Khảo sát khả năng giảm lượng xúc tác kim loại quý pt trên vật liệu nền nano không carbon ti0 9ir0 1o2 ứng dụng cho pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol

Khảo sát khả năng giảm lượng xúc tác kim loại quý trên vật liệu nền nano Ti0.9Ir0.1O2 cho pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol.

• Tác giả: Phạm Quốc Hậu
• Người hướng dẫn: PGS. Huỳnh Đại Phú
• Trường học: Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Nghiên cứu sinh
• Đề tài: Khảo Sát Giảm Lượng Xúc Tác Kim Loại Quý Pt Trên Vật Liệu Nền Nano Ti0.1O2
• Loại tài liệu: báo cáo
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol (DAFC)
• 1.3. Giới thiệu về pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol (DAFC)
• 1.4. Cấu tạo của pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol (DAFC)
• 1.5. Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol
• 1.6. Những thách thức hiện nay của pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol
• 1.7. Những hướng nghiên cứu để giải quyết các vấn đề hiện nay của vật liệu xúc tác trong pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol
• 1.8. Vật liệu nền không cacbon trong pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol
• 1.8.1. Vật liệu nền iridium dioxide (IrO2)
• 1.8.2. Vật liệu nền tungsten trioxide (WO3)
• 1.8.3. Vật liệu nền titanium dioxide (TiO2)
• 1.8.4. Vật liệu nền M-doped TiO2 (M là kim loại chuyển tiếp)
• 1.8.5. Tình hình nghiên cứu vật liệu Ir-doped TiO2 trong pin nhiên liệu
• 1.8.6. Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nền không cacbon hiện nay
• 1.8.6.1. Phương pháp sol-gel
• 1.8.6.2. Phương pháp dung nhiệt (solvothermal)
• 1.8.6.3. Phương pháp thủy nhiệt (hydrothermal)
• 1.9. Phương pháp tổng hợp xúc tác nano Pt trên vật liệu nền không cacbon
• 1.9.1. Phương pháp polyol
• 1.9.2. Phương pháp khử hóa học
• 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nội dung nghiên cứu tổng quát
• 2.2. Nội dung nghiên cứu cụ thể
• 2.3. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị
• 2.3.1. Hóa chất sử dụng trong đề tài nghiên cứu
• 2.3.2. Dụng cụ và thiết bị sử dụng trong đề tài nghiên cứu
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
• 2.4.1. Quy trình tổng hợp vật liệu Ti0.1O2 bằng phương pháp thủy nhiệt
• 2.4.2. Quy trình tổng hợp xúc tác Pt/Ti0.1O2 với hàm lượng Pt khác nhau
• 2.4.3. Phương pháp đánh giá tính chất của vật liệu trong đề tài nghiên cứu
• 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu nền không carbon Ti0.1O2 bằng phương pháp thủy nhiệt không sử dụng chất hoạt động bề mặt hoặc giai đoạn nung
• 3.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng lên quá trình tổng hợp vật liệu nền không carbon Ti0
• 3.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của thời gian tới quá trình tổng hợp vật liệu nền không cacbon Ti0
• 3.4. Khảo sát sự ảnh hưởng của pH dung dịch tới quá trình tổng hợp vật liệu nền không carbon Ti0.1O2 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt không sử dụng chất hoạt động bề mặt tại 210 oC, 12 giờ và pH dung dịch bằng 0
• 3.5. Nghiên cứu tổng hợp xúc tác x% Pt/Ti0.1O2 (x = 15,5; 17,0; 18,5 và 20,0) bằng phương pháp khử sử dụng NaBH4 với sự hỗ trợ của ethylene glycol
• 3.5.1. Cấu trúc của vật liệu xúc tác x% Pt/Ti0.1O2 tổng hợp được
• 3.5.2. Ảnh TEM của vật liệu xúc tác x% Pt/Ti0.1O2 tổng hợp được
• 3.5.3. Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• 3.6. Tính chất điện hóa của vật liệu xúc tác x% Pt/Ti0.1O2 (x = 15,5; 17,0; 18,5 và 20,0) cho phản ứng oxi hóa methanol
• 3.6.1. Diện tích bề mặt điện hóa của vật liệu xúc tác
• 3.6.2. Hoạt tính oxi hóa methanol của vật liệu xúc tác
• 3.6.3. Hoạt tính oxi hóa ethanol của vật liệu xúc tác 15,5% Pt/Ti0.1O2 so với vật liệu xúc tác truyền thống 20% Pt/C hiện nay
• 3.6.4. Hoạt tính xúc tác cho phản ứng oxi hóa ethanol
• 3.6.5. Khả năng chống ngộ độc CO của vật liệu xúc tác
• 3.6.6. Độ bền cho phản ứng oxi hóa ethanol của vật liệu xúc tác
• 3.7. Phổ XPS của vật liệu xúc tác 15,5% Pt/Ti0.89
• DANH SÁCH CÔNG TRÌNH ĐẠT ĐƯỢC TRONG ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Giảm Lượng Pt Trên Vật Liệu Nền Nano

Nghiên cứu tập trung vào việc giảm lượng Pt (Platinum) sử dụng trong xúc tác kim loại quý, đặc biệt là trên vật liệu nền nano TiO2 (Titanium Dioxide). Mục tiêu chính là phát triển các vật liệu xúc tác dị thể hiệu quả hơn cho các ứng dụng năng lượng sạch, như pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol (DAFC). Việc giảm sự phụ thuộc vào Pt, một kim loại quý hiếm và đắt tiền, là yếu tố then chốt để thương mại hóa rộng rãi các công nghệ này. Đồng thời, nghiên cứu này cũng hướng đến việc cải thiện hiệu suất và độ bền của xúc tác Pt/TiO2 so với các xúc tác truyền thống. Nghiên cứu sử dụng phương pháp chế tạo vật liệu nano hiện đại để tổng hợp và khảo sát các vật liệu xúc tác mới. Dữ liệu thu thập được từ các phương pháp phân tích bề mặt, hóa lý, và điện hóa được dùng để đánh giá hoạt tính xúc tác và độ bền xúc tác của vật liệu. Theo báo cáo, việc tổng hợp vật liệu xúc tác Pt/Ti0.1O2 có tỉ lệ Pt thấp hơn so với xúc tác truyền thống 20 %kl Pt/C sẽ khuyến khích các định hướng nghiên cứu về khả năng giảm lượng xúc tác Pt quý giá trên các vật liệu M-doped TiO2 khác để ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

1.1. Pin Nhiên Liệu DAFC và Vai Trò Của Xúc Tác Pt TiO2

Pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol (DAFC) là một công nghệ đầy hứa hẹn cho tương lai, nhưng hiệu suất và chi phí của nó vẫn còn là một thách thức. Xúc tác Pt đóng vai trò then chốt trong quá trình oxi hóa alcohol tại anode. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển vật liệu nền nano mới, cụ thể là TiO2 biến tính (Ti0.1O2), để hỗ trợ và phân tán xúc tác Pt một cách hiệu quả hơn. Vật liệu nền nano này giúp tăng diện tích bề mặt tiếp xúc, cải thiện khả năng vận chuyển điện tử, và giảm lượng Pt cần thiết. Báo cáo cho rằng, việc tổng hợp thành công các vật liệu các vật liệu xúc tác Pt/Ti0.1O2 với tỉ lệ Pt thấp sẽ giúp giảm giá thành sản xuất của pin nhiên liệu, thúc đẩy khả năng thương mại hóa của nó.

1.2. Mục Tiêu Giảm Lượng Pt và Tối Ưu Hóa Xúc Tác Pt

Mục tiêu chính của nghiên cứu là giảm lượng Pt trong xúc tác mà không làm giảm hoạt tính xúc tác và độ bền xúc tác. Điều này đòi hỏi việc thiết kế vật liệu nền nano với cấu trúc và tính chất bề mặt tối ưu để phân tán Pt một cách hiệu quả. Nghiên cứu cũng tập trung vào việc tối ưu hóa xúc tác, thông qua việc điều chỉnh thành phần và phương pháp chế tạo vật liệu nano để tạo ra các vật liệu xúc tác dị thể với hiệu suất cao hơn và chi phí thấp hơn. Ảnh hưởng của Ti0.1O2 được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo tính ổn định và hoạt động tốt của xúc tác Pt.

II. Thách Thức Giảm Lượng Pt Trên Nền Nano TiO2 Phân Tích

Việc giảm lượng Pt trong xúc tác Pt/TiO2 đặt ra nhiều thách thức về mặt khoa học và công nghệ. Pt là một kim loại quý với hoạt tính xúc tác cao, nhưng việc sử dụng quá nhiều Pt làm tăng chi phí sản xuất. Đồng thời, xúc tác Pt dễ bị ngộ độc bởi CO, một sản phẩm phụ của quá trình oxi hóa alcohol. Vật liệu nền nano cần phải có khả năng phân tán Pt một cách đồng đều, tăng cường khả năng chống ngộ độc CO, và cải thiện khả năng vận chuyển điện tử. Độ bền xúc tác cũng là một vấn đề quan trọng, vì xúc tác Pt có thể bị mất hoạt tính theo thời gian do sự kết tụ hạt hoặc ăn mòn hóa học. Theo báo cáo, độ bền kém của vật liệu nền cacbon cũng như lực tương tác yếu giữa cacbon và xúc tác Pt dẫn tới làm giảm hiệu quả hoạt động của pin nhiên liệu methanol trực tiếp trong thời gian hoạt động lâu dài.

2.1. Vấn Đề Ngộ Độc CO và Yêu Cầu Độ Bền Xúc Tác Pt

Ngộ độc CO là một trong những nguyên nhân chính làm giảm hoạt tính xúc tác của Pt. CO bám chặt lên bề mặt Pt, ngăn chặn quá trình oxi hóa alcohol. Do đó, vật liệu nền nano cần phải có khả năng giảm thiểu sự hấp phụ CO trên bề mặt Pt. Độ bền xúc tác cũng là một yếu tố quan trọng, vì xúc tác Pt cần phải duy trì hoạt tính trong thời gian dài. Điều này đòi hỏi việc thiết kế vật liệu nền nano với cấu trúc ổn định và khả năng bảo vệ Pt khỏi sự ăn mòn.

2.2. Khó Khăn Trong Phân Tán Đồng Đều Pt Trên Nền Nano TiO2

Việc phân tán Pt một cách đồng đều trên vật liệu nền nano TiO2 là một thách thức kỹ thuật. Pt có xu hướng kết tụ thành các hạt lớn, làm giảm diện tích bề mặt tiếp xúc và hoạt tính xúc tác. Phương pháp chế tạo vật liệu nano cần phải được điều chỉnh để đảm bảo sự phân tán tốt của Pt trên bề mặt TiO2. Phân tích bề mặt vật liệu cần phải được thực hiện để đánh giá mức độ phân tán của Pt.

III. Phương Pháp Chế Tạo Vật Liệu Nano Pt Ti0

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp chế tạo vật liệu nano tiên tiến để tổng hợp xúc tác Pt/Ti0.1O2. Phương pháp thủy nhiệt được sử dụng để tạo ra vật liệu nền nano Ti0.1O2 với cấu trúc và tính chất bề mặt được kiểm soát. Sau đó, Pt được phủ lên vật liệu nền bằng phương pháp khử hóa học hoặc phương pháp polyol. Các thông số tổng hợp vật liệu xúc tác, như nhiệt độ, thời gian, và pH, được điều chỉnh để tối ưu hóa xúc tác và đạt được hiệu suất cao nhất. Theo báo cáo, quy trình tổng hợp vật liệu nền Ti0.1O2 bằng phương pháp thủy nhiệt không sử dụng chất hoạt động bề mặt đảm bảo tính khoa học.

3.1. Tổng Hợp Vật Liệu Nền Nano Ti0.1O2 Bằng Phương Pháp Thủy Nhiệt

Phương pháp thủy nhiệt là một kỹ thuật hiệu quả để tạo ra vật liệu nền nano TiO2 với cấu trúc tinh thể cao và diện tích bề mặt lớn. Quá trình này được thực hiện trong môi trường nước ở nhiệt độ và áp suất cao, cho phép kiểm soát kích thước và hình dạng của các hạt nano. Ảnh hưởng của Ti0.1O2 đến hoạt tính xúc tác được nghiên cứu thông qua việc thay đổi tỉ lệ Ti và chất doping.

3.2. Phủ Pt Lên Nền Nano TiO2 Phương Pháp Khử Hóa Học

Phương pháp khử hóa học là một phương pháp phổ biến để phủ Pt lên vật liệu nền nano TiO2. Trong phương pháp này, một tiền chất Pt được khử bằng một chất khử mạnh, tạo ra các hạt Pt nano bám lên bề mặt TiO2. Quá trình này cần được kiểm soát cẩn thận để đảm bảo sự phân tán đồng đều của Pt và tránh sự kết tụ hạt. Phương pháp tổng hợp xúc tác nano Pt sẽ giúp giảm lượng xúc tác Pt.

3.3 Quy trình tổng hợp xúc tác Pt Ti0.1O2 bằng phương pháp khử NaBH4

Quy trình tổng hợp xúc tác Pt/Ti0.1O2 bằng phương pháp khử NaBH4 dưới sự hỗ trợ của ethylene glycol ở nhiệt độ thường đảm bảo tính khoa học. Quá trình này giúp điều chỉnh kích thước hạt Pt, cải thiện sự phân tán Pt trên nền Ti0.1O2 và tăng cường hoạt tính xúc tác.

IV. Ứng Dụng Xúc Tác Pt Ti0

Các vật liệu xúc tác Pt/Ti0.1O2 được thử nghiệm trong pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol (DAFC). Hiệu suất xúc tác và độ bền xúc tác được đánh giá bằng các phương pháp điện hóa, như quét thế vòng và đo dòng điện. Kết quả cho thấy rằng xúc tác Pt/Ti0.1O2 có hoạt tính xúc tác tương đương hoặc cao hơn so với các xúc tác thương mại, trong khi lượng Pt sử dụng ít hơn đáng kể. Theo báo cáo, các vật liệu xúc tác Pt/Ti0.1O2 với tỉ lệ Pt thấp hơn so với xúc tác truyền thống 20 %kl Pt/C sẽ khuyến khích các định hướng nghiên cứu về khả năng giảm lượng xúc tác Pt quý giá trên các vật liệu M-doped TiO2 khác để ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

4.1. Đánh Giá Hoạt Tính Xúc Tác Bằng Phương Pháp Điện Hóa

Phương pháp quét thế vòng (CV) được sử dụng để đánh giá hoạt tính xúc tác của vật liệu Pt/Ti0.1O2. CV cho phép đo dòng điện oxi hóa alcohol trên bề mặt xúc tác, từ đó xác định hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Kết quả CV cho thấy rằng xúc tác Pt/Ti0.1O2 có hoạt tính xúc tác cao và ổn định.

4.2. So Sánh Hiệu Suất Xúc Tác Pt Ti0.1O2 Với Xúc Tác Thương Mại

Hiệu suất của xúc tác Pt/Ti0.1O2 được so sánh với xúc tác thương mại Pt/C (Pt trên nền carbon). Kết quả cho thấy rằng xúc tác Pt/Ti0.1O2 có hoạt tính xúc tác tương đương hoặc cao hơn, trong khi lượng Pt sử dụng ít hơn. Điều này chứng tỏ rằng vật liệu nền nano TiO2 giúp tăng cường hiệu quả sử dụng Pt.

4.3. So sánh hoạt tính và độ bền của vật liệu xúc tác Pt Ti0.1O2 với vật liệu xúc tác thương mại Pt C

So sánh hoạt tính và độ bền của vật liệu xúc tác Pt/Ti0.1O2 với vật liệu xúc tác thương mại Pt/C hiện nay cho phản ứng oxi hóa alcohol trong DAFC. Vật liệu Pt/Ti0.1O2 thể hiện tiềm năng lớn trong việc thay thế Pt/C do có độ bền và hoạt tính tương đương, đồng thời giảm được lượng Pt sử dụng.

V. Phân Tích Bề Mặt Vật Liệu và Cơ Chế Tác Dụng Xúc Tác Pt Ti0

Nghiên cứu sử dụng các phương pháp phân tích bề mặt vật liệu, như XPS và TEM, để hiểu rõ hơn về cấu trúc và thành phần của xúc tác Pt/Ti0.1O2. XPS cho phép xác định trạng thái hóa học của Pt và TiO2, trong khi TEM cho phép quan sát hình dạng và kích thước của các hạt nano. Kết quả phân tích cho thấy rằng Pt được phân tán tốt trên bề mặt TiO2 và có tương tác mạnh với vật liệu nền. Theo báo cáo, nghiên cứu này đã tổng hợp được vật liệu nền cấu trúc nano Ti0.1O2 và vật liệu xúc tác Pt/Ti0.1O2 với việc giảm lượng xúc tác Pt sử dụng khắc phục hạn chế của vật liệu nền carbonvà giảm giá thành của vật liệu xúc tác truyền thống đang được sử dụng trong pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol hiện nay.

5.1. Phân Tích XPS Trạng Thái Hóa Học Của Pt và TiO2

Phổ XPS của Pt cho thấy sự tồn tại của cả Pt kim loại và Pt oxit trên bề mặt TiO2. Pt kim loại là thành phần hoạt động trong quá trình oxi hóa alcohol, trong khi Pt oxit có thể đóng vai trò trong việc cải thiện khả năng chống ngộ độc CO. Phổ XPS của TiO2 cho thấy sự có mặt của các khuyết tật oxy, có thể tăng cường khả năng vận chuyển điện tử.

5.2. Phân Tích TEM Hình Dạng và Kích Thước Hạt Nano Pt

Ảnh TEM cho thấy rằng các hạt nano Pt có kích thước nhỏ và phân tán đồng đều trên bề mặt TiO2. Kích thước hạt nano Pt có ảnh hưởng lớn đến hoạt tính xúc tác, vì các hạt nhỏ có diện tích bề mặt lớn hơn và nhiều vị trí hoạt động hơn. Sự tương tác giữa Pt và TiO2 giúp ngăn chặn sự kết tụ hạt và duy trì hoạt tính xúc tác.

5.3. Phổ tán xạ năng lượng tia X EDX

Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) giúp xác định các lượng xúc tác Pt được phủ lên chất nền Ti0.1O2. Kết quả EDX cung cấp thông tin quan trọng để kiểm soát và tối ưu hóa quá trình chế tạo vật liệu xúc tác.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Vật Liệu Xúc Tác Pt TiO2

Nghiên cứu này đã chứng minh rằng việc giảm lượng Pt trên vật liệu nền nano TiO2 là khả thi và có thể đạt được hiệu suất cao trong pin nhiên liệu DAFC. Ứng dụng xúc tác Pt/TiO2 đã mở ra một hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu xúc tác hiệu quả và kinh tế hơn cho các ứng dụng năng lượng sạch. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa xúc tác, cải thiện độ bền xúc tác, và khám phá các vật liệu nền nano mới để thay thế TiO2. Theo báo cáo, thành công sẽ góp phần giúp pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, làm khắc phục các vấn đề về “cạn kiệt nguồn năng lượng” và hạn chế các vấn đề biến đổi khí hậu đang đe dọa sự sống của các sinh vật trên Trái Đất.

6.1. Tiềm Năng Thương Mại Hóa Vật Liệu Xúc Tác Pt TiO2

Việc giảm chi phí sản xuất xúc tác là một yếu tố quan trọng để thương mại hóa pin nhiên liệu DAFC. Vật liệu xúc tác Pt/TiO2 có tiềm năng lớn để thay thế xúc tác thương mại Pt/C, vì nó có hiệu suất tương đương hoặc cao hơn và sử dụng ít Pt hơn. Giải pháp giảm chi phí xúc tác sẽ giúp tăng tính cạnh tranh của pin nhiên liệu DAFC trên thị trường.

6.2. Nghiên Cứu Phát Triển Vật Liệu Nền Nano Mới Cho Xúc Tác Pt

Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc khám phá các vật liệu nền nano mới để thay thế TiO2. Các vật liệu này có thể có cấu trúc và tính chất bề mặt tốt hơn, giúp tăng cường sự phân tán Pt, cải thiện khả năng chống ngộ độc CO, và tăng độ bền xúc tác. Tổng hợp vật liệu xúc tác mới cần được tiến hành để đánh giá hiệu quả của các vật liệu nền nano mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Pin nhiên liệu là thiết bị chuyển hóa trực tiếp hóa năng thành điện năng, sản phẩm phụ là nước và một lượng nhỏ CO2 trong pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol, do đó có thể giải quyết được các vấn đề ô nhiễm môi trường và sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch trong tương lai. Ngày nay, pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như điện thoại di động, các thiết bị điện tử cầm tay,… do khả năng lưu trữ nhiên liệu dễ dàng và an toàn hơn so với nhiên liệu hiđro. Tuy nhiên, việc thương mại hóa của pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol vẫn bị một số rào cản nhất định về giá thành và hiệu suất hoạt động của vật liệu xúc tác. Trong hệ thống pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol, lượng kim loại quý platin (Pt) được sử dụng để thúc đẩy cả phản ứng oxi hóa alcohol xảy ra ở điện cực anode và phản ứng khử oxi ở điện cực cathode dẫn tới việc tăng giá thành sản xuất của pin.

Bên cạnh đó, độ bền kém của vật liệu xúc tác cũng cần phải được giải quyết để tăng khả năng ứng dụng của pin. Hiện nay, vật liệu cacbon được sử dụng rộng rãi như vật liệu nền cho kim loại xúc tác Pt, tuy nhiên sự ăn mòn cacbon trong môi trường axit, hoạt động của pin và lực tương tác yếu giữa chúng với kim loại Pt dẫn tới sự phân tách, tích tụ của hạt xúc tác Pt làm suy giảm đáng kể hiệu suất hoạt động của pin trong thời gian hoạt động lâu dài. Việc tìm kiếm vật liệu nền có khả năng chống ăn mòn điện hóa, có lực tương tác mạnh với xúc tác Pt và có giá thành hợp lý đang được quan tâm để thúc đẩy việc thương mại hóa của pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol. Từ những thách thức về giá thành và độ bền kém của vật liệu xúc tác điện hóa sử dụng hiện nay, chúng tôi đề xuất thực hiện đề tài “Khảo sát khả năng giảm lượng xúc tác kim loại quý Pt trên vật liệu nền nano không carbon Ti0.1O2 ứng dụng trong pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol”.

Mục tiêu của nghiên cứu này là tổng hợp được vật liệu nền không cacbon Ti0.1O2 với độ bền điện hóa cao và lực tương tác mạnh với xúc tác kim loại Pt nhằm thay thế vật liệu nền cacbon để 9 tăng hoạt tính và độ bền của của vật liệu xúc tác trong quá trình oxi hóa alcohol (methanol và ethanol). Từ đó, khảo sát khả năng giảm lượng xúc tác kim loại Pt gắn trên vật liệu nền Ti0.1O2 để giảm lượng xúc tác Pt sử dụng nhưng vẫn duy trì được hoạt tính và cải thiện độ bền, khả năng chống ngộ độc CO so với vật liệu xúc tác thương mại Pt/C hiện nay. Sự thành công của nghiên cứu này có thể giảm được giá thành nhưng hoạt tính xúc tác vẫn có thể duy trì so với vật liệu xúc tác thương mại, từ đó tăng khả năng thương mại hóa của pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.

Tính cấp thiết của đề tài Trong cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng cao và đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong sự phát triển của các quốc gia trên thế giới. Tuy nhiên, nguồn nhiên liệu hóa thạch là nguồn năng lượng chính ngày càng trở nên khan hiếm và sẽ bị cạn kiệt trong vài thập kỷ tới. Ngoài ra, việc sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch trong sản xuất và đời sống gây ra một lượng lớn khí thải nhà kính, nguyên nhân chính gây ra các vấn đề ô nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu và hiện tượng nóng lên toàn cầu. Theo những dự đoán về tác động của biến đổi khí hậu, Việt Nam là một trong những quốc gia sẽ chịu ảnh hưởng nặng nề và nghiêm trọng nhất trong tương lai (Hình 1.

Vấn đề về năng lượng và biến đổi khí hậu đang diễn ra hiện nay 11 Pin nhiên liệu là một thiết bị chuyển hóa trực tiếp hóa năng thành điện năng và sản phẩm phụ sinh ra chủ yếu là nước và nhiệt, do đó có thể xem pin nhiên liệu là một thiết bị chuyển hóa năng lượng sạch đầy tiềm năng cho tương lai. Pin nhiên liệu đầu tiên được phát minh bởi nhà vật lý và hóa học William Grove vào năm 1938 và được sử dụng trong chương trình “NASA Gemini” của NASA để khám phá vũ trụ. Từ những năm 1970, việc sử dụng pin nhiên liệu trong các loại phương tiện và thiết bị thu hút được sự chú ý mạnh mẽ cho đến ngày nay do có một số ưu điểm nhất định như không cần sạc sau mỗi lần sử dụng, nhiệt độ vận hành thấp, hiệu suất chuyển hóa năng lượng cao, ít gây ô nhiễm môi trường (Hình 1. Khác với các nguồn năng lượng tái tạo khác, pin nhiên liệu có thể sản xuất công nghiệp với nhiều mức năng lượng khác nhau mà không yêu cầu diện tích sử dụng lớn hay phụ thuộc vào điều kiện khí hậu và địa hình sử dụng.

Bên cạnh đó, pin nhiên liệu còn có thể tạo ra năng lượng liên tục mà không cần sạc như các loại pin truyền thống. (Nguồn: http://www. Ưu điểm của pin nhiên liệu với các nguồn năng lượng truyền thống 12 1. Pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol (DAFC) 1.

Giới thiệu về pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol (DAFC) Hiện nay, pin nhiên liệu được chia thành nhiều loại như pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC); pin nhiên liệu sử dụng methanol trực tiếp (DMFC); pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC); pin nhiên liệu kiềm (AFC); pin nhiên liệu axit photphoric (PAFC). Trong đó, pin nhiên liệu màng trao đổi proton sử dụng nhiên liệu là hiđro được quan tâm nghiên cứu do hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, không phát thải khí nhà kính, nhiệt độ vận hành thấp [1]. Tuy nhiên, việc lưu trữ và phân phối nhiên liệu hiđro là rào cản lớn nhất trong pin nhiên liệu này do cần phải nén khí ở áp suất cao hay dạng lỏng ở nhiệt độ rất thấp [2]. Do đó, việc sử dụng nhiên liệu lỏng được xem là sự thay thế tiềm năng đã được đề xuất từ lâu để giải quyết các vấn đề của nhiên liệu hiđro.

Alcohol được sử dụng trong pin nhiên liệu hoạt động tại nhiệt độ thấp lần đầu tiên vào những năm đầu 1950 bởi nhà khoa học Kordesch và Marko [2] do khả năng dễ lưu trữ, phân phối và giá thành thấp hơn so với hiđro [3-6]. Pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol (DAFC) được nghiên cứu và sử dụng trong nhiều lĩnh vực như thiết bị điện thoại di dộng, các thiết bị điện tử cầm tay….do nhiệt độ vận hành thấp (50 -100 oC), hiệu quả chuyển đổi năng lượng cao (40 – 60%), khả năng lưu trữ và phân phối nhiên liệu dễ dàng và an toàn [7]. Một số thiết bị ứng dụng pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol được thương mại hóa hiện nay [2] Loại pin nhiên liệu sử dụng Lĩnh vực Sản phẩm Công ty trực tiếp alcohol CD-ROM-sized fuel cell DMFC Antig Technology pack Máy tính xách tay A fuel cell-equipped laptop DMFC Samsung docking station DMFC Battery charger Panasonic Antig Technology Vận chuyển DMFC Fuel cell notebook PCs & Toshiba DMFC Material handling vehicles Oorja Protonics DMFC Off-grid power generators SFC Energy DMFC Army field power pack SFC Energy DMFC Army field power pack SFC Energy Quân sự DMFC Power pack Samsung SDI Portable generator chargers DMFC SFC Energy batteries Danish Y khoa DMFC Hearing aid Technological Institute (DTI) Backup power for cellular DMFC Oorja Protonics Viễn thông tower DMFC Battery charger Altig Technology 14 DMFC DynarioTM (Battery charger) Toshiba Mobile and remote power Neah Power DMFC source System DEFC Power pack NDC Power Một số lĩnh vực DEFC Vacuum cleaner backpack Continuum khác Horizon Fuel Cell DEFC Bio-energy discovery kit Technology DMFC Mobile audio player Toshiba & Hitachi 1. Cấu tạo của pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol (DAFC) Pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol (methanol, ethanol) có cấu tạo cơ bản bao gồm điện cực anode, điện cực cathode, và ở giữa hai điện cực là lớp màng trao đổi proton.

Tại mỗi điện cực được chia thành 03 lớp bao gồm lớp xúc tác, lớp khuyếch tán và lớp bên trong. Bề dày của các điện cực và lớp màng không quá 1 mm [8] (Hình 1. Cấu tạo của pin DAFC bao gồm:  Điện cực anode: nơi nhiên liệu alcohol (methanol hoặc ethanol) lỏng bị oxi hóa để tạo thành electron và các ion H+, khí cacbonic (CO2).  Điện cực cathode: là nơi xảy ra quá trình khử oxi.

Tại cathode cũng là nơi các electron và H+ kết hợp với nhau để tạo thành nước.  Lớp màng trao đổi proton: lớp màng này ở giữa hai điện cực anode và cathode trong hệ pin DAFC và được cấu tạo từ Nafion. Nó có tác dụng như một thiết bị lọc chỉ cho phép các proton hoặc các ion thích hợp đi qua và ngăn không cho electron đi qua.  Lớp xúc tác: lớp này được cấu tạo từ hỗn hợp của chất xúc tác và ionome.

Chất xúc tác thường được dùng là platin hoặc hợp kim của platin gắn trên cacbon hay gắn trực tiếp trên các điện cực.  Lớp khuyếch tán: thường là hỗn hợp của cacbon và polytetrafluorosul- 15 phoric với tính kị nước thích hợp cho việc vận chuyển các phân tử oxi tới lớp xúc tác trên cathode hoặc giải phóng khí CO2 trên điện cực anode. Cấu tạo của pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol 1. Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol Trong hệ thống pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol, nguyên lý hoạt động được mô tả tóm tắt như sau:  Tại điện cực anode sẽ xảy ra phản ứng oxi hóa alcohol để tạo thành ion H+ và electron (e-) (phương trình 1.

 Màng điện phân (thường dùng là Nafion) có tác dụng chỉ cho các ion H+ đi qua. Vì vậy, dòng electron (e-) sẽ di chuyển qua mạch ngoài đến điện cực cathode tạo ra dòng điện.  Tại điện cực cathode, là nơi oxi hoặc không khí được đưa vào và bị khử thành O2-, sau đó kết hợp với ion H+ và e- từ điện cực anode sang để tạo thành nước (phương trình 1. Để thúc đẩy phản ứng hóa học xảy ra, vật liệu xúc tác được thêm vào giữa điện cực và màng điện phân.

Vật liệu xúc tác có thể là điện cực hoặc là một chất khác 16 được đặt tiếp xúc giữa điện cực và màng điện phân hoặc được phủ trực tiếp lên bề mặt điện cực. Các phản ứng xảy ra ở các điện cực diễn ra như sau: Tại điện cực anode: CnH2n+1OH + (2n – 1) H2O ⟶ nCO2 + 6nH+ 6ne– (1.