Luận văn thạc sĩ: Tổng hợp vật liệu điện sắc viologen và ứng dụng trong lĩnh vực quang điện tử

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu điện sắc viologen ứng dụng trong quang điện tử, hướng đến phát triển công nghệ hiển thị và lưu trữ năng lượng hiệu quả.

• Tác giả: Phùng Thị Yến Nhi
• Người hướng dẫn: TS. Huỳnh Thị Miền Trung
• Trường học: Trường Đại Học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Hóa Lí Thuyết Và Hóa Lí
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Vật Liệu Điện Sắc Viologen Ứng Dụng Trong Quang Điện Tử
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Bình Định

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Điện hóa học tại bề mặt phân cách rắn/lỏng
• 1.1.1. Nhiệt động học điện hóa
• 1.1.2. Các mô hình của mặt phân cách rắn/lỏng
• 1.1.2.1. Mô hình Helmholtz
• 1.1.2.2. Mô hình lớp điện kép của Gouy-Chapman
• 1.1.2.3. Mô hình Stern
• 1.1.3. Quá trình hấp phụ của các chất hữu cơ trên bề mặt
• 1.1.4. Động học điện hóa
• 1.2. Giới thiệu về vật liệu điện sắc
• 1.2.1. Khái niệm về hiện tượng điện sắc
• 1.2.2. Nguyên tắc hoạt động của vật liệu điện sắc
• 1.2.3. Giới thiệu về viologen
• 1.2.3.1. Tổng quan về viologen
• 1.2.3.2. Tính chất của viologen
• 1.2.3.3. Phân loại viologen
• 1.2.3.4. Đặc điểm cấu tạo của DBV và DEV
• 1.2.3.5. Ứng dụng của vật liệu trên cơ sở viologen
• 1.2.4. Indium tin oxide (ITO)
• 1.2.4.1. Cơ sở lý thuyết của các phương pháp chế tạo và đặc trưng vật liệu
• 1.2.4.2. Phương pháp quét thế tuần hoàn
• 1.2.4.3. Phương pháp đo dòng - thời gian
• 1.2.4.4. Phương pháp phổ UV-Vis
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị chế tạo mẫu
• 2.2. Dụng cụ và thiết bị
• 2.3. Tổng hợp vật liệu bằng phương pháp điện hóa
• 2.4. Chuẩn bị dung dịch điện phân
• 2.5. Xử lý điện cực ITO
• 2.6. Chuẩn bị tế bào điện hóa
• 2.7. Thực hiện các phép đo
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tính chất điện hóa và điện sắc của các viologen
• 3.1.1. Hệ một cấu tử DBV, DEV
• 3.1.2. Hệ hỗn hợp 2 cấu tử DBV và DEV
• 3.1.3. Tổng hợp vật liệu màng điện sắc bằng phương pháp đo dòng - thời gian CA
• 3.1.4. Tổng hợp vật liệu màng điện sắc DBV/ITO
• 3.1.5. Tổng hợp vật liệu màng điện sắc DEV/ITO
• 3.1.6. Sự ảnh hưởng của nồng độ các viologen trong dung dịch lên tính chất điện sắc của các vật liệu màng DBV/ITO và DEV/ITO
• 3.1.7. Khảo sát tính chất quang của vật liệu màng DBV/ITO bằng phương pháp UV-Vis
• 3.1.8. Khảo sát khả năng ứng dụng của vật liệu màng điện sắc viologen
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG BIỂU SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu điện sắc viologen

Vật liệu điện sắc viologen là một trong những loại vật liệu có khả năng thay đổi màu sắc dưới tác động của điện thế. Hiện tượng điện sắc xảy ra khi các phân tử viologen, như dibenzyl viologen (DBV) và diethyl viologen (DEV), chuyển đổi giữa các trạng thái oxi hóa khác nhau. Điều này không chỉ tạo ra sự thay đổi màu sắc mà còn ảnh hưởng đến các tính chất quang học của vật liệu. Viologen có đặc điểm nổi bật là tính oxi hóa khử mạnh, cho phép chúng hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng quang điện tử. Việc nghiên cứu và tổng hợp các hệ vật liệu điện sắc từ viologen có thể mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực quang điện tử, đặc biệt là trong việc phát triển các thiết bị thông minh như cửa sổ tự động điều chỉnh ánh sáng.

1.1. Đặc điểm và tính chất của viologen

Viologen là một loại muối hữu cơ có cấu trúc đặc trưng với hai vòng pyridin. Tính chất điện hóa của viologen rất quan trọng, vì chúng có thể chuyển đổi giữa các trạng thái oxi hóa khác nhau, dẫn đến sự thay đổi màu sắc rõ rệt. Các phân tử viologen có thể được phân loại thành nhiều loại khác nhau dựa trên nhóm chức gắn trên phân tử. Đặc biệt, DBV và DEV có tính ổn định cao và khả năng tạo màu rõ rệt, điều này làm cho chúng trở thành ứng viên lý tưởng cho các ứng dụng trong lĩnh vực quang điện tử. Việc nghiên cứu tính chất điện hóa và quang học của viologen sẽ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của chúng trong các thiết bị điện sắc.

1.2. Ứng dụng của vật liệu điện sắc viologen

Vật liệu điện sắc viologen có nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực quang điện tử. Chúng có thể được sử dụng trong các thiết bị như cửa sổ thông minh, gương chiếu hậu chống chói, và màn hình tiêu thụ điện năng thấp. Sự thay đổi màu sắc của vật liệu dưới tác động của điện thế không chỉ giúp điều chỉnh ánh sáng mà còn tiết kiệm năng lượng. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa cấu trúc và tính chất của vật liệu viologen có thể nâng cao hiệu suất quang điện, mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong công nghiệp và đời sống hàng ngày. Điều này cho thấy giá trị thực tiễn của việc nghiên cứu và phát triển vật liệu điện sắc viologen.

II. Phương pháp tổng hợp và đặc trưng vật liệu

Phương pháp tổng hợp vật liệu điện sắc viologen thường sử dụng các kỹ thuật điện hóa như phương pháp quét thế tuần hoàn (CV) và phương pháp đo dòng - thời gian (CA). Các hệ vật liệu được tổng hợp trên nền điện cực ITO, cho phép nghiên cứu tính chất điện hóa và quang học của chúng. Quá trình tổng hợp này không chỉ giúp tạo ra các màng điện sắc mà còn cho phép khảo sát sự ảnh hưởng của nồng độ viologen trong dung dịch lên tính chất điện sắc của vật liệu. Việc nghiên cứu các phương pháp chế tạo và đặc trưng vật liệu sẽ cung cấp thông tin quan trọng về khả năng ứng dụng của chúng trong các thiết bị quang điện tử.

2.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu

Các hệ vật liệu điện sắc viologen được tổng hợp thông qua các phương pháp điện hóa, trong đó phương pháp quét thế tuần hoàn (CV) và phương pháp đo dòng - thời gian (CA) là hai kỹ thuật chính. Phương pháp CV cho phép khảo sát các đặc tính điện hóa của vật liệu, trong khi phương pháp CA giúp theo dõi sự thay đổi màu sắc của màng điện sắc theo thời gian. Quá trình tổng hợp được thực hiện trong hệ điện hóa ba điện cực, bao gồm điện cực làm việc là ITO, điện cực so sánh Ag/AgCl và điện cực đối là Pt. Việc tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất điện sắc và quang học của vật liệu.

2.2. Đặc trưng vật liệu

Đặc trưng vật liệu điện sắc viologen được thực hiện thông qua các phương pháp như phổ UV-Vis và các phép đo điện hóa. Phổ UV-Vis cho phép xác định các dải hấp thụ của vật liệu, từ đó đánh giá khả năng chuyển đổi màu sắc của chúng. Các phép đo điện hóa giúp xác định các thông số như điện dung, khả năng dẫn điện và tính ổn định của vật liệu trong quá trình hoạt động. Việc phân tích các đặc tính này không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của vật liệu mà còn cung cấp thông tin quan trọng cho việc phát triển các ứng dụng quang điện tử trong tương lai.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy các hệ vật liệu điện sắc viologen có tính chất điện hóa và quang học đáng chú ý. Các thí nghiệm cho thấy sự thay đổi màu sắc rõ rệt của màng DBV/ITO và DEV/ITO khi áp dụng điện thế. Sự ảnh hưởng của nồng độ viologen trong dung dịch lên tính chất điện sắc cũng được khảo sát, cho thấy rằng nồng độ cao hơn dẫn đến sự chuyển đổi màu sắc nhanh hơn và rõ rệt hơn. Những kết quả này không chỉ khẳng định tiềm năng ứng dụng của vật liệu điện sắc viologen trong lĩnh vực quang điện tử mà còn mở ra hướng nghiên cứu mới cho các hệ vật liệu điện sắc khác.

3.1. Tính chất điện hóa của viologen

Tính chất điện hóa của các hệ vật liệu viologen được khảo sát thông qua các phép đo CV và CA. Kết quả cho thấy rằng các viologen có khả năng chuyển đổi giữa các trạng thái oxi hóa khác nhau một cách thuận nghịch, điều này tạo ra sự thay đổi màu sắc rõ rệt. Các hệ vật liệu DBV và DEV đều cho thấy tính ổn định cao trong quá trình hoạt động, cho phép chúng có thể được ứng dụng trong các thiết bị điện sắc. Việc nghiên cứu sâu hơn về tính chất điện hóa sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị quang điện tử trong tương lai.

3.2. Khả năng ứng dụng trong quang điện tử

Khả năng ứng dụng của vật liệu điện sắc viologen trong lĩnh vực quang điện tử rất đa dạng. Các thiết bị như cửa sổ thông minh, gương chiếu hậu chống chói và màn hình tiêu thụ điện năng thấp đều có thể được phát triển dựa trên nguyên lý hoạt động của vật liệu này. Sự thay đổi màu sắc dưới tác động của điện thế không chỉ giúp điều chỉnh ánh sáng mà còn tiết kiệm năng lượng, góp phần vào việc phát triển các công nghệ bền vững. Nghiên cứu và phát triển vật liệu điện sắc viologen sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong ngành công nghiệp quang điện tử.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Vật liệu điện sắc ngày càng được quan tâm do khả năng thay đổi màu sắc thuận nghịch dưới tác dụng của điện thế, ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như cửa sổ thông minh, gương chiếu hậu chống chói, màn hình tiêu thụ điện năng thấp. Theo ước tính, hiệu quả tiết kiệm năng lượng từ các thiết bị sử dụng vật liệu điện sắc có thể đạt trên 20%. Tuy nhiên, vật liệu điện sắc vô cơ gặp hạn chế về độ bền và độc tính, trong khi vật liệu điện sắc hữu cơ và lai hóa như viologen lại có tiềm năng lớn nhờ tính oxi hóa khử mạnh và màu sắc đa dạng. Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp các hệ vật liệu điện sắc dựa trên viologen, cụ thể là dibenzyl viologen (DBV) và diethyl viologen (DEV), trên nền điện cực Indium Tin Oxide (ITO) nhằm định hướng ứng dụng trong lĩnh vực quang điện tử. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát tính chất điện hóa và quang học của các hệ vật liệu ở quy mô phòng thí nghiệm trong môi trường dung dịch điện phân H2SO4 và KCl, với mục tiêu phát triển vật liệu điện sắc có hiệu suất màu cao, độ ổn định và thời gian chuyển đổi nhanh. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc mở rộng ứng dụng vật liệu điện sắc hữu cơ, góp phần phát triển các thiết bị quang điện tử tiết kiệm năng lượng và thân thiện môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết điện hóa tại bề mặt phân cách rắn/lỏng, bao gồm mô hình lớp điện kép Helmholtz, Gouy-Chapman và Stern để giải thích sự phân bố điện tích và tương tác ion trên bề mặt điện cực ITO. Hiện tượng điện sắc được định nghĩa là sự thay đổi màu sắc thuận nghịch của vật liệu khi có điện thế đặt vào, liên quan đến quá trình oxy hóa khử điện hóa. Viologen, một loại muối pyridinium bậc bốn, có ba trạng thái oxy hóa khử ổn định (dication V2+, monocation gốc V•+, và trung tính V0) với màu sắc đặc trưng tương ứng, là cơ sở cho tính chất điện sắc. Các phân tử DBV và DEV được lựa chọn do có thế oxy hóa khử thấp, màu sắc rõ ràng và khả năng hấp phụ tốt trên điện cực ITO. Các khái niệm chính bao gồm: hiệu suất màu (η), lớp điện kép, quá trình hấp phụ đặc trưng, và phương pháp điện hóa quét thế vòng tuần hoàn (CV) cùng đo dòng-thời gian (CA) để khảo sát tính chất vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các phép đo điện hóa trên hệ ba điện cực gồm điện cực làm việc ITO (kích thước 1x2 cm), điện cực so sánh Ag/AgCl (3M KCl), và điện cực đối Pt. Các dung dịch điện phân được chuẩn bị gồm H2SO4 5mM, KCl 5mM, và dung dịch viologen DBV, DEV với các nồng độ 1mM, 2.5mM, 5mM. Phương pháp tổng hợp vật liệu sử dụng điện hóa qua CV và CA, trong đó CV giúp xác định thế oxy hóa khử và động học phản ứng, CA dùng để tổng hợp màng điện sắc ở các trạng thái oxi hóa mong muốn. Phân tích đặc trưng vật liệu thực hiện bằng phổ UV-Vis để khảo sát tính chất quang học tại các điện thế khác nhau. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2021, với các bước chuẩn bị dung dịch, xử lý điện cực, thực hiện đo điện hóa và phân tích quang học. Cỡ mẫu gồm nhiều lần đo lặp lại để đảm bảo độ tin cậy, sử dụng phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên trong phòng thí nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tính chất điện hóa của viologen trên điện cực ITO: CV cho thấy DBV có hai cặp peak oxi hóa khử thuận nghịch tại -0.64V và -0.86V, trong khi DEV chỉ có một cặp peak tại -0.75V (khử) và -0.5V (oxi hóa). Cường độ peak của DBV cao hơn DEV, chứng tỏ khả năng nhận electron của DBV vượt trội. Màu sắc điện cực thay đổi tương ứng: DBV từ không màu sang tím và vàng nhạt, DEV từ không màu sang xanh lam.

2. Ảnh hưởng của hỗn hợp DBV và DEV: Khi sử dụng dung dịch hỗn hợp DBV và DEV 2.5mM, màu sắc điện cực ITO chuyển từ không màu sang xanh tím, thể hiện sự đồng hấp phụ và tương tác của hai cấu tử viologen, mở ra khả năng tạo vật liệu điện sắc đa màu.

3. Tổng hợp màng điện sắc bằng phương pháp CA: Màng DBV+•/ITO và DBV0/ITO được tổng hợp ở điện thế -0.8V và -0.9V với thời gian hồi đáp màu và mất màu khoảng 10 giây. Màng DEV+•/ITO có thời gian tạo màu 5-6 giây và mất màu 7-8 giây, nhanh hơn DBV. Màng hỗn hợp DEV+DBV/ITO cho thời gian tạo và mất màu khoảng 10 giây.

4. Ảnh hưởng của nồng độ viologen: Cường độ peak oxi hóa khử và độ bão hòa màu sắc tăng tỉ lệ thuận với nồng độ viologen trong dung dịch (1mM, 2.5mM, 5mM), cho thấy nồng độ là yếu tố quan trọng điều khiển hiệu suất màu.

5. Khảo sát quang học bằng UV-Vis: Ở trạng thái DBV2+ (E = -0.2V), vật liệu không hấp thụ ánh sáng khả kiến. Khi chuyển sang DBV+• (E = -0.8V), xuất hiện đỉnh hấp thụ tại 540 nm tương ứng màu tím; ở DBV0 (E = -1.0V), đỉnh hấp thụ tại 380 nm tương ứng màu vàng. Kết quả chứng minh khả năng điều khiển tính chất quang học qua trạng thái oxy hóa.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt về tính chất điện hóa và điện sắc giữa DBV và DEV là do nhóm chức liên kết với nhân bipyridyl ảnh hưởng đến mật độ điện tích dương và khả năng nhận electron. DBV với nhóm benzyl có mật độ điện tích cao hơn nên có khả năng nhận electron tốt hơn DEV với nhóm ethyl. Sự đồng hấp phụ của DBV và DEV tạo ra hiệu ứng màu sắc đa dạng, phù hợp cho ứng dụng vật liệu điện sắc đa màu. Thời gian chuyển đổi màu nhanh (dưới 10 giây) đáp ứng yêu cầu ứng dụng thực tế trong thiết bị quang điện tử. So sánh với các nghiên cứu trước, kết quả phù hợp với báo cáo về tính ổn định và hiệu suất màu của viologen trong các hệ điện hóa. Phổ UV-Vis minh họa rõ ràng mối liên hệ giữa trạng thái oxy hóa và đặc tính quang học, hỗ trợ thiết kế vật liệu điện sắc có thể điều chỉnh màu sắc chính xác. Biểu đồ CV và đồ thị UV-Vis có thể được sử dụng để trực quan hóa mối quan hệ giữa điện thế, trạng thái oxy hóa và màu sắc vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa nồng độ viologen: Đề xuất tăng nồng độ viologen trong dung dịch điện phân lên khoảng 5mM để nâng cao cường độ màu sắc và hiệu suất chuyển đổi, thực hiện trong vòng 6 tháng, do phòng thí nghiệm hóa lý đảm nhiệm.

2. Phát triển vật liệu điện sắc đa màu: Khuyến nghị nghiên cứu sâu hơn về phối hợp các cấu tử viologen khác nhau để tạo vật liệu đa sắc màu, tăng tính ứng dụng trong thiết bị quang điện tử, tiến hành trong 1 năm với sự phối hợp của nhóm nghiên cứu hóa hữu cơ và vật liệu.

3. Nâng cao độ bền và thời gian hồi đáp: Đề xuất cải tiến quy trình tổng hợp màng điện sắc bằng phương pháp điện hóa để giảm thời gian chuyển đổi màu xuống dưới 5 giây, đồng thời tăng độ bền chu trình oxy hóa khử, thực hiện trong 9 tháng, do nhóm kỹ thuật vật liệu đảm nhận.

4. Ứng dụng trong kính thông minh: Khuyến nghị triển khai thử nghiệm thực tế vật liệu màng DBV/ITO trong các thiết bị kính thông minh nhằm kiểm soát cường độ ánh sáng và sự riêng tư, tiến hành trong 1 năm với sự hợp tác của ngành xây dựng và công nghiệp vật liệu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu điện sắc: Luận văn cung cấp dữ liệu chi tiết về tính chất điện hóa và quang học của viologen, hỗ trợ phát triển vật liệu mới với hiệu suất cao.

2. Kỹ sư phát triển thiết bị quang điện tử: Thông tin về thời gian chuyển đổi màu và hiệu suất màu sắc giúp thiết kế các thiết bị như kính thông minh, màn hình tiết kiệm năng lượng.

3. Chuyên gia trong lĩnh vực hóa hữu cơ và điện hóa: Cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về ảnh hưởng nhóm chức và ion đối đến tính chất vật liệu, phục vụ nghiên cứu tổng hợp và cải tiến phân tử viologen.

4. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu và thiết bị điện tử: Tham khảo để ứng dụng vật liệu điện sắc hữu cơ trong sản phẩm thực tế, nâng cao tính cạnh tranh và thân thiện môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Viologen là gì và tại sao được chọn làm vật liệu điện sắc?
   Viologen là muối pyridinium bậc bốn có ba trạng thái oxy hóa khử ổn định với màu sắc đặc trưng. Chúng có khả năng cho nhận electron linh hoạt và màu sắc thay đổi rõ rệt theo trạng thái oxi hóa, phù hợp cho vật liệu điện sắc hữu cơ.

2. Phương pháp tổng hợp vật liệu điện sắc trong nghiên cứu là gì?
   Nghiên cứu sử dụng phương pháp điện hóa gồm quét thế vòng tuần hoàn (CV) để khảo sát tính chất và đo dòng-thời gian (CA) để tổng hợp màng điện sắc trên điện cực ITO, đảm bảo kiểm soát trạng thái oxy hóa và màu sắc vật liệu.

3. Tính chất quang học của vật liệu được đo như thế nào?
   Sử dụng phổ UV-Vis để khảo sát phổ hấp thụ của màng vật liệu ở các điện thế khác nhau, xác định bước sóng hấp thụ đặc trưng tương ứng với các trạng thái oxy hóa của viologen.

4. Ảnh hưởng của nồng độ viologen đến tính chất vật liệu ra sao?
   Nồng độ viologen tăng làm tăng cường độ các đỉnh peak oxi hóa khử và độ bão hòa màu sắc trên điện cực, do tăng số lượng phân tử tham gia phản ứng và hấp phụ trên bề mặt điện cực.

5. Thời gian chuyển đổi màu của vật liệu có đáp ứng ứng dụng thực tế không?
   Thời gian tạo màu và mất màu của màng DBV và DEV dao động từ 5 đến 10 giây, phù hợp với yêu cầu ứng dụng trong thiết bị quang điện tử như kính thông minh và màn hình điện sắc.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công các hệ vật liệu điện sắc dựa trên viologen DBV và DEV trên điện cực ITO với khả năng chuyển đổi màu sắc đa dạng và thuận nghịch.
• Tính chất điện hóa và quang học của vật liệu được kiểm soát hiệu quả qua điện thế và nồng độ viologen, với thời gian chuyển đổi màu nhanh dưới 10 giây.
• Phổ UV-Vis minh chứng rõ ràng mối liên hệ giữa trạng thái oxy hóa và đặc tính quang học, hỗ trợ thiết kế vật liệu điện sắc đa trạng thái.
• Vật liệu màng DBV/ITO có tiềm năng ứng dụng trong kính thông minh, giúp kiểm soát cường độ ánh sáng và sự riêng tư không gian.
• Đề xuất tiếp tục tối ưu hóa nồng độ, phát triển vật liệu đa màu và nâng cao độ bền để mở rộng ứng dụng trong lĩnh vực quang điện tử.

Hành động tiếp theo là triển khai các giải pháp đề xuất nhằm hoàn thiện vật liệu và thử nghiệm ứng dụng thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu sang các loại viologen khác để đa dạng hóa tính năng vật liệu. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực vật liệu điện tử được khuyến khích tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, vật liệu điện sắc đã và đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như: cửa sổ thông minh tiết kiệm năng lượng cho các tòa nhà, cửa kính máy bay, gương chiếu hậu chống chói cho ô tô, màn hình ti vi tiêu thụ điện năng thấp,. Đặc trưng của vật liệu điện sắc là có khả năng thay đổi màu sắc một cách thuận nghịch dưới tác dụng của điện thế. Vật liệu điện sắc có thể được chia làm ba loại chính là vật liệu điện sắc vô cơ, vật liệu điện sắc hữu cơ và vật liệu điện sắc lai hóa.

Những ưu điểm của tất cả các loại vật liệu này là hiệu quả tạo màu cao, màu sắc đa dạng, độ bền cao, các đặc tính quang học như hấp thụ, phản xạ hoặc truyền qua có thể thực hiện một cách liên tục. Tuy nhiên, nhược điểm của vật liệu điện sắc vô cơ là độ bền và tính linh động thấp [3,5-7], độc tính (do chứa kim loại chuyển tiếp) cao so với vật liệu điện sắc hữu cơ và vật liệu điện sắc lai hóa. Những nhược điểm này đã hạn chế khả năng ứng dụng của vật liệu điện sắc vô cơ, đồng thời mở ra cơ hội mới cho vật liệu điện sắc hữu cơ và vật liệu điện sắc lai hóa. Viologen là họ các phân tử hữu cơ của 4,4’-bipyridyl.

Đặc điểm nổi bật của viologen là có hoạt tính oxi hóa khử mạnh, màu sắc thay đổi rõ rệt theo trạng thái oxi hóa [8]. Những thay đổi về nhóm chức gắn trên phân tử, trạng thái oxi hóa và ion đối (counter ion) cũng có thể làm thay đổi tính chất điện sắc của vật liệu. Các phân tử dibenzyl viologen (DBV) và diethyl viologen (DEV) có thế oxi hóa khử khá thấp, các trạng thái oxi hóa có độ ổn định cao và màu sắc rõ ràng. Tuy nhiên, những nghiên cứu liên quan đến các phân tử này còn hạn chế.

e 2 Xuất phát từ những cơ sở khoa học trên, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu tổng hợp các hệ vật liệu điện sắc của viologen định hƣớng ứng dụng trong lĩnh vực quang điện tử”. Mục đích nghiên cứu Tổng hợp các hệ vật liệu điện sắc một cấu tử DBV, DEV và các hệ vật liệu điện sắc hỗn hợp DBV và DEV trên nền ITO nhằm định hướng ứng dụng trong lĩnh vực quang điện tử. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3. Đối tƣợng nghiên cứu - Các hệ vật liệu điện sắc một cấu tử gồm DBV và DEV - Các hệ vật liệu điện sắc hỗn hợp hai cấu tử viologen: DBV và DEV 3.

Phạm vi nghiên cứu Tính chất điện hóa và tính chất quang của các hệ vật liệu ở quy mô phòng thí nghiệm. Phƣơng pháp nghiên cứu 4. Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu: Các hệ vật liệu được tổng hợp bằng các phương pháp điện hóa như phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (CV) hoặc phương pháp đo dòng - thời gian (CA). Quá trình này được thực hiện trong hệ điện hóa gồm 3 điện cực nhúng trong dung dịch điện phân: - Điện cực làm việc là ITO.

- Điện cực Ag/AgCl (CKCl = 3 M) được sử dụng làm điện cực so sánh. - Điện cực đối là Pt. Phƣơng pháp đặc trƣng vật liệu: Tính chất điện hóa của các hệ vật liệu được nghiên cứu bằng phương pháp CV. e 3 Đặc tính điện sắc của các hệ vật liệu được khảo sát bằng phương pháp CA và phổ UV-Vis.

nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Kết quả nghiên cứu góp phần bổ sung sự hiểu biết về đặc tính quang điện hóa của các loại vật liệu điện sắc trên cơ sở viologen cũng như tiềm năng ứng dụng của chúng trong lĩnh vực quang điện. e 4 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Điện hóa học tại bề mặt phân cách rắn/lỏng 1. Nhiệt động học điện hóa Khi 2 pha khác nhau tiếp xúc nhau thì xuất hiện bề mặt phân pha giữa chúng và có sự phân bố lại điện tích giữa các pha.

Từ đó, tạo nên lớp điện kép trên bề mặt phân pha và xuất hiện bước nhảy thế giữa các pha. Ở trường hợp đơn giản nhất, lớp điện kép được hình thành giữa bề mặt rắn tích điện và các ion mang điện tích trái dấu của dung dịch điện phân tại bề mặt phân cách rắn/lỏng [9] 1.Các mô hình của mặt phân cách rắn/lỏng a/ Mô hình Helmholtz Năm 1879, Helmholtz đã đề xuất mô hình đầu tiên về cấu trúc lớp điện kép. Theo Helmholtz, lớp điện kép sẽ tồn tại trên bề mặt giới hạn pha của chất dẫn điện loại 1 và loại 2 khi không có hiện tượng hấp phụ đặc biệt. Trong trường hợp đơn giản nhất, lớp điện kép được xem như tụ điện phẳng gồm hai điện cực trái dấu, một bản là bề mặt kim loại có tích điện, bản còn lại là các ion tích điện ngược dấu nằm sát bề mặt kim loại, khoảng cách giữa hai lớp này có kích thước nguyên tử (Hình 1.

Sơ đồ cấu tạo lớp điện kép kiểu Helmholtz e 5 Bước nhảy thế trong lớp kép là một hàm tuyến tính theo độ dày của lớp kép, tính theo khoảng cách từ bản ion trong dung dịch theo phương thẳng góc đến bề mặt kim loại (Hình 1. Biến thiên bƣớc nhảy điện thế theo khoảng cách đến điện cực Trong phép gần đúng, mô hình Helmholtz được áp dụng đúng cho hệ điện hóa gồm kim loại và dung dịch muối của kim loại đó có nồng độ tương đối đậm đặc. Tuy nhiên, nhược điểm của mô hình này là còn hạn chế khi áp dụng cho dung dịch loãng, không giải thích được sự thay đổi của điện dung theo thế điện cực và nồng độ dung dịch, không chú ý đến chuyển động nhiệt của các ion - yếu tố gây ra sự hòa tan của lớp điện kép [11]. b/ Mô hình lớp điện kép của Gouy- Chapman Vào những năm 1910 – 1913, theo Gouy và Chapman, các ion có chuyển động nhiệt tự do và các ion cùng dấu sẽ đẩy nhau nên cấu tạo điện tích ở dung dịch không dày đặc như ở lớp điện tích Helmholtz mà có cấu tạo khuếch tán.

Từ đó, Gouy và Chapman đã đưa ra mô hình lớp điện kép khuếch tán. Gouy cho rằng điện thế tại bề mặt tích điện là do sự có mặt của một số ion cùng dấu với bề mặt của nó và một số lượng bằng nhau của các ion mang điện tích trái dấu trong dung dịch. Mật độ điện tích của ion trái dấu với điện cực phân bố trong lớp khuếch tán nhiều hơn bên ngoài lớp khuếch tán. Mật độ e 6 ion cùng dấu với điện cực thấp hơn bên ngoài lớp khuếch tán.

Điện thế trong lớp khuếch tán thay đổi theo hàm số mũ. Mô hình Gouy và Chapman cho thấy điện dung của lớp kép phụ thuộc vào nồng độ chất điện giải và điện thế điện cực. Đó là điều mà mô hình Helmholtz không giải thích được. Tuy nhiên, điều hạn chế của mô hình này là xem ion như những điện tích điểm, không xem xét sự hấp phụ của các ion nên không xác định được khoảng cách gần nhất giữa ion và điện cực [12] c/ Mô hình Stern Mô hình Stern là mô hình đúng nhất về lớp điện kép, là sự kết hợp của mô hình Helmholtz và Gouy – Chapman [12], tức là lớp kép bao gồm 2 lớp (Hình 1.3a): - Lớp Helmholtz (lớp Helmholtz trong): Lớp dày đặc nằm giữa mặt phẳng điện cực và mặt phẳng tiếp cận cực đại (được kí hiệu là (*) trên hình 1.

- Lớp khuếch tán (Lớp Helmholtz ngoài): Lớp khuếch tán trải rộng từ mặt phẳng tiếp cận cực đại vào sâu trong dung dịch (được kí hiệu (**) trên hình 1. Mô hình Stern (Nguồn ảnh: New Mexico State University) e 7 Điểm quan trọng mà Stern đưa ra: Vị trí của lớp Helmholtz sẽ thay đổi tùy vào kiểu tiếp cận của các ion trên bề mặt điện cực, cụ thể những ion có khả năng tách lớp vỏ sovate thì có thể tiến đến “rất gần” bề mặt điện cực, nhưng cũng có những ion không tách lớp sovate nên khoảng cách thực sự giữa ion và bề mặt điện cực là kích thước của lớp sovate. Nghiên cứu cấu trúc lớp điện kép mang đến các ý nghĩa khoa học rất lớn, tuy nhiên việc nghiên cứu lớp điện kép rất phức tạp nên vẫn còn những hạn chế nhất định. Quá trình hấp phụ của các chất hữu cơ trên bề mặt Quá trình hấp phụ là sự tích lũy các chất trên bề mặt phân cách của các pha (khí-rắn, lỏng- rắn, khí-lỏng, lỏng-lỏng).

Quá trình hấp phụ vật lý của các phân tử hữu cơ trên tại bề mặt phân cách rắn – lỏng được gây ra bởi các tương tác như Vander Waals, lực khuếch tán, lực tương tác tĩnh điện.giữa chất hấp phụ và bề mặt rắn, còn quá trình hấp phụ hóa học là do sự tạo thành liên kết hóa học giữa chúng (liên kết ion, liên kết cộng hóa trị…) Các anion vô cơ ( Cl-, Br-, I-, SO42-,. ) thường tách lớp vỏ solvat và hấp phụ trực tiếp lên bề mặt điện cực. Đây là quá trình hấp phụ đặc trưng, tức là cấu trúc pha hấp phụ phụ thuộc vào tính định hướng của bề mặt điện cực rắn. Trong nhiều trường hợp, sự hấp phụ đặc trưng của các anion dẫn đến sự hình thành các màng đơn lớp có cấu trúc xác định trên bề mặt điện cực (Hình 1.

Sự hấp phụ đặc trƣng của anion trên bề mặt điện cực Lớp hấp phụ đặc trưng có thể hoạt động như lớp đệm đối với sự hấp phụ/tự sắp xếp của các phân tử hữu cơ trên bề mặt rắn (Hình 1. Mô hình tự sắp xếp của các phân tử hữu cơ trên lớp anion e 9 1. Động học điện hóa Khi cho dòng điện đi qua ranh giới điện cực - dung dịch, trên ranh giới này sẽ xảy ra các phản ứng điện cực và làm cho thế điện cực lệch khỏi giá trị thế cân bằng khi có dòng điện ngoài đi qua. Trên điện cực xảy ra phản ứng điện hóa Mz+.mH2O + ze  M + mH2O Một quá trình điện cực gồm nhiều giai đoạn nối tiếp nhau: 1.

Vận chuyển ion từ trong lòng dung dịch tới mặt ngoài của lớp điện kép [Mz+.mH2O]dung dịch  [Mz+ .mH2O]lớp kép Quá trình chuyển chất này xảy ra chủ yếu là do sự khuếch tán từ nơi có nồng độ cao (trong lòng dung dịch) đến nơi có nồng độ thấp (trên bề mặt điện cực). Ở mặt ngoài của lớp điện kép, các ion sẽ tham gia vào bản dung dịch (mặt Helmholtz ngoài) của lớp điện kép, nằm cách bề mặt điện cực 1 khoảng bằng bán kính ion. Giai đoạn phản ứng điện hóa thuần túy. Các ion tham gia vào lớp Helmholtz bị mất lớp vỏ sonvat hóa, bị thay đổi điện tích.