## Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng toàn cầu dự kiến tăng lên khoảng 12 tỷ tấn trong thập kỷ tới, trong khi nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và gây ra lượng khí thải CO2 lớn, dẫn đến biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Việc phát triển nguồn năng lượng sạch, thân thiện môi trường và hiệu quả cao là nhiệm vụ cấp thiết. Pin nhiên liệu (fuel cells) được xem là công nghệ tiềm năng với khả năng chuyển hóa trực tiếp phản ứng hóa học thành điện năng, đồng thời phát thải khí thấp. Tuy nhiên, các xúc tác truyền thống dựa trên bạch kim (Pt) có chi phí cao và nguồn cung hạn chế, gây cản trở thương mại hóa.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanostructure lõi-vỏ bạc và palladium (Ag@Pd) dạng dây nano một chiều, nhằm cải thiện hiệu suất xúc tác cho phản ứng oxy hóa ethanol trong môi trường kiềm, một phản ứng then chốt trong pin nhiên liệu ethanol trực tiếp kiềm (ADEFC). Nghiên cứu thực hiện trong giai đoạn 2018-2019 tại Việt Nam, với mục tiêu xác định điều kiện tổng hợp tối ưu cho dây nano bạc lõi, lớp vỏ palladium và đánh giá hoạt tính xúc tác so sánh với xúc tác Pd truyền thống. Kết quả có ý nghĩa trong việc phát triển xúc tác chi phí thấp, bền vững, góp phần thúc đẩy ứng dụng pin nhiên liệu ethanol trong tương lai.

## Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

### Khung lý thuyết áp dụng

- **Lý thuyết d-band center**: Giải thích sự thay đổi hoạt tính xúc tác khi kết hợp kim loại có hằng số mạng tinh thể khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ các phân tử phản ứng trên bề mặt kim loại.
- **Cấu trúc lõi-vỏ (core-shell nanostructure)**: Vật liệu có lõi là bạc (Ag) và lớp vỏ palladium (Pd) giúp giảm lượng Pd sử dụng, tăng diện tích bề mặt hoạt động và cải thiện độ bền xúc tác.
- **Phương pháp điện hóa Cyclic Voltammetry (CV)**: Đánh giá hoạt tính xúc tác oxy hóa ethanol và đo diện tích bề mặt hoạt động điện hóa (ECSA).
- **Phản ứng oxy hóa ethanol trong môi trường kiềm**: Phản ứng tạo ra điện năng trong ADEFC, với các cơ chế hấp phụ và oxy hóa ethanol trên bề mặt Pd.

### Phương pháp nghiên cứu

- **Nguồn dữ liệu**: Dữ liệu thực nghiệm tổng hợp dây nano Ag bằng phương pháp polyol, phủ Pd bằng phản ứng thay thế galvanic, và đánh giá hoạt tính xúc tác bằng kỹ thuật CV.
- **Phương pháp tổng hợp**: Dây nano Ag được tổng hợp trong dung dịch ethylene glycol với sự hỗ trợ của PVP, NaCl và NaBr để kiểm soát kích thước và hình dạng. Lớp vỏ Pd phủ lên Ag bằng phản ứng thay thế galvanic trong dung dịch Pd(NO3)2.
- **Phân tích vật liệu**: Sử dụng TEM, HRTEM, EDS và XRD để xác định cấu trúc lõi-vỏ, kích thước và thành phần vật liệu.
- **Phân tích hoạt tính xúc tác**: Thực hiện đo CV trong dung dịch 1M KOH + 1M ethanol, so sánh với xúc tác Pd/C truyền thống.
- **Cỡ mẫu và timeline**: Nghiên cứu thực hiện trong khoảng 6 tháng, với nhiều mẫu thử nghiệm khác nhau về tỉ lệ Pd:Ag (6:100 đến 14:100), điều kiện nhiệt độ và thời gian phản ứng.

## Kết quả nghiên cứu và thảo luận

### Những phát hiện chính

- **Điều kiện tổng hợp tối ưu dây nano Ag**: Tỉ lệ mol AgNO3 : PVP = 1:1.5, nhiệt độ 150°C, thời gian 2 giờ cho ra dây nano dài 6-10 µm, đường kính 45-55 nm.
- **Cấu trúc lõi-vỏ Ag@Pd**: Hình ảnh HRTEM và phân tích EDS xác nhận lớp vỏ Pd phủ đều trên dây nano Ag lõi, với tỉ lệ Pd:Ag tối ưu là 10:100.
- **Hoạt tính xúc tác oxy hóa ethanol**: Mẫu Ag@Pd thể hiện dòng điện cực đại cao hơn 25% so với Pd nanoparticle truyền thống trong dung dịch 1M KOH + 1M ethanol, cho thấy hiệu suất xúc tác được cải thiện rõ rệt.
- **Độ bền và khả năng chống nhiễm độc**: Tỉ lệ dòng điện trong quét thuận và nghịch (If/Ib) cao hơn 1.5, chứng tỏ khả năng chống nhiễm độc carbon monoxide và sự bền vững của xúc tác Ag@Pd.

### Thảo luận kết quả

- Sự kết hợp Ag và Pd theo cấu trúc lõi-vỏ giúp giảm lượng Pd sử dụng, tiết kiệm chi phí mà vẫn duy trì hoặc nâng cao hiệu suất xúc tác nhờ hiệu ứng d-band center làm tăng khả năng hấp phụ ethanol.
- Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vật liệu Pd-Ag bimetallic, đồng thời cho thấy ưu thế của cấu trúc dây nano một chiều trong việc tăng diện tích bề mặt xúc tác.
- Dữ liệu CV có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh dòng điện cực đại giữa các mẫu, biểu đồ If/Ib thể hiện khả năng chống nhiễm độc, và bảng tổng hợp kích thước hạt, tỉ lệ Pd:Ag.
- Nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng vật liệu nanostructure lõi-vỏ trong pin nhiên liệu ethanol, hướng tới xúc tác chi phí thấp, bền vững và hiệu quả.

## Đề xuất và khuyến nghị

- **Tối ưu hóa tỉ lệ Pd:Ag** để cân bằng giữa chi phí và hiệu suất xúc tác, ưu tiên tỉ lệ 10:100 trong giai đoạn tiếp theo.
- **Nâng cao quy mô tổng hợp** dây nano Ag@Pd bằng phương pháp polyol và galvanic displacement để phục vụ sản xuất công nghiệp trong vòng 1-2 năm.
- **Phát triển hệ thống pin nhiên liệu ADEFC thử nghiệm** sử dụng xúc tác Ag@Pd để đánh giá hiệu suất thực tế và độ bền lâu dài.
- **Khuyến khích hợp tác nghiên cứu liên ngành** giữa các viện nghiên cứu và doanh nghiệp để ứng dụng vật liệu nanostructure trong công nghiệp năng lượng sạch.
- **Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật** cho cán bộ nghiên cứu và kỹ thuật viên về kỹ thuật tổng hợp và phân tích vật liệu nano.

## Đối tượng nên tham khảo luận văn

- **Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hóa học, vật liệu**: Nắm bắt kiến thức về tổng hợp và ứng dụng vật liệu nanostructure lõi-vỏ trong xúc tác.
- **Doanh nghiệp sản xuất pin nhiên liệu và vật liệu xúc tác**: Áp dụng công nghệ tổng hợp dây nano Ag@Pd để phát triển sản phẩm mới, giảm chi phí nguyên liệu.
- **Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng**: Hiểu rõ tiềm năng và thách thức của công nghệ pin nhiên liệu ethanol, hỗ trợ chính sách phát triển năng lượng sạch.
- **Các tổ chức tài trợ nghiên cứu khoa học**: Đánh giá hiệu quả đầu tư và hướng phát triển công nghệ năng lượng tái tạo.

## Câu hỏi thường gặp

1. **Tại sao chọn bạc (Ag) làm lõi trong cấu trúc lõi-vỏ?**  
Bạc có độ dẫn điện cao nhất trong các kim loại, chi phí thấp và khả năng tạo dây nano dài, giúp tăng diện tích bề mặt xúc tác và giảm lượng palladium cần thiết.

2. **Phương pháp galvanic displacement là gì?**  
Là phản ứng thay thế tự phát khi kim loại ít quý hơn (Ag) bị thay thế bởi ion kim loại quý hơn (Pd), tạo lớp vỏ Pd phủ đều trên lõi Ag.

3. **Hoạt tính xúc tác của Ag@Pd so với Pd truyền thống như thế nào?**  
Ag@Pd có hoạt tính cao hơn khoảng 25%, đồng thời tăng khả năng chống nhiễm độc và độ bền trong phản ứng oxy hóa ethanol.

4. **Tại sao sử dụng môi trường kiềm cho phản ứng oxy hóa ethanol?**  
Môi trường kiềm giúp tăng tốc độ phản ứng oxy hóa, giảm chi phí sử dụng kim loại quý và cải thiện hiệu suất pin nhiên liệu.

5. **Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu này là gì?**  
Phát triển xúc tác chi phí thấp, hiệu quả cho pin nhiên liệu ethanol trực tiếp, góp phần thúc đẩy năng lượng sạch và giảm phát thải khí nhà kính.

## Kết luận

- Đã tổng hợp thành công dây nano bạc lõi với kích thước 6-10 µm dài, đường kính 45-55 nm bằng phương pháp polyol.  
- Đã phủ thành công lớp vỏ palladium lên dây nano Ag bằng phản ứng galvanic displacement, tạo cấu trúc lõi-vỏ Ag@Pd.  
- Vật liệu Ag@Pd thể hiện hoạt tính xúc tác oxy hóa ethanol trong môi trường kiềm vượt trội hơn 25% so với Pd nanoparticle truyền thống.  
- Cấu trúc lõi-vỏ giúp giảm chi phí palladium, tăng độ bền và khả năng chống nhiễm độc của xúc tác.  
- Đề xuất mở rộng quy mô tổng hợp và ứng dụng trong pin nhiên liệu ethanol, hướng tới phát triển năng lượng sạch bền vững.

**Hành động tiếp theo:** Triển khai nghiên cứu ứng dụng thực tế, hợp tác công nghiệp và đào tạo nhân lực chuyên sâu trong lĩnh vực vật liệu xúc tác nanostructure.

**Kêu gọi:** Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp năng lượng sạch nên quan tâm và đầu tư phát triển công nghệ xúc tác lõi-vỏ Ag@Pd để thúc đẩy thương mại hóa pin nhiên liệu ethanol hiệu quả và bền vững.