử dụng chất màu cis-[Ru(dcbpy)2(NCS)2] có tên gọi N3 Dạng muối bis tetrabutylamoni với tên gọi N719 cho thấy khả năng hấp thụ ở vùng bước sóng 750 nm, tuy nhiên cần quan tâm đến cả hấp thụ ở vùng hồng ngoại gần [32], [ 44]

Ru N

C S

Trang 27

Tên hóa học của chất nhuộm màu đen Black Dye (hay N-749): triisothiocyanato-(2,2’:6’,6”-terpyridyl-4,4’,-4”-tricarboxylato) rutheni (II) tris(tetra-butylammonium)

Ru N N

N

C C

Hình 1.4 Công thức cấu tạo của chất Black Dye

Rutheni 535 – bis TBA (hay còn gọi là N719, tên hóa học: cis -

diisothiocyanato-bis(2,2'-bipyridyl-4,4'-dicarboxylat)-rutheni(II)

bis(tetrabutylammonium)

Ru N

C S

S

COOTBA

COOH TBAOOC

HOOC

Hình 1.5 Công thức cấu tạo của chất N719

Những chất màu nhạy quang có công thức chung là ML2(X)2, trong đó

L là axit 2,2'-bipyridin-4,4'-dicacboxylic, M là Ru hay Os còn X là một nhóm thế halogen, cyanit, thiocyanat, acetyl acetonat, thiacacbamat hay nước là những chất có hứa hẹn thực tế [25], [28], [37]

Trang 28

Hình 1.6 Hiệu suất chuyển đổi dòng photon tới của N-719

Hình 1.7 Đặc trưng J-V của pin mặt trời dựa trên phức Rutheni N719

Pin mặt trời sử dụng N719 làm chất nhạy sáng có JSC = 17,73 mA/cm2, FF= 0,74 , η = 11,18% và IPCE đạt cực đại 83% tại bước sóng 560 nm Đây

là hiệu suất cao nhất đối với pin DSSC cho đến nay

Thế hệ những chất nhạy quang chứa nhóm kỵ nước:

Để cải thiện độ bền của linh kiện mặt trời, những chất nhạy quang được thiết kế có nhóm ankyl hoặc ankoxy gắn với ligand Những chất nhạy quang như Z907, K19 cho thấy sự cải thiện độ bền của linh kiện mặt trời khi chiếu sáng và lão hóa nhiệt

Trang 29

Hình 1.8 Một số chất nhạy quang của Rutheni chứa nhóm kỵ nước

Hình 1.9 Hiệu quả trung bình của pin mặt trời sử dụng

chất màu N -719 và Z - 907

Linh kiện dựa trên Z907 khi sử dụng chất điện li polyme gel duy trì hiệu suất 6% trong điều kiện nhiệt độ 800C trong 1000 giờ duy trì ở mức 94% so với ban đầu (6,1%), trong khi đó N719 suy giảm hiệu suất 35% so với ban đầu sau một tuần ở 800C Sự giải hấp của N719 ở nhiệt độ cao làm cho linh kiện trở lên kém bền nhiệt Mặt khác, K19 còn cho thấy cả khả năng chuyển hóa năng lượng ở vùng hồng ngoại gần do cấu trúc có sự kéo dài của hệ điện

Trang 30

Thế hệ những chất nhạy quang có hệ số dập tắt cao.

Từ sự thay đổi và tối ưu hóa tính chất quang điện hóa có thể tạo được chất nhạy quang cho pin mặt trời hiệu suất cao Tuy nhiên để có thể kết hợp tính chất quang và điện hóa để tạo nên một chất nhạy quang tối ưu là một thách thức Gần đây một số chất nhạy quang nhiều triển vọng đã được phát triển, nhằm mục đích tăng hiệu suất và độ bền của pin mặt trời, hiệu suất đạt được 8,3% - 11,0% [25], [39]

CYC-B1 SJW-E1 C104

C101 CYC-B13

Hình 1.10 Chất nhạy quang của Rutheni có hệ số đập tắt cao

Một số chất màu nhạy quang được phát triển bởi Peng Wang và cộng sự

đã chế tạo pin mặt trời chất màu nhạy quang sử dụng chất màu C106 có hệ số

dập tắt 18,7 x 10-3 M-1cm-1 ở cực đại hấp thụ 550 nm và cho hiệu suất 11,4% Trong một nghiên cứu khác, nhóm này đã công bố một chất nhạy quang khác

Trang 31

C107 có hệ số dập tắt 27,4 x 10-3 M-1cm-1 ở cực đại hấp thụ 559 nm và cho hiệu suất 10,7% [33], [39].

2 +

N

N N N N HOOC

HOOC

Ru

N NC S

C S

HOOC

Ru

N NC S

C S

2 +

N

O O

O

Ru-B1 HMP-11 HMP-12

Hình 1.12 Cấu trúc phân tử của Ru-B1, HMP-11, and HMP-12

Chất màu Rutheni-B1( viết tắt là Ru-B1)

Công thức Ru-B1 là: cis-[Ru(H2dcbpy)(L)(NCS)2, trong đó H2dcbpy là 4,4’-dicarboxy-2,2’-bipyridine và L là 4-(4-carbazole-9-yl-styryl)-4’-methyl-2,2’-bipyridine (Ru-B1)

Ligan L - nhóm carbazole là hợp chất hữu cơ giàu điện tử, có cấu trúc

Trang 32

thiết sau: cấu trúc phẳng của carbazole làm tăng hiệu quả độ dài liên hợp của

hệ thống điện tử π Ảnh hưởng của hai ligan này lên tính chất hóa lý và hiệu suất của DSSC dựa trên chất màu tổng hợp cũng đã được nghiên cứu

Chất màu Rutheni HMP-11

Công thức của HMP-11: cis-[Ru(H2dcbpy)(L)(NCS)2 trong đó H2dcbpy

= 4,4-dicacboxylic axit-2,2’-bipyridin và L = phenyl-2-vinyl)-2,2’-bipyridin

4,4’-bis-(4-(N-carbazolyl)-Chất màu HMP-11 chứa 2 nhóm 9-phenyl-9H-carbazole được gắn liên hợp lên vị trí 4,4’ của bipyridin thông qua cầu nối vinyl benzen ligand thế nhằm mục đích thay đổi tính chất của chất màu và nghiên cứu ảnh hưởng của những thay đổi đó đến hiệu suất của pin mặt trời

Chất màu Rutheni HMP-12

Công thức của chất màu HMP-12: cis-[Ru(H2dcbpy)(L)(NCS)2], ký hiệu HMP-12, trong đó H2dcbpy = 4,4’-dicarboxylic acid-2,2’-bipyridin, và L = 4,4’-bis-(4-(3,6-dimethoxy-N-carbazolyl)-phenyl-2-vinyl)-2,2’-bipyridin.Chất màu nhạy sáng HMP-12 có cấu trúc tương tự như HMP-11 nhưng

vị trí 3, 6 của phân tử carbazole nguyên tử hydro được thay thế bằng nhóm methoxy

Trang 33

N N

C C

O O

N

N Ru

N NN N

C C

O O

N

N Ru

N NN N

C C

O O

C OH O

P P

P HO O HO

P

OH O HO

N

N Ru

N NN N

P P

P HO O HO

P

OH O

OH

P OHO OH

Sử dụng phổ UV-VIS trong quá trình tổng hợp các chất màu Các dữ liệu thu được cho thấy những đặc tính của những phức Ru với bipyriđin trong vùng UV cường độ cao (xấp xỉ 300nm) có sự chuyển dịch π  → π *, trong vùng nhìn thấy có hiệu ứng chuyển dịch điện tích kim loại- phối tử (Metal to ligand charge transfer -MLCT) với sự chuyển chuyển dịch điện tích d → π * Bước sóng cực đại của các phức C2, C4, C6 lần lượt là 457 nm, 472 nm, 467

nm và với P2, P4, P6 là 456, 488, 464 nm Hệ số hấp thụ mol phân tử của các chất được xác định là C2: 1,4.104M-1.cm-1; C4: 1,0.104M-1.cm-1; C6: 1,9.104

M-1.cm-1; P2: 1,0.104M-1.cm-1; P4: 7,7.103M-1.cm-1; P6: 2,4.104M-1.cm-1 [26]

1.2 GIỚI THIỆU NGUYÊN TỐ RUTHENI

1.2.1 Lịch sử ra đời nguyên tố [7], [42]

Rutheni được nhà khoa học Nga là Karl Klaus phát hiện và cô lập năm

1844 tại Đại học Kazan, Kazan Klaus chỉ ra rằng oxit rutheni chứa một kim loại mới và thu được 6 gam rutheni từ phần platin thô không hòa tan trong nước cường toan

Trang 34

Jons Berzelius và Gottfried Osann gần như đồng thời đã phát hiện ra rutheni năm 1827 Hai người này đã kiểm tra phần cặn bã còn lại sau khi hòa tan platin thô từ dãy núi Ural trong nước cường toan Berzelius không tìm thấy bất kỳ kim loại không thông thường nào nhưng Osann thì cho rằng ông

đã tìm ra ba kim loại mới và đặt tên một trong ba kim loại này là Rutheni (cùng Plurani và Polini)

Tên gọi có nguồn gốc từ Ruthenia, một từ La tinh để chỉ Rus, một khu vực lịch sử mà ngày nay là miền tây Nga, Ukraina, Belarus, một phần Slovakia và Ba Lan Karl Klaus đặt tên cho nguyên tố như vậy để vinh danh quê hương ông, do ông sinh ra tại Tartu, Estonia, khi đó là một phần của đế quốc Nga

Cũng có thể là nhà hóa học Ba Lan Jedrzej Sniadecki đã cô lập được nguyên tố số 44 (ông gọi là vestium) từ quặng platin vào năm 1807 Tuy nhiên, công trình của ông đã không bao giờ được xác nhận và sau đó ông đã

tự rút yêu cầu về phát kiến của mình

1.2.2 Sơ lược về cấu tạo, vị trí [7], [14], [42]

- Rutheni có kí hiệu: Ru, rutheni là thành viên của nhóm platin, nằm ở ô 44 trong hệ thống tuần hoàn

- Cấu trúc tinh thể lục phương

- Năng lượng ion hoá của rutheni

trong bảng 1.1

Hình 1.13 Hình ảnh Rutheni

Trang 35

Bảng 1.1 Mức năng lượng ion hóa của rutheni.

Năng lượng ion hoá (kJ.mol-1) 710,2 1620 2747

1.2.3 Đồng vị của Rutheni [42]

Rutheni tự nhiên là hỗn hợp của 7 đồng vị Đồng vị phóng xạ ổn định nhất là 106Ru với chu kỳ bán rã 373,59 ngày, 103Ru với chu kỳ bán rã 39,26 ngày và 97Ru có chu kỳ bán rã 2,9 ngày

Mười lăm đồng vị phóng xạ khác cũng được nêu đặc trưng với nguyên

tử lượng nằm trong khoảng từ 89,93 (90Ru) tới 114,928 (115Ru) Phần lớn trong số này có chu kỳ bán rã nhỏ hơn 5 phút, ngoại trừ 95Ru (1,643 giờ) và

105Ru (4,44 giờ)

Phương thức phân rã chủ yếu của các đồng vị nhẹ hơn đồng vị phổ biến nhất (102Ru) là bắt điện tử còn phương thức phân rã chủ yếu của các đồng vị nặng hơn là bức xạ beta Sản phẩm phân rã chủ yếu của các đồng vị nhẹ hơn 102Ru là tecneti còn sản phẩm phân rã chủ yếu của các đồng vị nặng hơn là rhodi

1.2.4 Tính chất vật lý của Rutheni [7], [14], [42]

- Rutheni là một kim loại màu trắng, cứng (độ cứng theo thang Mohs

là 6,5) có 4 biến thể kết tinh và không bị xỉn đi ở nhiệt độ bình thường

- Nhiệt độ nóng chảy rất cao 2334oC, nhiệt độ sôi: 4150oC

- Rutheni là một kim loại nặng có khối lượng riêng: 12,2 g/cm3

- Rutheni có tính độc, gây ung thư

Trang 36

1.2.5 Một số tính chất hoá học của Rutheni [7], [14], [42]

- Rutheni bị oxi hóa dễ dàng trong không khí để tạo thành rutheni tetraoxit (RuO4)

- Rutheni không bị oxi hóa bởi các axit nhưng lại tan trong kiềm nóng chảy và bị các halogen ăn mòn ở nhiệt độ cao

1.2.6 Trạng thái tự nhiên và phương pháp sản xuất Rutheni [7], [14], [42]

Nguyên tố này nói chung được tìm thấy trong các loại quặng với các kim loại khác thuộc nhóm platin trong khu vực dãy núi Ural cũng như ở Bắc

và Nam Mỹ Những lượng nhỏ nhưng có tầm quan trọng thương mại cũng được tìm thấy trong pentlandit tách ra ở Sudbury, Ontario, Canada và trong các trầm tích pyroxenit ở Nam Phi

Rutheni là nguyên tố cực hiếm và nó đứng thứ 74 về độ phổ biến trong

số các kim loại trên Trái Đất Khoảng 12 tấn rutheni được khai thác mỗi năm với tổng trữ lượng toàn thế giới khoảng 5000 tấn

Kim loại này được cô lập ở quy mô thương mại thông qua công nghệ hóa học phức tạp trong đó hiđro được dùng để khử amoni rutheni clorua để sinh ra một chất bột Chất bột đó được làm đặc chắc bằng các kỹ thuật luyện kim bột hay bằng hàn hồ quang agon

Cũng có thể tách ra rutheni từ nhiên liệu hạt nhân đã sử dụng Mỗi kilogam các sản phẩm phân hạch của 235U chứa khoảng 63,44 gam các đồng

Trang 37

vị rutheni với chu kỳ bán rã dài hơn 1 ngày Do nhiên liệu hạt nhân đã sử dụng điển hình chứa khoảng 3% các sản phẩm phân hạch nên 1 tấn nhiên liệu hạt nhân đã sử dụng chứa khoảng 1,9 kg rutheni 103Ru và 106Ru sẽ làm cho rutheni phân hạch có tính phóng xạ cao Nếu như sự phân hạch diễn ra ngay lập tức thì rutheni được tạo thành từ đó sẽ có độ hoạt hóa cho 103Ru là 109 TBq g-1 và cho 106Ru là 1,52 TBq g-1 103Ru có chu kỳ bán rã khoảng 39 ngày nghĩa là trong phạm vi 390 ngày thì nó sẽ phân rã gần như tới trạng thái nền,

đủ tốt để cho việc tái chế có thể diễn ra 106Ru có chu kỳ bán rã khoảng 373 ngày, nghĩa là nếu nhiên liệu đã qua sử dụng để nguội trong 5 năm trước khi tái chế thì chỉ còn khoảng 3% lượng ban đầu còn đọng lại, phần còn lại đã phân rã tới trạng thái nền

1.2.7 Tác dụng sinh hóa của Rutheni [42]

Rutheni không đóng vai trò sinh học gì nhưng có thể làm sạm màu da người, có thể là chất gây ung thư và tích lũy sinh học trong xương

1.2.8 Ứng dụng của Rutheni [42]

Do khả năng làm cứng với platin và paladi nên rutheni được dùng trong các hợp kim platin và paladi để chế tạo các tiếp điểm điện chống mài mòn Đôi khi nó được tạo hợp kim với vàng trong nghề kim hoàn Nếu 0,1% rutheni được bổ sung vào titan để cải thiện khả năng chống ăn mòn của nó lên hàng trăm lần

Rutheni cũng được sử dụng trong một số các siêu hợp kim đơn tinh thể chịu nhiệt độ cao, với các ứng dụng như các cánh của tuabin trong các động

cơ phản lực

Rutheni cũng là chất xúc tác đa năng Hiđro sunfua có thể bị phân tách bằng ánh sáng với xúc tác là thể vẩn lỏng chứa các hạt CdS cùng rutheni

Trang 38

đioxit Điều này có thể là có ích để loại bỏ H2S từ các thiết bị tinh lọc dầu mỏ

và từ các quy trình công nghệ khác trong công nghiệp

Rutheni là thành phần của các anot oxit kim loại hỗn hợp được dùng

để bảo vệ catot cho các kết cấu ngầm dưới nước hay dưới đất và cho các điện cực điện phân trong các công nghệ sản xuất hóa chất như clo từ nước muối

Các phức chất kim loại hữu cơ của rutheni như cacben và allenyliden gần đây được phát hiện như là các chất xúc tác hiệu suất cao cho hoán vị olefin với các ứng dụng quan trọng trong hóa hữu cơ và hóa dược phẩm

Nhiều phức chất rutheni hấp thụ ánh sáng trong dải phổ nhìn thấy đang được nghiên cứu tích cực trong nhiều công nghệ tiềm năng trong năng lượng mặt trời Các chất nhuộm gốc rutheni được sử dụng như là nguồn tạo điện tử trong các tế bào năng lượng mặt trời sử dụng chất nhạy sáng, một hệ thống tế bào năng lượng mặt trời mới đầy triển vọng với giá thành thấp

Sự phát huỳnh quang của một vài phức chất gốc rutheni bị oxi làm tắt, được dùng làm các bộ phận trong thiết bị cảm biến quang học nhận diện oxi

Rutheni đỏ có công thức [(NH3)5Ru-O-Ru(NH3)4-O-Ru(NH3)5]6+ là chất biến màu sinh học được sử dụng để biến màu các phân tử nhiều anion như pectin và các axit nucleic cho kính hiển vi quang và kính hiển vi điện tử

Đồng vị phân rã beta 106 của rutheni được sử dụng trong liệu pháp phóng xạ đối với các khối u mắt, chủ yếu là u ác tính hắc tố của lớp phủ màng mạch

Các phức chất tâm rutheni đang được nghiên cứu để tìm kiếm các tính chất chống ung thư Các phức chất này của rutheni, khác với các phức chất truyền thống của platin, thể hiện sự kháng lại thủy phân cao hơn và tác động chọn lọc hơn đối với các khối u NAMI-A và KP1019 là hai loại dược phẩm

Trang 39

đang được thử nghiệm và đánh giá lâm sàng về tác dụng chống các khối u di căn và ung thư ruột già.

Gần đây, rutheni được gợi ý như là vật liệu có thể thay thế hữu ích cho các kim loại khác và các hợp chất silic trong các thành phần vi điện tử Rutheni tetraoxit (RuO4) dễ bay hơi, giống như rutheni trioxit (RuO3) Bằng cách oxi hóa rutheni (ví dụ bằng dòng oxi plasma) thành các oxit dễ bay hơi, rutheni có thể dễ dàng tạo ra các khuôn mẫu Các tính chất của các oxit thông thường của rutheni làm cho nó là kim loại tương thích với các kỹ thuật xử lý bán dẫn cần thiết để sản xuất các loại thiết bị vi điện tử

1.2.9 Khả năng tạo phức chất [23], [42]

Rutheni là kim loại rất linh hoạt, có thể dễ dàng tạo ra các phức chất với các liên kết cacbon - rutheni, do vậy các hợp chất này có xu hướng sẫm màu hơn và phản ứng nhanh hơn so với các hợp chất của Osmi

Hợp chất hữu cơ kim loại của rutheni dễ dàng tạo là RuHCl(CO)(PPh3)3 Hợp chất này có 2 dạng (màu vàng và màu hồng) là đồng nhất khi chúng hòa tan nhưng khác biệt khi ở trạng thái rắn

Hợp chất hữu cơ kim loại tương tự như rutenocen, đimetylpentađien) rutheni, dễ dàng tổng hợp ở khối lượng gần định lượng được và có ứng dụng trong ngưng đọng rutheni kim loại pha hơi cũng như trong xúc tác, bao gồm tổng hợp Fischer-Tropsch để tạo ra nhiên liệu lỏng cho ngành vận tải từ monoxit cacbon và hiđro

bis(2,4-Rutheni còn tạo nhiều phức chất với phối tử của các polypyridin và các phối tử khác

Các chất xúc tác quan trọng dựa trên rutheni là xúc tác Grubbs và phức

Trang 40

1.2.10 Một số phương pháp định lượng Rutheni

Hiện nay đã có rất nhiều phương pháp để xác định Rutheni như: phương pháp đo quang, phương pháp cực phổ, phương pháp von-ampe hoà tan, phương pháp phân tích khối lượng, phương pháp trao đổi ion, phương pháp phân tích khối lượng, phương pháp hấp thụ nguyên tử, phát xạ nguyên tử,

H3In H2In- HIn2- In3- (1.2)pH: - <7 7 >11

Màu: đỏ Đỏ Xanh Vàng da cam

- Trong quá trình chuẩn độ:

Mg2+ + H2Y2- MgY2- + 2H+ (1.3)

- Kết thúc chuẩn độ:

Mg2+ + HIn2- MgIn- + H+ (1.4)Dung dịch có màu đỏ nho của phức MgIn-

Định dạng
Số trang	100
Dung lượng	6,62 MB