Khảo Sát Giảm Lượng Xúc Tác Kim Loại Quý Pt Trên Vật Liệu Nền Nano Ti0.1O2

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

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.

Khảo Sát Khả Năng Giảm Lượng Xúc Tác Kim Loại Quý Pt Trên Vật Liệu Nền Nano Ti0.1O2 Ứng Dụng Cho Pin Nhiên Liệu Sử Dụng Trực Tiếp Alcohol