I. Tổng Quan Luận Văn Thạc Sĩ Vật Liệu 5SrO
Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFCs) là thiết bị chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện năng, hiệu suất cao. SOFCs tiềm năng thương mại nhờ cung cấp năng lượng sạch, sử dụng nhiều loại nhiên liệu, cấu tạo đơn giản, phù hợp mọi công suất, ít ô nhiễm. Nhiệt độ hoạt động cao (600-1000°C) gây khó khăn tìm kiếm vật liệu, thiết kế kín khí, an toàn. Giảm nhiệt độ hoạt động là mục tiêu nghiên cứu SOFCs. Nghiên cứu tập trung pin nhiên liệu oxit rắn đơn buồng (SC-SOFCs) ưu thế cấu tạo, dễ thiết kế, không cần kín khí, không cần thiết bị cung cấp khí riêng. Giải pháp cải tiến catot cần đảm bảo hiệu suất, giảm nhiệt độ, có tính chọn lọc với hỗn hợp khí. Nhiều nghiên cứu vật liệu catot cho SC-SOFCs, trong số đó perovskite ABO3 là hứa hẹn nhờ đặc tính đa dạng, cơ chế xúc tác. Tính chất, hoạt tính xúc tác thay đổi phụ thuộc vào thay thế nguyên tố kim loại khác nhau vào vị trí A hoặc B trong cấu trúc. Các perovskite còn có độ bền nhiệt cao, cấu trúc ổn định cải thiện độ tin cậy, tuổi thọ. Cụ thể, perovskite của Barium strontium cobalt ferrite (BSCF) cho thấy sự phù hợp. Vì vậy đề tài “Tổng hợp Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3−δ (BSCF- 5582) bằng phương pháp đồng kết tủa và khảo sát độ chọn lọc của vật liệu” đặt mục tiêu tìm phương pháp đơn giản, hiệu quả chế tạo vật liệu BSCF-5582 làm catot pin nhiên liệu SOFCs và khảo sát độ chọn lọc của vật liệu khi hoạt động với hỗn hợp nhiên liệu trong SC-SOFCs.
1.1. Giới Thiệu Tổng Quan về Pin Nhiên Liệu Oxit Rắn SOFCs
Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFCs) được coi là một công nghệ phát điện thế hệ tiếp theo vì tính linh hoạt nhiên liệu và hiệu quả tổng thể cao do khả năng sử dụng trong hệ thống đồng phát. Một lợi thế của SOFCs là có thể sử dụng được khí tự nhiên làm nhiên liệu và hiệu suất phản ứng cao bởi nhiệt phản ứng tương đối cao. Bởi vậy, không cần tới vật liệu xúc tác đắt tiền.
1.2. Tầm Quan Trọng của Vật Liệu Perovskite trong SC SOFCs
Cải tiến catot là một giải pháp, nhưng catot cần đảm bảo vẫn giữ được hiệu suất cao, giảm được nhiệt độ hoạt động và có tính chọn lọc đối với hỗn hợp khí nhiên liệu. Nhiều nghiên cứu về vật liệu làm catot cho SC-SOFCs. Perovskite ABO3 là một trong những vật liệu hứa hẹn cho ứng dụng là catot của pin SOFCs nhờ những đặc tính đa dạng và cơ chế xúc tác của chúng.
II. Thách Thức Nhiệt Độ Độ Chọn Lọc Vật Liệu Xúc Tác
Nhiệt độ hoạt động cao cũng đưa ra những thách thức về độ tin cậy và tính ổn định lâu dài của hệ thống. Sự thoái hóa vật liệu, sự hỏng hóc trong việc giữ kín khí và nứt do khác nhau về hệ số giãn nở nhiệt giữa các thành phần dẫn đến hiệu suất và tính ổn định thấp. Nhiệt độ hoạt động cao cũng là một hạn chế trong việc ứng dụng SOFCs trên các thiết bị điện di động. Do đó, việc giảm nhiệt độ hoạt động là một trong những thách thức chính trong nghiên cứu SOFCs. Một yếu tố khác cần xem xét là độ chọn lọc của vật liệu xúc tác, đặc biệt khi sử dụng hỗn hợp khí làm nhiên liệu. Độ chọn lọc kém có thể dẫn đến các phản ứng phụ không mong muốn, làm giảm hiệu suất và tuổi thọ của pin.
2.1. Vấn Đề Nhiệt Độ Cao trong Ứng Dụng SOFCs
Nhiệt độ hoạt động cao của SOFCs từ khoảng 600-1000C, điều này gây khó khăn trong việc tìm kiếm nguyên vật liệu phù hợp, thiết kế thiết bị yêu cầu cao về kín khí và an toàn. Hạ nhiệt độ hoạt động của SOFCs là mục tiêu chính trong các nghiên cứu về SOFCs hiện nay, nó cho phép sử dụng các kim loại chuyển tiếp rẻ tiền để giảm chi phí.
2.2. Tầm Quan Trọng của Độ Chọn Lọc Vật Liệu Xúc Tác trong SC SOFCs
Để giải quyết các vấn đề đó thì cải tiến catot là một giải pháp, nhưng catot cần đảm bảo vẫn giữ được hiệu suất cao, giảm được nhiệt độ hoạt động và có tính chọn lọc đối với hỗn hợp khí nhiên liệu. Nhiều nghiên cứu về vật liệu làm catot cho SC-SOFCs. Chính vì vậy đề tài đặt mục tiêu muốn tìm phương pháp đơn giản và hiệu quả để chế tạo vật liệu BSCF-5582 làm catot pin nhiên liệu SOFCs và khảo sát độ chọn lọc của vật liệu khi hoạt động với hỗn hợp nhiên liệu trong SC-SOFCs.
2.3. Phân Tích Thành Phần Khí Bằng Phương Pháp GC với Đầu Dò TCD
Mẫu phân tích được xác định thành phần khí bằng phương pháp GC với đầu dò TCD. Kết quả cho thấy độ chuyển hóa của CH4 là thấp nhất với Rmix = 2, tại nhiệt độ 550-650C CH4 tiêu hao không đáng kể, tại nhiệt độ 700 và 750C độ chuyển hóa lần lượt là 11 và 21%.
III. Phương Pháp Đồng Kết Tủa Bí Quyết Tổng Hợp BSCF 5582
Phương pháp đồng kết tủa được sử dụng để tổng hợp vật liệu Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3−δ (BSCF-5582). Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước hạt và độ đồng đều của vật liệu. Ở các điều kiện: pH kết tủa bằng 3, tỉ lệ M (M+/Oxalate) 1:1,2 , nhiệt độ nung 900C, thời gian nung 4 giờ vật liệu thu được có kích thước 100 nm và đồng đều. Các tính chất được xác định theo các phương pháp phân tích XRD, TGA/DSC và SEM.
3.1. Ưu Điểm của Phương Pháp Đồng Kết Tủa so với Sol Gel
Trong các phương pháp tổng hợp, phương pháp đồng kết tủa có nhiều ưu điểm so với phương pháp sol-gel. Phương pháp đồng kết tủa cho phép kiểm soát tốt hơn thành phần hóa học và kích thước hạt của vật liệu. Ngoài ra, phương pháp này thường đơn giản và tiết kiệm chi phí hơn so với phương pháp sol-gel.
3.2. Quy Trình Tổng Hợp BSCF 5582 Bằng Phương Pháp Đồng Kết Tủa
Chuẩn bị dung dịch, Quy trình tổng hợp BSCF-5582. Khảo sát quá trình tổng hợp bằng phương pháp đồng kết tủa. Khảo sát ảnh hưởng của pH. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian nung. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ M .Khảo sát độ chọn lọc. Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ khí CH4 : O2.
IV. Luận Văn Thạc Sĩ Nghiên Cứu Độ Chọn Lọc Vật Liệu BSCF 5582
Luận văn thạc sĩ tập trung vào nghiên cứu độ chọn lọc của BSCF-5582 khi sử dụng làm catot với ảnh hưởng của tỉ lệ khí CH4 : O2, nhiệt độ khảo sát. Mẫu phân tích được xác định thành phần khí bằng phương pháp GC với đầu dò TCD. Nghiên cứu còn khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình tổng hợp BSCF-5582 như pH, nhiệt độ nung, thời gian nung, tỉ lệ M.
4.1. Ảnh Hưởng của Tỉ Lệ Khí CH4 O2 Đến Độ Chọn Lọc
Kết quả cho thấy độ chuyển hóa của CH4 là thấp nhất với Rmix = 2, tại nhiệt độ 550-650C CH4 tiêu hao không đáng kể, tại nhiệt độ 700 và 750C độ chuyển hóa lần lượt là 11 và 21%. Pin SOFCs được cấu tạo gồm: NiO + GDC/ LDM/ GDC/ GDC-BSCF-5582 được khảo sát trong điều kiện đơn buồng phản ứng sử dụng CH4 : O2 theo tỉ lệ Rmix= 2 cho công suất năng lượng lớn nhất 159,9 mW/cm2 tại nhiệt độ 650C.
4.2. Kết Quả Phân Tích XRD và SEM Vật Liệu BSCF 5582
Luận văn sử dụng các phương pháp phân tích XRD và SEM để xác định cấu trúc và hình thái của vật liệu BSCF-5582. Kết quả phân tích cho thấy vật liệu được tổng hợp có cấu trúc perovskite và kích thước hạt nano. Hình ảnh SEM cũng cho thấy sự phân bố đồng đều của các hạt trên bề mặt.
V. Ứng Dụng Thực Tế Đánh Giá Pin SOFCs Sử Dụng BSCF 5582
Pin SOFCs được cấu tạo gồm: NiO + GDC/ LDM/ GDC/ GDC-BSCF-5582 được khảo sát trong điều kiện đơn buồng phản ứng sử dụng CH4 : O2 theo tỉ lệ Rmix= 2 cho công suất năng lượng lớn nhất 159,9 mW/cm2 tại nhiệt độ 650C. Kết quả này cho thấy tiềm năng ứng dụng của vật liệu BSCF-5582 trong pin SOFCs.
5.1. Hiệu Suất và Công Suất của Pin SOFCs Với Catot BSCF 5582
Pin SOFCs được cấu tạo gồm: NiO + GDC/ LDM/ GDC/ GDC-BSCF-5582 được khảo sát trong điều kiện đơn buồng phản ứng sử dụng CH4 : O2 theo tỉ lệ Rmix= 2 cho công suất năng lượng lớn nhất 159,9 mW/cm2 tại nhiệt độ 650C.
5.2. So Sánh Với Các Vật Liệu Catot Khác
Nhiều nghiên cứu về vật liệu làm catot cho SC-SOFCs . Shao và các cộng sự đã nhận thấy perovskite ABO3 là một trong những vật liệu hứa hẹn cho ứng dụng là catot của pin SOFCs nhờ những đặc tính đa dạng và cơ chế xúc tác của chúng.
VI. Kết Luận Tiềm Năng Hướng Phát Triển Vật Liệu GBSCF 5582
Luận văn đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu BSCF-5582 bằng phương pháp đồng kết tủa và khảo sát độ chọn lọc của vật liệu. Kết quả cho thấy vật liệu có tiềm năng ứng dụng trong pin SOFCs. Tuy nhiên, cần có thêm nhiều nghiên cứu để tối ưu hóa quá trình tổng hợp và nâng cao hiệu suất của pin.
6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu
Pin SOFCs được cấu tạo gồm: NiO + GDC/ LDM/ GDC/ GDC-BSCF-5582 được khảo sát trong điều kiện đơn buồng phản ứng sử dụng CH4 : O2 theo tỉ lệ Rmix= 2 cho công suất năng lượng lớn nhất 159,9 mW/cm2 tại nhiệt độ 650C.
6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Trong Tương Lai
Nhiều nghiên cứu về vật liệu làm catot cho SC-SOFCs. Shao và các cộng sự đã nhận thấy perovskite ABO3 là một trong những vật liệu hứa hẹn cho ứng dụng là catot của pin SOFCs nhờ những đặc tính đa dạng và cơ chế xúc tác của chúng. Tính chất cũng như hoạt tính xúc tác của các hệ vật liệu này có thể thay đổi và phụ thuộc vào sự thay thế từng phần bởi các nguyên tố kim loại khác nhau vào các vị trí A hoặc vị trí B trong cấu trúc.
