Nghiên cứu động học và cơ chế tạo mầm Niken trên điện cực Glassy Carbon

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu động học và cơ chế tạo mầm của niken trên điện cực glassy carbon sử dụng hỗn hợp ion, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu

• Tác giả: Tào Thị Vân Anh
• Người hướng dẫn: TS. Lê Mạnh Tú
• Trường học: Trường Đại học Phenikaa
• Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu động học và cơ chế tạo mầm của niken trên điện cực glassy carbon sử dụng hỗn hợp ion lỏng thân thiện môi trường
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về cơ chế tạo mầm Niken trong ion lỏng thân thiện môi trường

Cơ chế tạo mầm Niken là một quá trình điện hóa phức tạp diễn ra trên bề mặt điện cực trong các dung môi ion lỏng thân thiện môi trường (DES). Quá trình này liên quan đến sự hình thành các hạt nano kim loại Niken thông qua hai cơ chế chính: tạo mầm tức thời và phát triển mầm tinh thể theo cơ chế 3D được kiểm soát bởi khuếch tán, cùng với quá trình khử nước dư trong dung môi. Ion lỏng thân thiện môi trường đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp môi trường điện hóa ổn định, cho phép kiểm soát chính xác quá trình tạo mầm. Nghiên cứu về cơ chế tạo mầm Niken không chỉ giúp hiểu rõ hơn về các quá trình điện hóa mà còn có ứng dụng thực tiễn trong sản xuất vật liệu nano và công nghệ mạ điện.

1.1. Khái niệm cơ bản về tạo mầm kim loại

Tạo mầm là giai đoạn ban đầu trong quá trình điện phân kim loại, khi các nguyên tử kim loại bắt đầu tích tụ trên bề mặt điện cực tạo thành những hạt nhỏ. Trong hỗn hợp ion lỏng thân thiện môi trường, quá trình này diễn ra với vận tốc và cơ chế đặc biệt khác biệt so với dung môi truyền thống. Cơ chế tạo mầm được chia thành tạo mầm tức thời và tạo mầm dần dần, tùy thuộc vào điều kiện điện cực và đặc tính của dung môi.

1.2. Vai trò của ion lỏng thân thiện môi trường trong tạo mầm

Ion lỏng thân thiện môi trường (DES) cung cấp môi trường điện hóa ổn định với độ dẫn điện cao, giúp kiểm soát quá trình tạo mầm Niken một cách hiệu quả. Các tính chất vật lý, hoá học của DES như độ nhớt, điểm nóng chảy, và khả năng hòa tan ion kim loại ảnh hưởng trực tiếp đến động học tạo mầm. Sử dụng dung môi DES thay thế dung môi truyền thống giúp giảm tác động tiêu cực đến môi trường.

II. Động học tạo mầm Niken qua phương pháp điện hóa

Phương pháp điện hóa là kỹ thuật chính để nghiên cứu động học tạo mầm Niken trên điện cực glassy carbon. Bằng cách sử dụng phương pháp quét thế tuần hoàn (CV) và phương pháp thế tĩnh (CA), các nhà khoa học có thể theo dõi chi tiết từng giai đoạn của quá trình. Phương pháp thế vòng (Cyclic voltammetry) cho phép quan sát sự thay đổi dòng điện theo điện thế, từ đó suy ra được cơ chế phản ứng. Phương pháp thế tĩnh (Chronoamperometry) cung cấp thông tin về tốc độ tạo mầm và phát triển hạt kim loại theo thời gian. Các thí nghiệm được thực hiện ở nhiều nhiệt độ khác nhau trong điều kiện tĩnh và đối lưu cưỡng bức để hiểu rõ ảnh hưởng của các yếu tố này.

2.1. Phương pháp quét thế tuần hoàn CV và ứng dụng

Phương pháp CV là kỹ thuật điện hoá quan trọng trong nghiên cứu cơ chế tạo mầm Niken. Phương pháp này cho phép xác định điện thế bắt đầu tạo mầm, tốc độ phản ứng và cơ chế điện hóa. Tốc độ quét ảnh hưởng lớn đến hình dạng của voltammetry, giúp phân biệt giữa các loại cơ chế phản ứng khác nhau.

2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tạo mầm

Nhiệt độ là yếu tố quan trọng tác động đến động học tạo mầm Niken. Khi tăng nhiệt độ, vận tốc khuếch tán của ion Ni²⁺ tăng, dẫn đến vận tốc tạo mầm tăng lên. Phương pháp thế tĩnh ở các nhiệt độ khác nhau giúp xác định năng lượng hoạt hóa và kiểm soát quá trình hình thành hạt nano Niken.

III. Đặc trưng cấu trúc và hình thái vật liệu Niken nano

Sau khi quá trình điện phân Niken hoàn tất, cấu trúc và hình thái bề mặt của hạt nano được phân tích chi tiết bằng các kỹ thuật tiên tiến. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) cung cấp hình ảnh chi tiết về hình thái bề mặt và kích thước hạt. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) xác định thành phần nguyên tố của vật liệu tạo thành. Nhiễu xạ tia X (XRD) tiết lộ cấu trúc tinh thể và các pha khoáng vật có mặt. Kết quả nghiên cứu cho thấy một lớp màng Ni(OH)₂ được hình thành trên bề mặt lớp kim loại do ảnh hưởng của nước dư trong dung môi DES.

3.1. Phân tích hình thái qua kính hiển vi SEM

Ảnh SEM cho thấy rõ ràng hình thái của hạt nano Niken được hình thành. Các hạt có hình dạng không đều với kích thước micro-nano phụ thuộc vào điều kiện điện phân. Lớp màng Ni(OH)₂ xuất hiện trên bề mặt như một tính chất đặc trưng, phản ánh ảnh hưởng của nước trong dung môi DES.

3.2. Phân tích thành phần và cấu trúc tinh thể

Phổ EDS và XRD cung cấp thông tin về thành phần nguyên tố và cấu trúc tinh thể. Kết quả cho thấy hàm lượng Niken tạo thành trong điều kiện đối lưu cưỡng bức cải thiện đáng kể so với điều kiện thường. Cấu trúc tinh thể của Niken được xác định, và sự hiện diện của Ni(OH)₂ được xác nhận qua phân tích XRD.

IV. Ảnh hưởng của vận tốc khuấy và điều kiện đối lưu đến tạo mầm

Vận tốc khuấy đóng vai trò then chốt trong việc kiểm soát cơ chế tạo mầm Niken. Khi tăng vận tốc khuấy trong hệ GCE/Ni²⁺ trong dung môi DES, vận tốc tạo mầm được tăng lên đáng kể nhờ cải thiện sự khuếch tán ion Ni²⁺ đến bề mặt điện cực. So sánh giữa điều kiện tĩnh (điều kiện thường) và điều kiện đối lưu cưỡng bức cho thấy hiệu quả tạo mầm tăng lên khi có sự chuyển động của dung dịch. Hàm lượng Niken được hoàn thành trên bề mặt điện cực trong điều kiện đối lưu cưỡng bức cao hơn đáng kể so với điều kiện tĩnh, chứng tỏ tầm quan trọng của việc tối ưu hóa điều kiện vận hành.

4.1. Ảnh hưởng của vận tốc khuấy đến hệ GCE Ni²

Vận tốc khuấy ảnh hưởng trực tiếp đến động học tạo mầm Niken bằng cách tăng tốc độ vận chuyển khối lượng của ion Ni²⁺. Khi tăng vận tốc khuấy, nồng độ ion Ni²⁺ ở bề mặt điện cực duy trì cao, từ đó tăng vận tốc tạo mầm. Nghiên cứu cho thấy vận tốc khuấy tối ưu có thể cải thiện hiệu suất điện phân đến 30-40% so với điều kiện không khuấy.

4.2. So sánh điều kiện tĩnh và đối lưu cưỡng bức

Trong điều kiện tĩnh, quá trình tạo mầm Niken diễn ra chậm do sự khuếch tán hạn chế. Điều kiện đối lưu cưỡng bức cải thiện đáng kể vận tốc phản ứng. Hàm lượng Niken tạo thành cao hơn 2-3 lần trong điều kiện đối lưu cưỡng bức, chứng tỏ hiệu quả của việc sử dụng vận tốc khuấy để tối ưu hóa cơ chế tạo mầm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Ngày nay, việc tổng hợp vật liệu có kích thước nano cho những ứng dụng khác nhau đã và đang được các nhà khoa học quan tâm và nghiên cứu rất nhiều do các tính chất đặc biệt của chúng. Trong đó, Ni-ken được quan tâm nhiều trong thực tế do các tính chất vật lý, cơ học, từ tính của nó. Ni-ken cũng được biết đến khả năng tăng cường chống ăn mòn và khả năng chịu nhiệt rất cao, các hợp kim của ni-ken có thể cung cấp nhiều loại ứng dụng công nghiệp như y tế, tua bin khí máy bay, hệ thống điện hạt nhân,các nhà máy điện và các ngành công nghiệp hoá chất [1-2]. Một trong những phương pháp được sử dụng khá phổ biến và đơn giản tổng hợp kim loại Ni-ken là phương pháp thủy nhiệt.

Tuy nhiên, phương pháp này tổng hợp vật liệu cho độ tinh khiết không cao, quá trình thực hiện có thể sinh ra nhiều loại khí độc hại, ảnh hưởng đến sức khỏe và môi trường. Một phương pháp nữa cũng khá được phổ biến trong những năm gần đây để điều chế kim loại đó phương pháp điện phân. Đây là một phương pháp có thể dễ dàng điều khiển kích thước hạt theo mong muốn, có độ lặp lại và độ tinh khiết cao. Phương pháp này thường sử dụng dung môi là nước và các chất axit/bazo độc hại, tuy nhiên, việc sử dụng các dung môi này còn nhiều điểm hạn chế như làm giảm hiệu suất của quá trình tổng hợp, gây ra các vấn đề cho môi trường do sử dụng axit, bazơ hoặc một số chất phụ gia khác.

Chính những hạn chế trên đã thúc đẩy các nhà khoa học tìm ra giải pháp mới mang tên dung môi Eutectic sâu (DES- Deep Eutectic Solvent). Dung môi DES đã và đang được được phát triển rất mạnh mẽ trên ở khắp mọi nơi và ở nhiều lĩnh vực khác nhau nhờ những ưu điểm vượt trội của nó như cửa sổ điện hoá rộng hơn, có tính ổn định hoá học cao, đặc biệt không giải phóng hydro trong quá trình tổng hợp vật liệu, chi phí thấp và thân thiện với môi trường và ít tiêu hao năng lượng [3]. Chính những lợi ích đáng kinh ngạc này, DES ngày càng được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới đặc biệt ứng dụng trong công nghiệp mạ kim loại, chế tạo vật liệu và các ứng dụng năng lượng. Các hỗn hợp DES đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật bao gồm tổng hợp vật liệu mới, năng lượng (pin, nhiên liệu, chất điện ly cho pin Li-ion, pin hữu cơ và ứng dụng môi 2 trường) [4-5].

DES được phân thành bốn nhóm chính, trong đó được ưu tiên sử dụng để tổng hợp DES là choline chloride (ChCl) và ethylene glycol (EG), hay còn gọi là ethaline [6], do có độ nhớt thấp và phù hợp cho các ứng dụng ở nhiệt độ môi trường. Tuy nhiên, việc sử dụng dung môi DES để điện phân kim loại như ni-ken vẫn chưa được ứng dụng rộng dãi trên thực tế, do các kiến thức về cơ chế và động học của quá trình điện phân ni-ken trong các loại dung môi eutectic còn hạn chế. Để giải quyết các vấn đề trên, đồ án này tập trung nghiên cứu và tổng hợp vật liệu nano kim loại ni-ken trên điện cực cacbon thủy tinh sử dụng hỗn hợp ion lỏng (ethaline) thân thiện với môi trường. ❖ Mục tiêu: Mục tiêu chính của đề tài là: Xác định động học và cơ chế quá trình tổng hợp điện hoá các hạt nano kim loại ni-ken sử dụng dung môi eutectic thân thiện với môi trường trên nền choline chloride.

❖ Mục tiêu cụ thể: ✓ Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến động học, cơ chế tạo mầm và lớn lên của các tinh thể kim loại Ni-ken trên điện cực cacbon thủy tinh từ dung môi eutectic sâu. ✓ Nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc góc đến động học và cơ chế tạo mầm và lớm lên từ mầm của tinh thể Ni-ken trên điện cực cacbon thủy tinh từ dung môi eutectic sâu. ❖ Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn được mô tả trên hình 1. Sau khi tổng hợp dung môi eutectic (DES) và dung dịch chất điện ly, các phức chất trong dung dịch được khảo sát thông qua phép đo hấp thụ UV-Vis ở các nồng độ khác nhau từ 10mM đến 50mM.

Trong đó, các phương pháp điện hoá được sử dụng để nghiên cứu động học và cơ chế tạo mầm của tinh thể kim loại Ni-ken trên điện cực glassy cacbon từ đấy chúng ta có thể tận thu kim loại Ni-ken bằng các dung môi thận thiện với môi trường. Các phương pháp phân tích cấu trúc được sử 3 dụng để phân tích cấu trúc vật liệu như: Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM), phổ tán sắc năng lượng tia X(EDS),nhiễu xạ tia X (XRD). Các phần mềm liên quan em sử dụng để mô phỏng và tính toán các thông số động học và nhiệt động học của quá trình điện phân hạt kim loại ni-ken. Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong đồ án.1 Giới thiệu về vật liệu Nikel Nguyên tố Ni-ken có ký hiệu hoá học là Ni, số hiệu nguyên tử 28 trong bảng tuần hoàn hoá học, thuộc chu kỳ 4, cấu hình điện tử là [Ar]4s23d8 hay [Ar]4s13d9.

Khối lượng mol của Ni là 58.6934 g mol-1 có cấu trúc tinh thể lập phương tâm mặt (FCC) thường ở dạng rắn, cứng, dễ dát mỏng và dễ uốn, ánh kim bạc, màu vàng, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi cao [4]. Tính chất vật lý của Ni-ken được thể hiện trong Bảng 1. Bảng 1:Tính chất vật lý của ni-ken Nhiệt độ Nhiệt Nhiệt độ thăng Tỉ Độ cứng Độ dẫn nhiệt nóng chảy độ sôi hoa khối (thang Mohs) (W/(m K)) (K) (K) (kJ/mol) 1728 3186 424 8,90 5 90,9 Ni-ken có hoạt tính hoá học trung bình, ở điều kiện thường không tác dụng được với một số nguyên tố như O2, S, Cl2, Br2 vì nó có lớp màng oxit bảng vệ vì vậy thường được dùng làm tiền xu, đồng thau,.Nguyên tố Ni-ken được quan tâm rộng dãi do có các đặc tính như tính dẫn nhiệt, dẫn điện cao, giá thành rẻ, dễ mua nên khá là phổ biến trên thị trường và thường được ứng dụng trong sản xuất pin, dùng làm điện cực, thường dùng làm cảm biến sinh học và siêu tụ điện,. Ni-ken có khả năng chống ăn mòn , chống mài mòn đặc biệt là khả năng chịu nhiệt của Ni và hợp kim của Ni rất tốt chính vì thế nó được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực công nghiệp như ngành công nghiệp hoá chất và hoá dầu, hệ thống điện hạt nhân [4],[5].

Các vật liệu nano như hạt nano ni-ken cũng được sử dụng rộng rãi làm chất xúc tác cho pin nhiên liệu,cảm biến sinh học và tụ điện (Hình 1. Sự lắng đọng của ni-ken ở kích thước nano đóng vai trò vô cùng quan trọng trong hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), nó là sự tích hợp của các phân tử cơ học, cảm biến, bộ truyền động và điện tử trên nền silicon thông qua những công nghệ chế tạo vi mô do ni-ken có khả năng lắng đọng trên bề mặt lõm và không có tính 5 đồng nhất [6-9]. 1: Cấu trúc tinh thể của ni-ken. 2:Một số ứng dụng của ni-ken.2 Tổng quan về dung môi DES.

Giới thiệu về dung môi DES. Hiện nay, hàng ngày có rất nhiều các kim loại được thải ra môi trường như 6 Ni-ken, Coban,. gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh chúng ta. Vì vậy việc tìm kiếm ra giải pháp để tái chế những kim loại này bằng những giải pháp thân thiện với môi trường hay còn gọi là dung môi xanh đang là mối quan tâm hàng đầu của các nhà khoa học.

Dung môi xanh là một dung môi phải đáp ứng đủ các yếu tố như không độc hại, khả năng phân hủy sinh học, khả năng tái chế và đặc biệt giá thành thấp [10]. Để đáp ứng được tiêu chí của dung môi xanh thì các nhà khoa học đang tìm kiếm những loại dung môi này nhằm thay thế cho các dung môi thông thường. Trong những năm gần đây, một loại dung môi mới được gọi là Deep Eutectic Solvent (DES) đã nhận được sự quan tâm lớn từ nhiều vực nghiên cứu và ứng dụng công nghiệp vì những tính chất đặc biệt của dung môi này [7]. Trong các nghiên cứu, người ta đã chỉ ra rằng DES có khả năng điện phân các kim loại và hợp kim khác nhau như Ni [11], Al [12], Fe-Co [13].

Dung môi DES cũng có thể hòa tan các chất hữu cơ, các oxit kim loại hoặc các chất khác. Sau khi dung môi DES được tìm ra, các bài báo liên quan về dung môi DES phát triển mạnh mẽ và tăng một cách nhanh chóng qua từng năm và vẫn chưa có dấu hiệu dừng lại như trong Hình 1. Các bài báo khoa học tập trung khai thác về các ưu điểm của DES từ đấy ứng dụng vào quá trình tổng hợp hạt nano, điều chế dầu diesel sinh học, tổng hợp polymer và tổng hợp hữu cơ [14].3b là các lĩnh vực mà DES có thể ứng dụng, DES phát triển mạnh mẽ ở các lĩnh vực nhất là hoá học, lĩnh vực này ngày càng thu hút nhiều sự quan tâm mỗi năm. Tuy nhiên, chỉ có khoảng 10% các ấn phẩm từ lĩnh vực khoa học vật liệu.

Abbott và các đồng nghiệp đã tiên phong trong việc tìm ra và phát triển nghiên cứu về DES [15]. Ban đầu, việc phát hiện ra dung môi eutectic sâu xuất phát từ việc tìm kiếm chất để thay thế các ion lỏng truyền thống mà vẫn giữ được các ưu điểm của loại dung môi này. Chất lỏng ion là hợp chất của một cation hữu cơ và một anion hữu cơ hay vô cơ. Một ví dụ điển hình là các chất ion lỏng được hình thành dựa trên muối chloroaluminate (AlCl3) với các cation hữu cơ.

Tuy nhiên, một hạn chế lớn của chất lỏng ion chloroaluminate là rất nhạy với môi trường xung quanh, khi tiếp xúc với độ ẩm ngoài môi trường AlCl3 bị thủy phân 7 một cách nhanh chóng. 3:a) Biểu đồ thể hiện số lượng các nghiên cứu liên quan đến dung môi DES qua từng năm. b) tổng hợp phần trăm theo từng lĩnh vực liên quan đến DES. Để khắc phục tình trạng này, các nhà khoa học đã thay thế AlCl3 bằng các halogenua kim loại ổn định hơn như ZnCl2.

Nhiều nghiên cứu sau đó đã phát hiện ra rằng độ ổn định của chất ion có thể được cải thiện bằng cách sử dụng các ion kị nước để thay thế cho AlCl3 và ZnCl2 [15].