Synthesis of platinumreduced graphene oxide composite materials by ex situ method for fabrication of cathodes in dye sensitiezed solar cells

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ---o0o--- NGUYỄN ĐĂNG KHOA TỔNG HỢP VẬT LIỆU COMPOSITE PLATIN/GRAPHENE OXIT DẠNG KHỬ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỐI TRỘN HUYỀN P

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -o0o -

NGUYỄN ĐĂNG KHOA

TỔNG HỢP VẬT LIỆU COMPOSITE PLATIN/GRAPHENE OXIT DẠNG KHỬ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỐI TRỘN

HUYỀN PHÙ ĐỂ CHẾ TẠO CATOT TRONG

PIN MẶT TRỜI CHẤT MÀU NHẠY QUANG

(Synthesis of platinum/reduced graphene oxide composite materials

by ex situ method for fabrication of cathodes

in dye-sensitiezed solar cells)

Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC

Mã số: 60520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 9 năm 2020

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Hiếu………

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Nguyễn Trần Hà – Chủ tịch

2 TS Nguyễn Tuấn Anh – Ủy viên phản biện 1

3 PGS.TS Nguyễn Thái Hoàng – Ủy viên phản biện 2

4 PGS.TS Trần Ngọc Quyển – Ủy viên

5 TS Nguyễn Văn Dũng – Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

(Họ tên và chữ ký)

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Đăng Khoa

MSHV: 1870534 Ngày, tháng, năm sinh: 08/09/1994

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học

Nơi sinh: TP HCM

Mã số: 60520301

I TÊN ĐỀ TÀI:

Tên tiếng Việt: Tổng hợp vật liệu composite platin/graphene oxit dạng khử bằng phương

pháp phối trộn huyền phù để chế tạo catot trong pin mặt trời chất màu nhạy quang

Tên tiếng Anh: Synthesis of platinum/reduced graphene oxide composite materials by

ex situ method for fabrication of cathodes in dye-sensitiezed solar cells

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

2.1 Tổng quan

Pin năng lượng mặt trời, pin mặt trời chất màu nhạy quang, vật liệu graphite, graphite oxit, graphene oxit, graphene, graphene oxit dạng khử, vật liệu composite platin/graphene oxit dạng khử

2.2 Thực nghiệm

- Tổng hợp vật liệu graphene oxit, graphene oxit dạng khử, các vật liệu composite

platin/graphene oxit dạng khử, các hệ keo platin/graphene oxit dạng khử, và keo graphene oxit dạng khử

- Chế tạo điện cực catot và khảo sát đặc tính điện hóa của điện cực

- Ráp pin và thử nghiệm hiệu quả làm việc của pin

- Khảo sát hình thái – cấu trúc – đặc tính của vật liệu graphene oxit, graphene oxit dạng

khử, và composite platin/graphene oxit dạng khử thích hợp

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/2020

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 09/2020

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN HỮU HIẾU, TS PHẠM TRỌNG LIÊM CHÂU

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến Ba, Mẹ, bạn bè, và người thân đã

quan tâm, động viên, và giúp đỡ mọi điều kiện tốt nhất cho tác giả trong suốt thời gian

học tập và thực hiện luận văn này

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Thầy TS Phạm Trọng Liêm Châu,

Thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Hiếu, Thầy PGS.TS Nguyễn Thái Hoàng, và Thầy ThS

Nguyễn Cảnh Minh Thắng, những người Thầy đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ trong suốt

quá trình làm luận văn và định hướng cho tác giả để có kết quả tốt nhất

Bên cạnh đó, tác giả xin gửi lời tri ân đến quý Thầy Cô Trường Đại Học Bách Khoa –

Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, đặc biệt là quý Thầy Cô Khoa Kỹ Thuật Hóa Học

đã tận tâm chỉ dạy và truyền đạt kiến kiến thức trong suốt thời gian học tập vừa qua Tác

giả chân thành cảm ơn tập thể nghiên cứu viên, các anh chị học viên cao học và các bạn

sinh viên của Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh –

Công Nghệ Hóa Học và Dầu Khí (CEPP Lab), Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học

Quốc Gia TP Hồ Chí Minh và Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Đại Học Quốc Gia TP

Hồ Chí Minh – Hóa Lý Ứng Dụng (APC Lab), Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên –

Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ và chỉ bảo kinh nghiệm tốt nhất

cho tác giả thực hiện luận văn này

TP Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2020

Tác giả

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Trong luận văn này, vật liệu composite platin/graphene oxit dạng khử (Pt/rGO) được tổng hợp từ bằng phương pháp phối trộn huyền phù từ vật liệu graphene oxit dạng khử (reduced graphene oxit – rGO) và hạt nano platin (Pt) Trong đó, rGO được tổng hợp từ tiền chất graphene oxit (graphene oxide – GO) và nano Ptđược tổng hợp từ tiền chất axit chloroplatinic (H2PtCl6) với các chất khử khác nhau được khảo sát: vitamin C, hydrazine hydrate, natri bohidrua, glucose, và natri citrate GO được tổng hợp từ graphite (Gi) bằng phương pháp Hummers cải tiến và rGO được tổng hợp từ GO bằng phương pháp khử hóa học Sau đó, hỗn huyển phù nano Pt được phân tán cùng với rGO và được khử bằng các chất khử với các phần trăm khối lượng rGO được khảo sát: 20, 40, 60, 80, và 100 % Các vật liệu Pt/rGO và rGO được sử dụng để chế tạo điện cực catot trong pin mặt trời chất màu nhạy quang (dye-sensitized solar cell – DSSC) bằng phương pháp in lụa Bên cạnh đó, điện cực catot đối chứng được chế tạo từ vật liệu nano Pt Điện cực catot sau khi chế tạo được khảo sát đặc tính điện hóa bằng phương pháp đo quét thế vòng tuần hoàn (cyclic voltammetry – CV)

Các điện cực catot đã chế tạo và điện cực anot từ keo TiO2 thương mại được sử dụng

để ráp pin DSSC Hiệu quả làm việc của pin DSSC được khảo sát bằng phương pháp đo đường đặc trưng mật độ dòng – thế (J-V) và phổ tổng trở điện hóa (electrochemical impedance spectroscopy – EIS) để chọn vật liệu phù hợp Vật liệu phù hợp được dùng để chế tạo điện cực catot với số lần quét điện cực khác nhau từ 1 đến 10 lần để kiểm tra điều kiện chế tạo điện cực tốt nhất trong pin DSSC

Ngoài ra, hình thái – cấu trúc – đặc tính của vật liệu Pt/rGO phù hợp và các vật liệu tiền chất được khảo sát bằng phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier (Fourier-transform infrared spectroscopy – FTIR), phổ Raman, giản đồ nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction – XRD), và kính hiển vi điện tử truyền qua (transmission electron microscopy – TEM)

ABSTRACT

In this thesis, platinum/graphene oxide composite (Pt/rGO) materials were synthesized from reduced graphene oxide (rGO) and Pt nanoparticles (Pt) by ex-situ method Accordingly, rGO was synthesized from graphene oxide (GO), which was synthesized from graphite (Gi) powder by improved Hummers method Pt nanoparticles were synthesized using the chemical reduction method with five reducing agent: vitamin C, hydrazine hydrate, sodium borohydride, glucose, and sodium citrate After that, Pt nanoparticles were dispersed in rGO suspension using the chemical reduction method with five different weight percents of rGO: 20, 40, 60, 80, and 100 wt%

Pt/rGO composite materials were used for fabrication of cathodes in dye-sensitized solar cells (DSSCs) using the screen-printing method For comparison, control cathode was fabricated from Pt nanoparticles The electrochemical properties of fabricated cathodes were investigated using the cyclic voltammetry (CV) measurement

Commercial TiO2 paste was used for fabrication of anodes The fabricated cathodes and anodes were used for DSSCs asembely The performances of fabricated DSSCs were investigated using, current density-voltage characteristic curves (J-V), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) to select the appropriate composite material The appropriate composite material was used for investigation the optimized number of coating layers (from 1 to 10 layers) for fabrication of cathode in DSSCs

In addition, characterization of appropriate Pt/rGO and precursor materials were investigated by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Raman spectroscopy, X-ray diffaction (XRD), and transmission electron microscopy (TEM)

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tác giả và được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy TS Phạm Trọng Liêm Châu và Thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Hiếu, và Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Công nghệ Hóa Học và Dầu Khí (CEPP Lab), Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP HCM, cùng với sự hỗ trợ của Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Hóa Lý Ứng Dụng (APC Lab), Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh

Các số liệu, kết quả nghiên cứu, và kết luận trong luận văn này là hoàn toàn trung thực, chưa từng được công bố trong bất cứ một công trình nào khác trước đây

Tác giả xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Tác giả

Nguyễn Đăng Khoa

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT LUẬN VĂN v

ABSTRACT vi

LỜI CAM ĐOAN vii

MỤC LỤC viii

DANH MỤC HÌNH xi

DANH MỤC BẢNG xiii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiv

LỜI MỞ ĐẦU xv

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Pin mặt trời 1

1.1.1 Giới thiệu 1

1.1.2 Các thế hệ pin mặt trời 2

1.1.2.1 Pin mặt trời thế hệ thứ nhất 2

1.1.2.2 Pin mặt trời thế hệ thứ hai 3

1.1.2.3 Pin mặt trời thế hệ thứ ba 3

1.1.2.4 Pin mặt trời thế hệ thứ tư 4

1.2 Pin mặt trời chất màu nhạy quang 4

1.2.1 Giới thiệu 4

1.2.2 Cấu tạo 5

1.2.3 Nguyên lý hoạt động 6

1.3 Graphite 7

1.4 Graphite oxit 8

1.5 Graphene oxit 9

1.6 Graphene 10

1.6.1 Cấu tạo và tính chất 10

1.6.2 Ứng dụng 11

1.6.3 Phương pháp tổng hợp 14

1.6.3.1 Phương pháp epitaxy 14

1.6.3.2 Phương pháp lắng đọng hơi hóa học 14

1.6.3.3 Phương pháp xen cài 15

1.6.3.4 Phương pháp bóc tách cơ học 15

1.6.3.5 Phương pháp điện hóa 16

1.6.3.6 Phương pháp oxy hóa – khử 17

1.7 Vật liệu composite platin/graphene oxit dạng khử 18

1.7.1 Tính chất 18

1.7.2 Phương pháp tổng hợp 18

1.7.3 Ứng dụng 20

1.8 Tính cấp thiết, mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu 20

1.8.1 Tính cấp thiết 20

1.8.2 Mục tiêu nghiên cứu 20

1.8.3 Nội dung nghiên cứu 20

1.8.4 Phương pháp nghiên cứu 21

1.8.4.1 Phương pháp tổng hợp vật liệu 21

1.8.4.2 Phương pháp chế tạo điện cực catot và pin DSSC 21

1.8.4.3 Phương pháp khảo sát đặc tính của catot 22

1.8.4.4 Phương pháp đánh giá hiệu quả làm việc của pin DSSC 23

1.8.4.1 Các phương pháp khảo sát cấu trúc – hình thái – đặc tính của vật liệu 27

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 32

2.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị, và địa điểm thực hiện 32

2.1.1 Hóa chất 32

2.1.2 Dụng cụ và thiết bị 33

2.1.3 Địa điểm thực hiện 35

2.2 Thí nghiệm 35

2.2.1 Tổng hợp vật liệu 35

2.2.1.1 Tổng hợp GO 35

2.2.1.2 Tổng hợp rGO 36

2.2.1.3 Tổng hợp vật liệu nano Pt 37

2.2.1.4 Tổng hợp vật liệu composite Pt/rGO 37

2.2.2 Chế tạo và khảo sát hoạt tính điện cực catot 38

2.2.2.1 Chế tạo hệ keo in lụa Pt/rGO 38

2.2.2.2 Chế tạo điện cực catot 39

2.2.2.3 Khảo sát hoạt tính điện hóa điện cực catot 40

2.2.2.4 Chế tạo điện cực anot 41

2.2.3 Ráp pin và thử nghiệm hiệu quả làm việc của pin 42

2.2.3.1 Ráp pin 42

2.2.3.2 Thử nghiệm hiệu quả làm việc của pin 43

2.2.4 Khảo sát hình thái – đặc tính – cấu trúc vật liệu 45

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 47

3.1 Vật liệu tổng hợp và đặc tính điện cực catot 47

3.2 Hiệu quả làm việc của pin 49

3.2.1 Đường đặc trưng J-V 49

3.2.2 Phổ EIS 54

3.3 Hình thái – đặc tính – cấu trúc vật liệu 57

3.3.1 Phổ FT-IR 57

3.3.2 Phổ Raman 58

3.3.3 Giản đồ XRD 59

3.3.4 Ảnh TEM 61

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Hiệu ứng quang điện 1

Hình 1.2: Pin mặt trời thế hệ thứ nhất 2

Hình 1.3: Pin mặt trời thế hệ thứ hai 3

Hình 1.4: Pin mặt trời thế hệ thứ ba 4

Hình 1.5: Cấu tạo của pin DSSC 5

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lí hoạt động của DSSC 6

Hình 1.7: Cấu trúc của Gi 8

Hình 1.8: Cấu trúc của GiO 8

Hình 1.9: Cấu trúc của GO 9

Hình 1.10: Cấu trúc của Gr 11

Hình 1.11: Chip điện tử làm bằng Gr 12

Hình 1.12: Tổng hợp Gr bằng phương pháp CVD 15

Hình 1.13: Tổng hợp Gr bằng phương pháp bóc tách cơ học 16

Hình 1.14: Tổng hợp Gr bằng phương pháp điện hóa 17

Hình 1.15: Tổng hợp Gr bằng phương pháp oxy hóa – khử 18

Hình 1.16: Phương pháp tổng hợp vật liệu composite Pt/rGO 19

Hình 1.17: Phương pháp in lụa 21

Hình 1.18: Giản đồ đo CVche cho hết chữ trên hình 22

Hình 1.19: Đường đặc trưng dòng – thế của pin DSSC 23

Hình 1.20: Phép đo phổ tổng trở của pin DSSC và sơ đồ mạch điện tương ứng 24

Hình 1.21: Cấu tạo của thiết bị chụp ảnh SEM 26

Hình 1.22: Cấu tạo của thiết bị quang phổ FTIR 27

Hình 1.23: Các quá trình chuyển dịch điện tử liên quan đến hiệu ứng Raman 29

Hình 1.24: Hiện tượng tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể chất rắn 30

Hình 1.26: Cấu tạo kính hiển vi điện tử truyền qua 31

Hình 2.1: Quy trình tổng hợp GO theo phương pháp Hummers cải tiến 35

Hình 2.2: Quy trình tổng hợp rGO 36

Hình 2.3: Quy trình tổng hợp vật liệu nano Pt 37

Hình 2.4: Quy trình tổng hợp Pt/rGO bằng phương pháp phối trộn huyền phù 38

Hình 2.5: Quy trình chế tạo hệ keo in lụa Pt/rGO 39

Hình 2.6: Quy trình chế tạo điện cực catot 40

Hình 2.7: Hệ thống đo CV trong dung dịch điện ly C10H10Fe 41

Hình 2.8: Quy trình chế tạo điện cực anot 41

Hình 2.9: Quy trình chế tạo DSSC 42

Hình 2.10: Máy đo J-V Keithley 2400 dưới hệ mô phỏng ánh sáng mặt trời photo simulator 43

Hình 2.11: Thiết bị đo EIS Gamry Reference 600 45

Hình 3.1: Sản phẩm sau quá trình phản ứng của H2PtCl6 và GO với các chất khử a) vitamin C, b) natri citrate, c) hydrazine hydrate, d) natri bohidrua, và e) glucose 47

Hình 3.2: Đồ thị CV của các điện cực catot đã chế tạo 48

Hình 3.3: Đường đặc trưng J-V của các các pin DSSC đã chế tạo 49

Hình 3.4: Đường đặc trưng J-V của các các pin DSSC đã chế tạo 52

Hình 3.5: Ảnh SEM chụp cắt lớp của các điện cực PG2 với a) 1 lần quét, b) 2 lần quét, và c) 3 lần quét 53

Hình 3.4: Biểu diễn mạch tương đương [RS+(CCE/RCE)+G+(Cd/Rd)] 54

Hình 3.5: DSSC đã chế tạo ở hai độ phân giải khác nhau 54

Hình 3.6: Phổ FT-IR của Gi, GO, rGO, và PG2 57

Hình 3.7: Phổ Raman của Gi, GO, rGO và PG2 58

Hình 3.8: Giản đồ XRD của Gi, GO, rGO và PG2 60

Hình 3.9: Ảnh TEM của vật liệu PG2 61

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Các hóa chất sử dụng trong đề tài 32

Bảng 2.2: Các thiết bị sử dụng trong luận văn 33

Bảng 2.3: Tỉ lệ khối lượng các mẫu vật liệu Pt/rGO 38

Bảng 2.4: Khảo sát số lần quét điện cực 44

Bảng 3.1: Các giá trị Ip và Ep của các điện cực catot đã chế tạo 48

Bảng 3.2: Các thông số đặc trưng của các các pin DSSC đã chế tạo 50

Bảng 3.2: Các thông số đặc trưng của các các pin DSSC PG2 với số lần quét khác nhau52 Bảng 3.3: Các thông số điện trở của các DSSC 56

Bảng 3.4: Các tỉ lệ ID/IG của Gi, GO, rGO, và PG2 59

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

s-Si Single -crystalline silicon solar cell Pin mặt trời silic đơn tinh thể p-Si Poly -crystalline silicon solar cell Pin mặt trời silic đa tinh thể a-Si Amorphous silicon solar cell Pin mặt trời silic vô định hình CdTe Cadmium Telluride Solar Cells Pin cadimi telluride

CIS Cooper-indium-selenide solar cell Pin đồng-indium-selen

CIGS Cooper-indium-gallium-diselenide

solar cell Pin đồng-indium-gallium-diselenit CZTS Copper zinc tin sulfide solar cell Pin đồng – kẽm – thiếc sulfide SQD Semiconductor quantum dots Pin bán dẫn chấm lượng tử

DSSC Dye-sensitized solar cell Pin mặt trời chất màu nhạy quang FTO Fluorine-doped tin oxide Thủy tinh oxit dẫn điện độn flo ITO Indium-doped tin oxide Thủy tinh oxit dẫn điện indium TCO Transparent conducting oxide Thủy tinh oxit dẫn điện HOMO Highest occupied molecular orbital Vân đạo chứa điện tử cao nhất LUMO Lowest uoccupied molecular orbital Vân đạo trống thấp nhất CVD Chemical vapor deposition Lắng đọng hơi hóa học

FTIR Fourier-transform infrared

spectroscopy

Phổ hồng ngoại chuyển hóa

Fourier TEM Transmission electron microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua

rGO Reduced graphene oxide Graphene oxit dạng khử HSE Hight Stability Electrolyte Dung dịch điện ly HSE

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, nhu cầu sử dụng năng lượng của mỗi quốc gia đang tăng cao Những nguồn năng lượng hóa thạch hiện nay như than đá, dầu mỏ đang gặp phải những vấn đề khó khăn do cạn kiệt nguồn tài nguyên và ô nhiễm môi trường Những vấn

đề cấp thiết trên đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu phát triển những công nghệ khai thác năng lượng không gây ô nhiễm và có thể tái tạo được từ các nguồn như mặt trời, gió, địa nhiệt, thủy triều, v.v Những nguồn năng lượng tái tạo này có ưu điểm chung

là sạch, thân thiện với môi trường và có trữ lượng gần như vô tận Đối với năng lượng mặt trời, là nguồn năng lượng đã được con người khai thác từ thời cổ đại để phục vụ các hoạt động sinh hoạt và sản xuất hằng ngày như sấy nông sản, phơi khô đồ dùng sinh hoạt, v.v Năng lượng mặt trời luôn có sẵn, dễ dàng khai thác, sử dụng và là nguồn năng lượng tái tạo đang được quan tâm nhiều nhất hiện nay Thiết bị để chuyển hóa năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng được gọi là pin mặt trời Yêu cầu của những thiết bị này là hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, hoạt động trong nhiều điều kiện, dễ lắp đặt, sửa chữa và chi phí sản xuất thấp Những yêu cầu này cũng chính là những thách thức đặt ra cho các nhà khoa học trên thế giới Trong hơn 50 năm qua, pin mặt trời không ngừng được cải tiến và đang mang lại nhiều kết quả khả quan, điển hình trong đó là pin mặt trời chất màu nhạy quang (dye sensitized solar cell – DSSC) Hiện nay, pin DSSC đang được nhiều quốc gia trên thế giới nghiên cứu phát triển vì giá thành sản xuất rẻ cũng như nguyên vật liệu sử dụng đa dạng

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh của vật liệu nano mà điển hình là các vật liệu của cacbon như ống than nano, cacbon vulcan hay graphene đã mở ra những hướng phát triển mới cho pin DSSC Trong đó, bao gồm việc cải tiến điện cực catot, điện cực anot,

và dung dịch điện ly trong DSSC là những hướng nghiên cứu chính mà các nhà khoa học quan tâm ngày nay nhằm mục đích giảm giá thành cũng như nâng cao hiệu suất cho pin mặt trời chất màu nhạy quang Vì vậy, đề tài được chọn để nghiên cứu trong đề tài này là:

“Tổng hợp vật liệu composite platin/graphene oxit dạng khử bằng phương pháp phối trộn huyền phù ứng dụng chế tạo điện cực catot trong pin mặt trời chất màu nhạy quang”

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Pin mặt trời

1.1.1 Giới thiệu

Pin mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện, là thiết bị sản xuất điện năng từ các chất bán dẫn dưới tác động của ánh sáng mặt trời Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời là dựa vào hiệu ứng quang điện Hiệu ứng quang điện là quá trình các điện tử hấp thu năng lượng từ photon ánh sáng và chuyển sang trạng thái kích thích, tách ra khỏi vật chất hay nguyên tử, được trình bày ở hình 1.1 [1] Hiệu ứng quang điện được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1839 bởi nhà vật lý người Pháp Alexandre-Edmond Becquerel Đến năm 1946, Russel Ohl đã phát minh ra tế bào quang điện (photovoltaic cell) đầu tiên làm bằng silicon (Si) Năm 1988, Charle Fritts chế tạo thành công pin mặt trời (solar cell) đầu tiên với hiệu suất 1 % [2]

Hình 1.1: Hiệu ứng quang điện [2]

Yếu tố quan trọng để đánh giá một tấm pin mặt trời đó là hiệu suất chuyển hóa năng lượng Ngoài ra, những yếu tố khác cần được quan tâm đó là: khả năng làm việc trong những môi trường khác nhau, giá thành, độ bền, vật liệu thân thiện với con người và môi trường Trong nhiều năm qua, pin mặt trời đã trải qua nhiều giai đoạn cải tiến và đang ngày càng trở nên thông dụng hơn, đáp ứng được nhu cầu trong sản xuất và đời sống Pin mặt trời đã trải qua bốn thế hệ pin

Photon

tự do

1.1.2 Các thế hệ pin mặt trời

1.1.2.1 Pin mặt trời thế hệ thứ nhất

Pin mặt trời thế hệ thứ nhất hay pin silic (Si) hiện là pin mặt trời có hiệu suất cao nhất và chiếm khoảng 80 % trong số tất cả các tấm pin mặt trời được bán trên toàn thế giới Pin mặt trời Si đầu tiên được phát mình vào năm 1954 với hiệu suất 6 % Cấu tạo chính của pin mặt trời thế hệ thứ nhất bao gồm hai lớp: lớp bán dẫn loại p (positive) và loại n (negative) Bán dẫn loại p thường được tạo ra bằng cách pha tạp Si với boron để tạo thêm các lỗ trống trên mạng Si Bán dẫn loại n thường được tạo ra bằng cách pha tạp Si với phốt-pho để có thêm điện tử tự do trong mạng tinh thể Si [2] Cấu tạo của pin thế hệ thứ nhất được thể hiện ở hình 1.2 Khi lớp bán dẫn Si nhận năng lượng từ ánh sáng mặt trời, các điện tử tự do ở lớp bán dẫn n sẽ di chuyển sang để lấp đầy các

lỗ trống ở lớp bán dẫn p Sau đó, các điện tử từ lớp bán dẫn n và lớp bán dẫn n sẽ cùng tạo ra điện trường, cho phép điện di chuyển từ điện cực p đến điện cực n, tạo thành dòng điện [3]

Hình 1.2: Pin mặt trời thế hệ thứ nhất [3]

Ưu điểm của pin thế hệ thứ nhất là tuổi thọ của pin có thể kéo dài đến 50 năm, hiệu suất pin cao hơn 10 %, dễ lắp đặt, vật liệu chế tạo phổ biến Tuy nhiên, pin có nhược điểm là chi phí sản xuất pin cao, hiệu suất chuyển hóa năng lượng giảm khi nhiệt độ tăng, dễ vỡ [3]

Bán dẫn loại n

Bán dẫn loại p

1.1.2.2 Pin mặt trời thế hệ thứ hai

Pin mặt trời thế hệ thứ hai thường được gọi là pin mặt trời lớp mỏng Pin mặt trời thế hệ thứ hai có độ dày giảm đi đáng kể khi so với thế hệ thứ nhất nhờ lớp bán dẫn có

độ dày cỡ micro mét, như thể hiện ở hình 1.3 [2] Pin lớp mỏng được cấu tạo từ các vật liệu khác nhau như Si vô định hình, cadmium indium selenide (CIS), cadmium telluride (CdTe), v.v

Pin lớp mỏng có ưu điểm là giảm chi phí trong quá trình sản xuất do tiết kiệm vật liệu, sản xuất ở nhiệt độ thấp và có khả năng tự động hóa [4] Pin lớp mỏng chiếm

12 % tổng thị trường pin mặt trời vào năm 2015 Tuy nhiên, pin có nhược điểm là hiệu suất thấp hơn pin thế hệ thứ nhất (10 – 15 %), sử dụng nhiều chất độc hại với môi trường và sức khỏe con người như Cd, Se, v.v thiếu độ ổn định [4]

Hình 1.3: Pin mặt trời thế hệ thứ hai [4]

1.1.2.3 Pin mặt trời thế hệ thứ ba

Thế hệ pin mặt trời thứ ba, điển hình là pin mặt trời chất màu nhạy quang sensitized solar cell – DSSC) được mong đợi có thể khắc phục được những nhược điểm của hai thế hệ trước Pin mặt trời thế hệ thứ ba có nhiều loại với cấu tạo và đặc điểm khác nhau Những pin mặt trời thuộc thế hệ thứ ba có thể kể đến là: pin tinh thể nano, pin mặt trời polyme, pin perovskite, pin mặt trời chấm lượng tử, pin DSSC v.v Pin mặt trời thế hệ thứ ba có các ưu và nhược điểm khác nhau, tùy thuộc vào từng loại pin Pin mặt trời thế hệ thứ ba được thể hiện ở hình 1.4 [2]

(dye-Hình 1.4: Pin mặt trời thế hệ thứ ba [2]

1.1.2.4 Pin mặt trời thế hệ thứ tư

Pin mặt trời thế hệ thứ tư là thế hệ pin có cấu trúc kết hợp giữa tính dẻo của vật liệu polyme và tính ổn định của vật liệu vô cơ Pin mặt trời thế hệ thứ tư được kỳ vọng có thể nâng cao hiệu suất chuyển hóa và khả năng hấp thu ánh sáng của pin Pin mặt trời thế hệ thứ tư hiện vẫn đang được nghiên cứu trong các phòng thí nghiệm và chưa được đưa ra thị trường [5]

Trong các loại pin mặt trời đang được phát triển, pin thế hệ thứ ba là thế hệ pin có tiềm năng phát triển hiện nay Pin DSSC là một trong số loại pin thế hệ thứ ba đã nhận được nhiều sự quan tâm của thế giới

1.2 Pin mặt trời chất màu nhạy quang

1.2.1 Giới thiệu

Pin mặt trời chất màu nhạy quang (hay còn được gọi là pin O'Regan–Grätzel) được O'Regan và Michael Grätzel công bố lần đầu tiên trên tạp chí Nature năm 1991 với hiệu suất chuyển hóa năng lượng ánh sáng mặt trời dưới ánh sáng nhân tạo trong phòng thí nghiệm, tương đương với hiệu suất của pin mặt trời Si đa tinh thể, nhưng giá thành rẻ và chỉ bằng 1/4 giá thành pin mặt trời Si đa tinh thể được nghiên cứu cùng thời điểm [6] Với những kết quả được công bố gần đây, pin DSSC mang những ưu điểm vượt trội như: quy trình chế tạo đơn giản, ít tốn năng lượng; mỏng, dẻo và nhẹ; vật liệu chế tạo pin phổ biến Pin DSSC ít nhạy với nhiệt độ nên có khả năng hoạt động ổn định khi nhiệt độ môi trường thay đổi, có thể hoạt động trong môi trường ánh sáng yếu Pin DSSC có khả năng chuyển hóa ánh sáng trong vùng bước sóng trải dài

từ vùng ánh sáng khả kiến đến vùng cận hồng ngoại Ngoài ra, pin DSSC không độc

hại và thân thiện với môi trường [2]

Bên cạnh những ưu điểm trên, pin DSSC vẫn có những nhược điểm như: hiệu suất chuyển hóa chưa cao so với pin thế hệ thứ nhất và thế hệ thứ hai, pin hoạt động không

ổn định do chất điện ly dễ bị rò rỉ hoặc bay hơi [2]

1.2.2 Cấu tạo

Cấu tạo cơ bản của một pin DSSC được thể hiện ở hình 1.5, gồm bốn thành phần chính: điện cực âm (anot), điện cực dương (catot), chất điện ly, và chất màu nhạy quang (dye)

Hình 1.5: Cấu tạo của pin DSSC [7]

Điện cực anot: hay còn gọi là điện cực quang đóng vai trò là chất hỗ trợ cho chất

màu nhạy quang và nhận điện tử được kích thích trong chất màu nhạy quang để chuyển ra mạch ngoài Vật liệu để chế tạo anot cần phải có khả năng xúc tác quang, độ truyền qua tốt và có diện tích bề mặt riêng lớn để hấp phụ chất màu nhạy quang Anot thường được chế tạo bằng vật liệu ZnO hoặc TiO2 phủ lên một tấm FTO Những hạt nano ZnO hoặc TiO2 được phủ lên FTO có kích thước khoảng 20 nm và bề dày được phủ khoảng 10 μm Các oxit của những kim loại như Zr, Al, Ti, Rh và Nb, v.v cũng được nghiên cứu cũng cho thấy khả năng dịch chuyển điện tích và làm tăng hiệu suất của pin [7]

Điện cực catot: hay còn gọi là điện cực đối, đảm nhiệm hai chức năng chính trong

pin DSSC: thu nhận điện tử và xúc tác cho phản ứng khử chất trung gian I3- thành I- để phục hồi trạng thái cho chất màu nhạy quang tiếp tục đảm nhiệm chức năng thu nhận ánh sáng [8] Vật liệu để chế tạo catot cần phải có khả năng xúc tác cho các quá trình

Pt

Chất điện

ly

Chất màu nhạy quang

trao đổi ion, độ dẫn điện cao và bền trong các môi trường dung dịch điện ly Catot thường được chế tạo bằng vật liệu platin (Pt) phủ lên một tấm kính dẫn điện (fluorine doped tin oxide – FTO) Một số vật liệu khác có thể được sử dụng điện cực catot trong pin DSSC như cacbon vulcan hoặc coban sulfide [9].

Chất điện ly (electrolytes): chất điện ly sử dụng trong pin DSSC có vai trò làm

trung gian vận chuyển điện tử giữa chất màu nhạy quang và catot Có ba dạng chất điện ly đang được sử dụng cho pin DSSC là dung dịch điện ly, chất điện ly rắn và chất điện ly giả rắn Hiệu suất của pin cũng phụ thuộc vào loại chất điện ly sử dụng và trong đó cặp (I-/I3-) đã được chứng minh là cặp oxi hóa – khử đem lại hiệu suất chuyển hóa cao và có tính ổn định hơn so với nhiều cặp oxi hóa – khử khác [6,10]

Chất màu nhạy quang (dye-sensitizers): là thành phần chính trong pin DSSC có

nhiệm vụ hấp thu ánh sáng và dẫn điện tử đến anot Nhiều loại chất màu nhạy quang

đã được nghiên cứu như chất màu ruthenium, chất màu porphyrin, chất màu hữu cơ, chấm lượng tử v.v Trong đó, chất màu nhạy quang thường dùng hiện nay là N719 (chất màu ruthenium), N3, v.v đang mang lại những kết quả khả quan

1.2.3 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lí hoạt động của pin DSSC được thể hiện ở hình 1.6

Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lí hoạt động của DSSC [11]

Các phân tử chất màu nhạy quang khi tiếp nhận bước sóng ánh sáng có năng lượng thích hợp sẽ được kích thích Điện tử trong chất màu nhạy quang đang ở mức vân đạo đầy cao nhất (highest occupied molecular orbital – HOMO) sẽ dịch chuyển lên mức

vân đạo trống thấp nhất (lowest unoccupied molecular orbital – LUMO) Điện tử của phân tử chất màu nhạy quang đang ở trạng thái kích thích có năng lượng cao hơn năng lượng của TiO2 nên điện tử này sẽ chuyển đến vùng dẫn (conduction band – CB) của TiO2 Điện tử này lan truyền theo các tinh thể trong lớp màng TiO2 đến lớp FTO theo

cơ chế khuếch tán và được dẫn ra mạch ngoài Lúc này, phân tử chất màu nhạy quang

bị mất đi điện tử nên cần được nhanh chóng cung cấp lại điện tử để hoàn nguyên lại trạng thái ban đầu Chất điện ly trong pin thực nhiệm vụ chuyển điện tử từ catot đến phân tử chất màu nhạy quang bằng cách thực hiện phản ứng oxi hóa – khử tại điện cực catot Sau khi được hoàn nguyên lại trạng thái ban đầu, các phân tử chất màu nhạy quang sẵn sàng nhận năng lượng ánh sáng kích thích để tiếp tục quá trình chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện [7,12]

Để cải thiện hiệu quả làm việc của DSSC, thì trên thế giới hiện nay, các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu vào ba hướng chính: dung dịch điện ly mới, vật liệu mới cho anot và vật liệu mới cho catot [13] Trong đó, hướng chế tạo vật liệu cho catot đang được quan tâm Catot thường được chế tạo bằng cách tổng hợp các hạt nano Pt thông qua sự phân hủy nhiệt tiền chất axit chloroplatinic (H2PtCl6) được phủ trên lớp thủy tinh dẫn FTO [14] Tuy nhiên, Pt có giá thành rất đắt sẽ làm chi phí sản xuất pin mặt trời tăng cao, không hiệu quả về mặt kinh tế Điều đó đặt ra vấn đề phải tìm một vật liệu khác thay thế một phần Pt trong catot mà vẫn đảm bảo hiệu suất pin

và cải thiện giá thành

Graphene (Gr) hiện nay nổi lên là một siêu vật liệu, đã thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học vì các tính chất tuyệt vời như hoạt tính xúc tác cao,

độ bền cao, độ truyền dẫn quang học cao v.v có tiềm năng để thay thế một phần Pt ở catot trong DSSC [15] Trong nghiên cứu này, graphene được tổng hợp từ tiền chất graphite

1.3 Graphite

Graphite (Gi) là một dạng thù hình của cacbon được tạo thành từ các đơn lớp Gr liên kết với nhau bằng tương tác Van der Waals [16] Trong mỗi đơn lớp Gr, các nguyên tử cacbon ở trạng thái lai hóa sp2 liên kết với nhau bằng liên kết cộng hóa trị sắp xếp theo hình lục giác đều Khoảng cách giữa các nguyên tử cacbon trong một lớp

là 0,142 nm và khoảng cách giữa các lớp với nhau là 0,335 nm [17] Cấu trúc của Gi được mô tả ở hình 1.7

Hình 1.7: Cấu trúc của Gi [17]

Gi được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực: chế tạo bút chì, làm chất bôi trơn, chế tạo điện cực, vật liệu chịu nhiệt sử dụng trong lò nung công nghiệp, ứng dụng trong các lò phản ứng hạt nhân, v.v [16] Gi được sử dụng làm nguyên liệu để tổng hợp các vật liệu trên cơ sở Gr: graphite oxit, graphene oxit, và Gr

1.4 Graphite oxit

Graphite oxit (GiO) là sản phẩm của quá trình oxy hóa Gi bởi các tác nhân oxy hóa mạnh như KClO3, NaNO3, và KMnO4 Cấu trúc của GiO được mô tả ở hình 1.8

Hình 1.8: Cấu trúc của GiO [18]

Do tác động của quá trình oxy hóa các nhóm chức chứa oxy như hydroxyl (-OH), epoxy (-O-), cacbonyl (-C=O), cacboxyl (-COOH), v.v được gắn lên bề mặt của Gi ban đầu Sự tồn tại của các nhóm chức chứa oxy giúp GiO trở nên ưa nước hơn Gi Đồng thời, khoảng cách giữa các đơn lớp GiO tăng lên đáng kể so với tiền chất Gi, đây là cơ sở cho việc tổng hợp các vật liệu trên cơ sở Gr từ Gi bằng phương pháp hóa học [19]

0,335 nm

1.5 Graphene oxit

Graphene oxit (GO) là đơn lớp của GiO, được tạo bằng cách siêu âm tách lớp huyền

phù GiO GO có độ dày nguyên tử, chỉ còn liên kết bền vững theo phương ngang, không có tính bất đẳng hướng như GiO [20] Cấu trúc của GO được thể hiện ở hình 1.9

Hình 1.9: Cấu trúc của GO [21]

Các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt có khả năng hình thành liên kết hydro làm cho

GO có khả năng phân tán trong nước cao Đồng thời, các nhóm chức trên bề mặt GO

mang điện tích âm nên sẽ tạo ra tương tác đẩy giữa các lớp làm tăng khoảng cách giữa

các lớp (0,65 – 0,75 nm) so với Gi (0,335 nm) [22] Bên cạnh đó, GO có diện tích bề

mặt riêng lớn và độ bền cơ học cao Tuy nhiên, các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt

GO phá vỡ mạng lưới sp2, làm cho GO có độ dẫn điện thấp khoảng 0,021 ± 0,002 S/m [23]

Các phương pháp tổng hợp GO đã được phát triển gồm Brodie, Staudenmeir, và Hummers [24] Tùy thuộc vào điều kiện oxy hóa GiO sẽ gây ra những sai biệt đáng kể tới cấu trúc và đặc tính của GO

Phương pháp Brodie được công bố vào năm 1859, sử dụng axit bốc khói HNO3, KClO3 là tác nhân xen kẽ và tác nhân oxy hóa Tuy nhiên, phương pháp này có những nhược điểm như phản ứng kéo dài trong khoảng bốn ngày, qua trình cần có ba giai đoạn oxy hóa, rửa, và sấy để thu được GiO có mức độ oxy hóa cao, sự bay hơi axit độc hại và hỗn hợp NO2/N2O4 từ axit bốc khói HNO3, và khí ClO2 dễ gây nổ sinh ra khi muối clorat trộn với axit mạnh

Phương pháp Staudenmaier được công bố năm 1898, sử dụng hỗn hợp H2SO4/HNO3 (tỉ lệ 2:1) kết hợp với KClO3 để oxy hóa Gi thành GiO Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là thời gian phản ứng kéo dài bốn ngày và phản ứng

Gần đây, phương pháp Hummers cải tiến được phát triển và đang được sử dụng phổ biến với việc thay thế NaNO3 bằng cách sử dụng hỗn hợp axit H2SO4/H3PO4 đậm đặc (tỉ lệ 9:1) và tăng lượng KMnO4 Phương pháp này đã khắc phục được hạn chế của các phương pháp tổng hợp truyền thống như quá trình phản ứng ít phát sinh khí độc, tỉ lệ cacbon bị oxy hóa cao hơn (nhiều nhóm chức -OH), sản phẩm GO thu được ít bị khuyết tật hơn

Sau quá trình oxy hóa, GO sẽ được sử dụng làm tiền chất để tổng hợp vật liệu Gr

1.6 Graphene

1.6.1 Cấu tạo và tính chất

Gr có cấu trúc tấm phẳng dày bằng một nguyên tử cacbon Gr là vật liệu kết cấu cơ bản của nhiều cấu trúc nano khác nhau cấu tạo bằng cacbon Gr có thể cuộn tròn để tạo thành fullerene (0D), hay cuộn lại để tạo thành ống nano cacbon (1D), hoặc xếp chồng các lớp Gr lại để tạo thành Gi [25] Cấu trúc tinh thể của graphene được thể hiện ở hình 1.10

Hình 1.10: Cấu trúc của Gr [26]

Cấu trúc đặc biệt đã giúp cho Gr có những những tính chất cơ học, quang học, hóa học vượt trội và độc đáo Gr có độ bền cơ học cao hơn thép 200 lần, mô-đun đàn hồi đạt 110 GPa Gr có khả năng dẫn điện, dẫn nhiệt rất cao (5000 W/mK), diện tích bề mặt lớn (2630 cm2/g) Gr có độ linh động điện tử lên đến 10000 cm2/V.s Bên cạnh đó,

Gr còn rất bền trong các môi trường hóa học, đặc biệt là những môi trường có tính ăn mòn hoặc axit [26]

1.6.2 Ứng dụng

Với các tính chất vượt trội như độ dẫn điện và diện tích bề mặt riêng lớn, Gr được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như chế tạo dây dẫn, điện cực, cảm biến, siêu tụ, chip điện tử, các loại pin, v.v

 Dây dẫn và điện cực trong suốt

Các nhà nghiên cứu của trường đại học California, Mỹ đã phát hiện tiềm năng của

Gr trong việc tạo nên dây dẫn và điện cực trong suốt trong các tấm pin mặt trời và các thiết bị điện tử Dây dẫn trong suốt là bộ phận tích hợp của các thiết bị điện tử, bao gồm tivi màn hình phẳng, màn hình cảm ứng, v.v Vật liệu chế tạo dây dẫn hiện tại là oxit thiếc indi nhưng vật liệu này có nhiều hạn chế như khan hiếm cùng với chi phí sản xuất cao, vật liệu này cũng rất cứng và dễ vỡ Với tính chất dẫn điện tuyệt vời, Gr trở thành một sự lựa chọn lý tưởng để làm dây dẫn và điện cực trong suốt Việc sử dụng

Gr đem lại hiệu quả cao, vừa đơn giản, rẻ tiền và thích hợp với các linh kiện mềm dẻo [27]

 Cảm biến và siêu tụ điện

Nhờ cấu trúc phẳng hai chiều mà Gr có diện tích bề mặt lớn (2630 m2/g), kết hợp với khả năng dẫn điện cao và độ nhiễu thấp nên Gr rất thích hợp để chế tạo các cảm biến nhạy khí Khi các phân tử khí bám vào bề mặt Gr sẽ làm thay đổi điện trở cục bộ

tại vị trí đó, dựa theo cơ chế này mà các phân tử khí sẽ được phát hiện Các cảm biến nhạy khí đã được chế tạo với kích thước micro mét có độ nhạy cao cho phép phát hiện các chất khí có nồng độ cực thấp [27]

Ngoài ra, màng Gr còn được sử dụng để chế tạo siêu tụ điện có các ưu điểm so với

tụ điện truyền thống như: điện dung lớn, bền, ít bảo dưỡng và trọng lượng nhỏ Các linh kiện bán dẫn khi được chế tạo từ Gr cho thấy các điện tử có khả năng di chuyển

mà không bị tán xạ từ điện cực nguồn đến điện cực thu ở nhiệt độ phòng [27]

 Chip điện tử

Một loại chip thử nghiệm làm từ Gr đã được chế tạo với khả năng khuếch đại tín hiệu điện tử, như thể hiện ở hình 1.11 Theo các nhà khoa học, việc khuếch tán tín hiệu điện tử hiện nay thường tạo ra tín hiệu nhiễu và đòi hỏi phải có bộ lọc mạnh và tiêu tốn năng lượng Các loại chip Gr chỉ sử dụng một transitor và nguồn ra hoàn toàn sạch và không cần bộ lọc Các nhà khoa học dự đoán, Gr sẽ thay thế Si trong ngành công nghiệp điện tử trong tương lai [27]

Hình 1.11: Chip điện tử làm bằng Gr [27]

 Chế tạo pin điện hóa

Các thiết bị di động hiện nay đòi hỏi nhu cầu cần phải sạc lại liên tục khi sử dụng Năm 2011, các nghiên cứu tại trường đại học Northwestern cho thấy rằng catot làm bằng Gr giúp đẩy nhanh quá trình sạc pin với thời lượng nạp nhanh hơn đến 10 lần so với các điện cực làm bằng than chì truyền thống Các nhà khoa học tại đại học Rice cho biết Gr khi trộn với vanadi oxit ứng dụng trong điện cực âm pin, có thể sạc tới

90% dung lượng chỉ trong 20 giây, mà vẫn giữ được khả năng sạc ngay cả sau 1000 chu kì sử dụng [28]

 Chế tạo pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu là một công nghệ tiên tiến mang nhiều triển vọng thay thế các nguồn nhiên liệu hóa thạch trong tương lai Tuy nhiên, điện cực sử dụng trong pin nhiên liệu

là Pt vốn là kim loại đắt tiến Để có thể thương mại hóa pin nhiên liệu, yêu cầu cần phải giảm lượng sử dụng Pt trong pin và tăng hiệu suất của pin Để giải quyết vấn đề này, cần phải kết hợp Pt với một chất nền có giá thành thấp hơn, có diện tích bề mặt riêng lớn và độ dẫn điện cao Vì vậy, Gr được sử dụng làm vật liệu composite kết hợp với Pt và hướng tới phát triển những vật liệu thay thế Pt trong pin nhiên liệu [29]

 Tổng hợp vật liệu hấp phụ

Do sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp, những chất ô nhiễm độc hại như ion kim loại nặng, các hợp chất phenolic, chất màu hữu cơ, v.v đã liên tục phát thải vào môi trường với hàm lượng ngày càng tăng và gây tác động xấu đến sức khỏe con người và sinh vật Nhiều phương pháp được áp dụng để xử lý nước ô nhiễm như kết tủa hóa học, trao đổi ion, màng lọc, sinh học, hấp phụ, v.v Trong đó, hấp phụ

là phương pháp được sử dụng phổ biến hơn với ưu điểm vận hành đơn giản, chi phí thấp, và không cần đầu tư nhiều thiết bị tốn kém Tuy nhiên, các loại vật liệu hấp phụ trước đây như là than bùn, than hoạt tính, đất sét, zeolite, v.v vẫn chưa đem lại hiệu quả cao Các vật liệu hấp phụ trên cơ sở Gr như Fe3O4/GO, MnFe2O4/GO, graphene aerogel đã cho thấy khả năng xử lý hiệu quả đối với các loại chất màu, kim loại nặng,

để làm giảm giá thành sản xuất, hướng đến thay thế một phần hoặc hoàn toàn lượng Pt

sử dụng trong catot của pin Tổng hợp vật liệu composite platin/graphene oxit dạng khử (Pt/rGO) nhằm chế tạo catot trong pin DSSC, giúp làm giảm hàm lượng Pt sử dụng trong pin DSSC, qua đó làm giảm chi phí sản xuất, chế tạo pin DSSC Ngoài ra,

Gr còn có thể sử dụng làm chất nhạy quang thay thế cho chất màu để tạo thành pin mặt trời chấm lượng tử [31]

1.6.3 Phương pháp tổng hợp

Để tổng hợp Gr có hai phương pháp cơ bản là từ nguyên tử cacbon (từ dưới lên) và

từ graphite (từ trên xuống)

Phương pháp từ dưới lên (bottom up) bao gồm lắng đọng hơi hóa học (chemical vapor deposition – CVD), phương pháp epitaxy bằng cách nhiệt phân trên nền SiC, và phương pháp xen cài Các nguyên tử cacbon trên chất nền được tạo mầm và phát triển mạch tạo thành đơn lớp Gr Các phương pháp này có thể tạo được sản phẩm Gr với chất lượng cao

Phương pháp từ trên xuống (top down) dựa trên tiền chất quan trọng là Gi Phương pháp từ trên xuống dựa trên nguyên tắc là gia tăng khoảng cách, giảm tương tác Van der Waals giữa các đơn lớp trong cấu trúc Gi Phương pháp này cho phép sản xuất Gr với quy mô công nghiệp, chi phí thấp, bao gồm các phương pháp: bóc tách cơ học (mechanical exfoliation), bóc tách trực tiếp trong pha lỏng (liquid – phase exfoliation), phương pháp oxy hóa – khử (oxidation – reduction method) [29,32]

1.6.3.1 Phương pháp epitaxy

Phương pháp epitaxy là phương pháp dựa trên cơ chế phân hủy nhiệt của chất nền Phương pháp này thông thường được tiến hành với SiC, nơi các đơn lớp Gr được tổng hợp trong môi trường chân không Quá trình này được xử lý ở nhiệt độ cao (khoảng

1300 °C ở áp suất chân không hoặc ở 1650 oC trong môi trường khí argon) sẽ dẫn đến

sự thăng hoa của các nguyên tử Si (Si thăng hoa ở 1150 oC trong môi trường chân không và ở 1500 oC trong môi trường khí argon) Do nhiệt độ cao, Si bốc hơi khỏi bề mặt kéo theo sự phá vỡ cấu trúc SiC ở hai bên, kết quả là còn lại đơn lớp Gr bên trong [26,32]

Nhược điểm của phương pháp này là chi phí cơ sở vật chất cao, hiệu suất phụ thuộc rất lớn vào chất nền, việc tương tác mạnh giữa Gr và SiC sẽ gây khó khăn trong việc chuyển lên bề mặt khác [33]

1.6.3.2 Phương pháp lắng đọng hơi hóa học

Phương pháp CVD là phương pháp dùng các chất khí lắng đọng trên bề mặt chất nền chất rắn có độ hòa tan nguyên tử cacbon cao như Ni hay Pd với vai trò như một chất xúc tác Chất nền được gia nhiệt đến nhiệt độ cao, ở điều kiện đó các nguyên tử

cacbon được hấp phụ lên bề mặt kim loại, sau đó sẽ được ngưng tụ trong các lỗ xốp trên bề mặt chất nền sau khi được làm nguội đến nhiệt độ phòng [26,32] Quy trình tổng hợp Gr bằng phương pháp CVD được thể hiện ở hình 1.12

1.6.3.3 Phương pháp xen cài

Graphite cũng có thể được tác lớp để tạo ra Gr thông qua sự xen cài Các loại hóa chất khác nhau có thể được sử dụng để xen cài vào không gian giữa các lớp Gi để tạo

ra các hợp chất xen kẽ graphit (graphite intercalation compounds – GIC) Do sự hiện diện của các chất xen cài giữa các lớp Gi, khoảng cách giữa chúng tăng lên Điều này cũng làm thay đổi các thuộc tính của Gr vì khoảng cách xen kẽ tăng ảnh hưởng đến sự ghép nối điện tử giữa các lớp Gr Các chất xen cài khác nhau có thể dẫn đến GIC có các thuộc tính khác nhau, có thể sử dụng cho các ứng dụng tập trung vào hiệu suất điện, nhiệt, và từ [26,32]

1.6.3.4 Phương pháp bóc tách cơ học

Phương pháp bóc tách cơ học là kỹ thuật tổng hợp điển hình của phương pháp tổng hợp từ trên xuống, tiền chất của Gr được tách rời từng lớp, tạo thành các tấm Gr Nhóm nghiên cứu từ Đại học Manchester bao gồm cả hai người đoạt giải Nobel, Geim

và Novoselov, đã tổng được Gr bằng phương pháp "băng dính" hoặc phương pháp bóc tách để liên tục tách các tinh thể graphite thành các lớp mỏng hơn như thể hiện ở hình

H2O

thạch anh

1.13 Băng chứa các mảnh trong suốt quang học sau đó được hòa tan trong axeton; một vài bước sau, các mảnh chứa cả Gr đa lớp và đơn lớp được lắng đọng trên một tấm silicon được nghiên cứu dưới kính hiển vi Kỹ thuật này sau đó được các nhà nghiên cứu sửa đổi để tránh giai đoạn, nơi Gr nổi trong chất lỏng Những cải tiến trong kỹ thuật này cuối cùng đã tạo ra được các mảnh Gr có kích thước lớn hơn 1 mm, có thể nhìn thấy bằng mắt thường [32]

1.6.3.5 Phương pháp điện hóa

Phương pháp điện hóa là phương pháp tổng hợp Gr sử dụng điện cực anot từ Gi và dung dịch điện ly bao gồm hai phần: nước và muối vô cơ hoặc chất lỏng ion Phương pháp này đơn giản, không đòi hỏi nhiều chi phí và thiết bị phức tạp Phương pháp điện hóa bao gồm bốn quá trình diễn ra liên tục: (1) điện phân nước ở điện cực tạo ra các gốc hydroxyl và oxy; (2) các gốc oxy bắt đầu ăn mòn điện cực anot Gi tại các vị trí cạnh, ranh giới hạt và các vị trí khuyết tật trong cấu trúc, dẫn đến sự mở rộng của các đơn lớp; (3) các anion của chất điện ly xen cài vào trong các cạnh của các lớp Gi và giãn nở điện cực; (4) lượng kết tủa tạo ra chính là các tấm graphene đơn lớp Các tính chất của Gr tạo thành có thể được kiểm soát thông qua điều chỉnh các thông số điện hóa và các dung dịch điên ly khác nhau trong quá trình tổng hợp [35]

Gr đơn lớp

Hình 1.14: Tổng hợp Gr bằng phương pháp điện hóa [35]

1.6.3.6 Phương pháp oxy hóa – khử

Phương pháp oxy hóa – khử là phương pháp có tiềm năng lớn trong việc tổng hợp

Gr quy mô lớn Phương pháp oxy hóa – khử tổng hợp Gr từ tiền chất là GO, sử dụng các tác nhân khử như nhiệt độ, vi sóng, tia chiếu xạ, và các chất khử để khử các nhóm chức chứa oxy trong cấu trúc của GO Quy trình tổng hợp Gr theo phương pháp oxy hóa – khử được thể hiện ở hình 1.15 Phương pháp oxy hóa – khử có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện, không yêu cầu thiết bị, hóa chất phức tạp, và thuận lợi cho các ứng dụng của Gr như mực in, tổng hợp vật liệu composite, kết hợp với polymer, hay chế tạo màng, v.v Nhược điểm của phương pháp này là Gr tạo ra không thể khử hết toàn

bộ các nhóm chức chứa oxy từ GO Do đó, sản phẩm tạo ra còn được gọi là graphene oxit dạng khử (reduced graphene oxide – rGO) Do có các nhóm chức chứa oxy vẫn còn tồn tại trong cấu trúc, nên rGO có thể phân tán trong các loại dung môi tốt hơn so với các phương pháp khác Các thông số của quá trình tổng hợp ảnh hưởng lớn đến các tính chất của sản phẩm rGO như độ dẫn điện, dẫn nhiệt, diện tích bề mặt riêng, v.v Phương pháp này còn mang khả năng biến tính sản phẩm rGO với các nhóm chức đặc trưng được gắn vào cấu trúc mạng của rGO, nhằm tạo ra các tính chất đặc biệt của rGO [29,36]

Graphite Điện cực đối

Bóc tách điện hóa

Hình 1.15: Tổng hợp Gr bằng phương pháp oxy hóa – khử [36]

Trong luận văn này, phương pháp oxy hóa – khử được sử dụng để tổng hợp vật liệu

Gr, hay còn gọi là rGO, vì đây là một phương pháp đơn giản, dễ triển khai thực hiện trong phòng thí nghiệm, và không đòi hỏi thiết bị hay hóa chất phúc tạp Phương pháp này thường được các phòng thí nghiệm sử dụng để nghiên cứu các vật liệu composite trên cơ sở graphene, trong đó có vật liệu composite platin/graphene oxit dạng khử

1.7 Vật liệu composite platin/graphene oxit dạng khử

Hiện nay, vật liệu xúc tác kim loại kích thước nano điển hình là Pt trên vật liệu nền

Gr hay rGO vẫn đang được sử dụng phổ biến trong các pin nhiên liệu và DSSC thương mại do hoạt tính xúc tác tốt cho cả hai điện cực anot và catot Để giảm giá thành của vật liệu xúc tác, các xúc tác Pt/rGO cần được tăng hoạt tính cũng như độ bền nhằm giảm chi phí đầu tư cho DSSC

1.7.1 Tính chất

Trong vật liệu composite Pt/rGO, rGO đóng vai trò giúp phân tán đều các hạt nano

Pt sau khi tổng hợp từ tiền chất, tránh bị kết tụ, đảm bảo sự phân bố đồng đều của hạt

Pt trên màng rGO [13] Trong vật liệu Pt/rGO, Pt tồn tại chủ yếu ở dạng Pt0 và một phần ở dạng Pt2+, Pt4+ Hoạt tính xúc tác cao của composite Pt/rGO là do sự giảm khoảng cách giữa các nguyên tử Pt làm giảm độ dài liên kết Pt-Pt, hình thành nhiều tâm xúc tác hơn, kết quả là làm tăng hoạt tính xúc tác của điện cực catot [37]

Pt/ rGO bao gồm: hóa học, hóa keo, ngâm tẩm, mạ điện, phún xạ, v.v Phân loại theo cách sử dụng vật liệu tiền chất thì có hai phương pháp chính để tổng hợp vật liệu composite Pt/rGO, tương tự như các loại vật liệu composite với cấu trúc nano khác, bao gồm phương pháp phối trộn huyền phù và phương pháp đồng kết tủa như thể hiện

lệ yêu cầu sau khi lọc rửa [39]

 Phương pháp phối trộn huyền phù

Trong phương pháp này, vật liệu rGO được tổng hợp trước bằng phương pháp khử hóa học Sau đó vật liệu nano Pt sẽ được tổng hợp bằng phương pháp kết tủa và được phối trộn với rGO Trong luận này, vật liệu Pt/rGO được tổng hợp bằng phương pháp

phối trộn huyền phù vì phương pháp này có ưu điểm là dễ thực hiện và dễ kiểm soát

do quá trình khử hai vật liệu thành phần được thực hiện riêng biệt [40]

1.7.3 Ứng dụng

Vật liệu composite Pt/rGO thường được sử dụng để làm xúc tác cho các phản ứng hóa học như phản ứng khử oxy, nên thường được dùng làm điện cực trong các loại pin nhiên liệu [41] Ngoài ra, Pt/rGO còn được sử dụng để chế tạo cảm biến đối với các hợp chất như hydro peroxit (H2O2), glucose, v.v [42,43]

Vật liệu Pt/rGO được sử dụng để chế tạo điện cực catot trong DSSC Vật liệu rGO với độ dẫn điện cao sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho sự dịch chuyển điện tử trong catot của DSSC Diện tích bề mặt riêng lớn của rGO giúp cho catot chế tạo từ vật liệu Pt/rGO có thể hấp phụ được nhiều dung dịch điện ly hơn, tăng cường quá trình tái tạo dung dịch điện ly làm cho điện tử trong pin di chuyển nhanh và ổn định giúp tăng hiệu suất DSSC Do đó, vật liệu Pt/rGO là một vật liệu tiềm năng để chế tạo catot trong DSSC [13]

1.8 Tính cấp thiết, mục tiêu, nội dung và phương pháp nghiên cứu

1.8.1 Tính cấp thiết

Ngày nay, xu hướng năng lượng tái tạo trên thế giới đang ngày càng phát triển Bên cạnh các nguồn năng lượng thay thế như: năng lượng gió, năng lượng nước thì năng lượng mặt trời cũng đang dành được nhiều sự thu hút và quan tâm trên thế giới Nhiều thế hệ pin mặt trời đã được phát triển; trong đó, DSSC được xem là thế hệ pin năng lượng mặt trời triển vọng phát triển mạnh trong tương lai Tuy nhiên, giá thành sản xuất DSSC vẫn còn cao và hiệu suất của pin vẫn còn chưa cao

Trong luận văn này, vật liệu composite Pt/rGO được tổng hợp dùng để chế tạo điện cực catot trong DSSC, giảm tỉ lệ Pt trong catot và cải thiện hiệu suất chuyển hóa của DSSC

1.8.2 Mục tiêu nghiên cứu

Tổng hợp thành công vật liệu composite Pt/rGO để chế tạo điện cực catot trong pin mặt trời chất màu nhạy quang nhằm giảm hàm lượng Pt sử dụng trong pin

1.8.3 Nội dung nghiên cứu

Nội dung 1: Tổng hợp các vật liệu composite Pt/rGO Chế tạo điện cực catot

Pt/rGO và khảo sát đặc tính điện hóa của điện cực catot

Nội dung 2: Ráp pin và thử nghiệm hiệu quả làm việc của pin DSSC

Nội dung 3: Khảo sát hình thái – đặc tính – cấu trúc của vật liệu composite Pt/rGO

và các vật liệu tiền chất

1.8.4 Phương pháp nghiên cứu

1.8.4.1 Phương pháp tổng hợp vật liệu

Các vật liệu GO, rGO và Pt/rGO được tổng hợp theo phương pháp:

 Vật liệu GO được tổng hợp bằng phương pháp Hummers cải tiến [26]

 Vật liệu rGO được tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học với tác nhân khử vitamin C [44]

 Vật liệu Pt/rGO được tổng hợp bằng phương pháp phối trộn huyền phù [45]

 Hệ keo Pt/rGO được tổng hợp từ vật liệu Pt/rGO, nano Pt, và rGO với các chất tạo keo: etyl xenlulozo, -butyrolactone, và -terpineol [46]

1.8.4.2 Phương pháp chế tạo điện cực catot và pin DSSC

Nhiều phương pháp để chế tạo điện cực trong pin DSSC đã được phát triển như phương pháp phủ quay (spin coating), phủ phun (spray coating), phủ nhúng (dip coating), dao bác sĩ (doctor-blade), điện phân (electrodeposition), v.v Trong đó, phương pháp in lụa (screen printing) là một trong những phương pháp thường được sử dụng để chế tạo điện cực trong pin DSSC Phương pháp in lụa là phương pháp in được thực hiện thông qua các vải lưới để chuyển keo in lên đế nền như thể hiện ở hình 1.17 Trong quá trình chế tạo điện cực cho pin DSSC, thì đế nền là FTO Phương pháp in lụa

có ưu điểm là chi phí thấp, thuận tiện, vận hành nhanh, có thể áp dụng để phủ vật liệu lên diện tích lớn Sau quá trình in lụa, điện cực sẽ được nung ở nhiệt độ cao để loại các thành phần hữu cơ trong hệ keo in Sản phẩm cuối cùng là vật liệu được phủ lên kính FTO, đây chính là điện cực được chế tạo [47,48] Sau đó, hai điện cực đã in lụa sẽ được ráp với nhau bằng surlyn để kết dính hai điện cực lại với nhau

Hình 1.17: Phương pháp in lụa

Sau khi chế tạo điện cực catot từ hệ keo đã được tổng hợp, các điện cực sẽ được khảo sát đặc tính điện hóa để đánh giá khả năng xúc tác cho phản ứng chuyển điện tử của điện cực catot

1.8.4.3 Phương pháp khảo sát đặc tính của catot

Phương pháp đo CV được dùng để xác định nhiệt động và động học của quá trình chuyển điện tử của hệ điện ly I3-/I- trên bề mặt điện cực catot Gr, Pt, và Pt/rGO Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn là một trong những kỹ thuật điện hóa thông dụng để khảo sát động học phản ứng điện hóa Giản đồ CV của các hệ thuận nghịch như ferrocence được thể hiện ở hình 1.18 Từ đồ thị CV có thể xác định được vị trí đỉnh dòng catot với cường độ dòng ipc tại điện thế Epc, đỉnh dòng anot với cường độ dòng ipa và điện thế Epa Vị trí Epc và Epa đặc trưng cho quá thế của điện cực để có thể thực hiện các quá trình trao đổi điện tử, ipc và ipa đặc trưng cho tốc độ các quá trình điện hóa diễn ra trong điện cực [49]

Thế áp vào hệ (V) Hình 1.18: Giản đồ đo CVSau khi khảo sát đặc tính điện cực bằng phương pháp đo CV, các điện cực catot sẽ được ráp với điện cực catot từ hệ keo TiO2 thương mại để tạo thành pin DSSC hoàn chỉnh Các pin DSSC sẽ được khảo sát hiệu quả làm việc bằng phương pháp đo đường đặc trưng mật độ dòng – thế (current – voltage curves – J – V) để đo hiệu suất chuyển

Dòng oxy hóa

Dòng khử

hóa của pin và phổ tổng trở điện hóa (electrochemical impedance spectroscopic – EIS)

để khảo sát các quá trình chuyển điện tử diễn ra trong pin

1.8.4.4 Phương pháp đánh giá hiệu quả làm việc của pin DSSC

 Phương pháp đo đường đặc trưng mật độ dòng – thế

Nguyên lý: Phương pháp đo đường đặc trưng J – V được thực hiện bằng cách thay

đổi thế áp lên pin mặt trời đang được chiếu sáng với cường độ xác định (cường độ chuẩn 1000 W/m2) và đo dòng điện mạch ngoài tương ứng

Ứng dụng: Đường đặc trưng J – V cho phép xác định các thông số quang điện hóa

biểu thị khả năng hoạt động của pin bao gồm dòng ngắn mạch ISC (mA), mật độ dòng ngắn mạch JSC (mA/cm2), thế mạch hở VOC (mV), công suất cực đại Pmax, hệ số lấp đầy

ff (fill factor), và hiệu suất chuyển hóa η (%) [49] Đường đặc trưng J – V của pin có

dạng như hình 1.19

Thế (V) Hình 1.19: Đường đặc trưng dòng – thế của pin DSSC [49]

Điểm có công suất cực đại: Công suất của pin thay đổi thay đổi theo thế V trong dải hoạt động từ VO đến VOC tương ứng với dòng J = 0 đến JSC Imax và Vmax là các giá trị dòng và thế mà tại đó công suất của pin đạt cực đại (Pmax = Imax × Vmax)

Hệ số lấp đầy ff là tỉ số giữa công suất cực đại Pmax với công suất lý thuyết P0 (P0 = VOC × ISC) Do đó:

ff =Imax × Vmax

trong đó Imax và Vmax là của các giá trị dòng và thế mà tại đó công suất của pin đạt cực đại; VOC là thế mạch hở của pin (V), là điểm cắt trục hoành của đường J – V; ISC là dòng ngắn mạch của pin (A), là điểm cắt trục tung của đường J – V

Hiệu suất chuyển hóa năng lượng η (%) được xác định bằng tỉ số công suất cực đại

và công suất photon tới

η (%) = ff × JSC× VOC

trong đó IO là cường độ ánh sáng tới (mW/cm2)

Hiệu suất chuyển hóa pin là thông số quan trọng nhất để đánh giá vật liệu tổng hợp điện cực anot để chế tạo pin DSSC Các thí nghiệm khảo sát sẽ dựa trên kết quả hiệu suất pin cao nhất để lựa chọn vật liệu phù hợp

 Phương pháp đo tổng trở điện hóa của pin DSSC

Nguyên lý: Phương pháp đo EIS được sử dụng để xác định các quá trình chuyển

điện tử giữa các giao điểm xảy ra trong DSSC Phân tích phổ tổng trở điện hóa cho phép hiểu rõ hơn diện quá trình xảy ra trên ranh giới điện cực và dung dịch điện ly Sơ

đồ mạch điện mô phỏng và giản đồ thế EIS được thể hiện ở hình 1.20 Dựa vào sơ đồ

và kết qua đồ thị đo phổ tổng trở, có thể xác định được các giá trị điện trở của các quá trình trao đổi điện tích diễn ra trong pin Giá trị điện trở càng cao sẽ càng cản trở các quá trình diễn ra trong pin, làm giảm hiệu suất của pin [50]

Hình 1.20: Phép đo phổ tổng trở của pin DSSC và sơ đồ mạch điện tương ứng [50]

Ứng dụng: Phương pháp đo EIS giúp đánh giá các quá trình khuếch tán, động học,

lớp kép và tương tác của các vật liệu Gr, Pt, TiO2, Pt/rGO, và Gr-TiO2 với bề mặt thủy

tinh dẫn FTO Theo hình 34, thông thường trong pin DSSC sẽ có ba quá trình điện hóa xảy ra tương ứng với ba bán cung ở ba tần số khác nhau Trong đó, bán cung ở tần số cao (f1) đặc trưng cho quá trình chuyển điện tích trên ranh giới catot/dung dịch diện ly Bán cung ở tần số trung bình (f2) đặc trưng cho quá trình trao đổi điện tử trên màng TiO2 bao gồm quá trình khuếch tán điện tử trên màng và phản ứng tái hợp của điện tử với cặp oxy hóa khử của dung dịch điện ly Bán cung ở tần số thấp (f3) biểu thị cho quá trình khuếch tán điện tử trong dung dịch điện ly nằm giữa catot và anot Tuy nhiên, tùy vào bản chất của từng loại pin DSSC khác nhau mà các bán cung thể hiện rõ ràng hay bị chồng lấp lên nhau

Bên cạnh khảo sát các mẫu vật liệu, khảo sát quy trình ráp pin cũng cần được thực hiện để xác định bề dày phù hợp của lớp vật liệu Pt/rGO để chế tạo điện cực catot trong pin DSSC Trong đó, chi tiết bề dày của điện cực có thể được phân tích bằng phương pháp kính hiển vi điện tử quét

 Kính hiển vi điện tử quét

Kính hiển vi điện tử quét (scanning electron microscope – SEM) là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu vật bằng cách sử dụng một chùm điện tử hẹp quét trên bề mặt mẫu Việc tạo ảnh của mẫu vật được thực hiện thông qua việc ghi nhận và phân tích các bức xạ phát ra từ tương tác của chùm điện tử với bề mặt mẫu vật [51]

Nguyên lý: Việc phát các chùm điện tử trong SEM cũng giống như việc tạo ra chùm

điện tử trong kính hiển vi điện tử truyền qua, tức là điện tử được phát ra từ súng phóng điện tử (có thể là phát xạ nhiệt, hay phát xạ trường, v.v.), sau đó được tăng tốc Tuy nhiên, thế tăng tốc của SEM thường chỉ từ 10 kV đến 50 kV vì sự hạn chế của thấu kính từ, việc hội tụ các chùm điện tử có bước sóng quá nhỏ vào một điểm kích thước nhỏ sẽ rất khó khăn Điện tử được 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, mà kích thước của chùm điện tử này bị hạn chế bởi quang sai, chính vì thế mà SEM không thể đạt được độ phân giải tốt như TEM 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