Luận văn thạc sĩ công nghệ hóa học tổng hợp ba0 5sr0 5co0 8fe0 2o3 bscf5582 bằng phương pháp acid stearic ứng dụng trong pin nhiên liệu oxide rắn đơn buồng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu tổng hợp vật liệu BSCF5582 bằng phương pháp acid stearic, ứng dụng trong pin nhiên liệu oxide rắn đơn buồng.

• Tác giả: Phan Thành Nhân
• Người hướng dẫn: TS. Lê Minh Viễn
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Hóa Học
• Đề tài: Tổng hợp Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 bằng phương pháp acid stearic ứng dụng trong pin nhiên liệu oxide rắn đơn buồng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Luận Văn Thạc Sĩ

Luận Văn Thạc Sĩ của Phan Thành Nhân tập trung vào việc tổng hợp Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 (BSCF) bằng phương pháp Acid Stearic và ứng dụng trong pin nhiên liệu Oxide rắn đơn buồng. Nghiên cứu này thuộc chuyên ngành Công Nghệ Hóa Học, mã số 605275, được hoàn thành tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM vào tháng 07 năm 2015. Luận văn được hướng dẫn bởi TS. Lê Minh Viễn và bảo vệ trước Hội đồng đánh giá gồm các chuyên gia như PGS. Huỳnh Kỳ Phương Hạ, PGS. Nguyễn Đình Thành, và TS. Nguyễn Tuấn Anh. Nghiên cứu này đóng góp vào lĩnh vực công nghệ năng lượng tái tạo, đặc biệt là pin nhiên liệu Oxide rắn, một giải pháp tiềm năng cho cuộc khủng hoảng năng lượng và vấn đề môi trường hiện nay.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn là tổng hợp BSCF bằng phương pháp Acid Stearic và khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ hỗn hợp khí nhiên liệu oxygen đối với độ chọn lọc của vật liệu BSCF. Nghiên cứu này nhằm tối ưu hóa quy trình tổng hợp và cải thiện hiệu suất của pin nhiên liệu Oxide rắn đơn buồng, một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

1.2. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu bao gồm tổng hợp BSCF bằng phương pháp Acid Stearic, sử dụng các kỹ thuật phân tích như SEM/EDS, XRD, và TGA/DTA để đánh giá cấu trúc và tính chất của vật liệu. Nghiên cứu cũng khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung, thời gian nung, và hàm lượng Acid Stearic đến độ đơn pha của BSCF.

II. Tổng hợp Ba0

Tổng hợp Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 (BSCF) là trọng tâm của luận văn, với mục tiêu tạo ra vật liệu có cấu trúc perovskite hoàn chỉnh. BSCF được tổng hợp bằng phương pháp Acid Stearic, một phương pháp hiệu quả để tạo ra các hạt nano có kích thước đồng đều. Kết quả XRD cho thấy BSCF hình thành cấu trúc perovskite hoàn toàn ở nhiệt độ 850°C với kích thước tinh thể trung bình khoảng 15 nm. Các hình ảnh SEM cũng xác nhận sự hiện diện của các hạt hình cầu có kích thước nano.

2.1. Phương pháp Acid Stearic

Phương pháp Acid Stearic được sử dụng để tổng hợp BSCF, với ưu điểm là tạo ra các hạt nano có kích thước đồng đều và kiểm soát được cấu trúc tinh thể. Phương pháp này bao gồm các bước hòa tan các muối nitrate của Ba, Sr, Co, và Fe trong Acid Stearic, sau đó đốt cháy hỗn hợp để thu được bột BSCF.

2.2. Kết quả phân tích

Kết quả phân tích XRD cho thấy BSCF hình thành cấu trúc perovskite hoàn toàn ở nhiệt độ 850°C. Các hình ảnh SEM cho thấy các hạt BSCF có kích thước nano và hình dạng hình cầu. Phân tích TGA/DSC cũng xác nhận quá trình phân hủy nhiệt và hình thành cấu trúc perovskite.

III. Ứng dụng trong Pin Nhiên Liệu Oxide Rắn

Pin nhiên liệu Oxide rắn (SOFC) là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực năng lượng tái tạo, với ưu điểm là hiệu suất cao và thân thiện với môi trường. Luận văn tập trung vào ứng dụng của BSCF trong pin nhiên liệu Oxide rắn đơn buồng (SC-SOFC), một loại pin có cấu trúc đơn giản và hiệu quả cao. BSCF được sử dụng làm vật liệu điện cực, với khả năng dẫn điện và tính chọn lọc cao.

3.1. Cấu tạo SC SOFC

SC-SOFC có cấu tạo đơn giản với chỉ một buồng hoạt động trong hỗn hợp khí nhiên liệu và oxygen. Cathode của SC-SOFC phải hoạt động với oxygen và trơ với nhiên liệu, trong khi anode phải phản ứng với nhiên liệu và trơ với oxygen. BSCF được sử dụng làm vật liệu cathode, với tính chọn lọc cao và khả năng dẫn điện tốt.

3.2. Tính chọn lọc của BSCF

Nghiên cứu khảo sát tính chọn lọc của BSCF theo tỷ lệ khí CH4:O2. Kết quả cho thấy, với tỷ lệ Rmix = 2, BSCF có độ chuyển hóa methane thấp nhất và độ chọn lọc CO2 cao nhất. Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng của BSCF trong SC-SOFC, giúp cải thiện hiệu suất và ổn định của pin.

IV. Kết luận và Kiến nghị

Luận văn đã thành công trong việc tổng hợp BSCF bằng phương pháp Acid Stearic và ứng dụng trong pin nhiên liệu Oxide rắn đơn buồng. Kết quả nghiên cứu cho thấy BSCF có cấu trúc perovskite hoàn chỉnh, kích thước hạt nano, và tính chọn lọc cao, phù hợp làm vật liệu điện cực trong SC-SOFC. Nghiên cứu này đóng góp vào sự phát triển của công nghệ năng lượng tái tạo, đặc biệt là pin nhiên liệu Oxide rắn, một giải pháp tiềm năng cho cuộc khủng hoảng năng lượng và vấn đề môi trường hiện nay.

4.1. Giá trị thực tiễn

Nghiên cứu này có giá trị thực tiễn cao trong việc phát triển pin nhiên liệu Oxide rắn, một công nghệ tiên tiến và thân thiện với môi trường. BSCF được tổng hợp bằng phương pháp Acid Stearic có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống năng lượng tái tạo, giúp giảm thiểu tác động của cuộc khủng hoảng năng lượng và biến đổi khí hậu.

4.2. Hướng phát triển

Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu là tối ưu hóa quy trình tổng hợp BSCF và cải thiện hiệu suất của pin nhiên liệu Oxide rắn đơn buồng. Ngoài ra, nghiên cứu cũng có thể mở rộng sang các vật liệu perovskite khác để tìm kiếm các giải pháp năng lượng tái tạo hiệu quả hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU 1.1 Pin nhiên liệu Pin nhiên liệu có thể được hiểu như một bình điện phân ngược. Nếu cho dòng điện chạy qua bình điện phân, ta sẽ thu được khí O2 và H2 thoát ra từ 2 điện cực; ngược lại, nếu ta cho khí H2 và O2 đi qua đồng thời 2 điện cực của pin nhiên liệu, ta sẽ thu được dòng điện. Một cách khái quát, pin nhiên liệu là một thiết bị chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện năng thông qua một phản ứng hóa học của một hỗn hợp gồm nhiên liệu- thường là hydrogen và một chất oxy hóa-thường là oxygen.

Khác với các loại pin khác, pin nhiên liệu không có khả năng dự trư năng lượng. Chính vì vậy, để thu được dòng điện liên tục, ta phải cung cấp liên tục hỗn hợp nhiên liệu oxygen cho pin. Tên gọi “pin nhiên liệu” xuất phát từ nguồn gốc này. Phản ứng tổng quát: 2H2 (khí) + O2(khí) = 2H2O + năng lượng (1.1) Bởi vì khí hydrogen và oxygen được chuyển đổi thành nước, pin nhiên liệu có nhiều ưu điểm so với các động cơ nhiệt, như là: hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, pin nhiên liệu hoạt động gần như trong yên lặng, và nếu nhiên liệu là hydrogen thì sản phẩm sinh ra chỉ đơn thuần là nước [1].

Một pin nhiên liệu nói chung được cấu tạo gồm 3 phần: cathode, anode và lớp electrolyte phân cách giữa cathode và anode. Cathode là nơi xảy ra phản ứng khử chất oxy hóa thành các ion âm. Anode là nơi xảy ra phản ứng oxy hóa nhiên liệu thành các ion dương và các electron tự do. Electrolyte là một chất được thiết kế đặc biệt sao cho các ion di chuyển qua còn các electron thì không.

Bên ngoài pin nhiên liệu sẽ có một mạch điện để dẫn electron di chuyển từ điện cực này sang điện cực kia tạo ra dòng điện. Pin nhiên liệu được phân loại chủ yếu dựa loại vật liệu cấu tạo nên electrolyte của pin. Các loại pin thông dụng hiện nay: 3 GVHD: TS. LE MINH VIEN  Pin nhiên liệu kiềm  Pin nhiên liệu dùng metanol trực tiếp  Pin nhiên liệu axít photphoric  Pin nhiên liệu muối cacbonate nóng chảy  Pin nhiên liệu màng trao đổi proton  Pin nhiên liệu oxide rắn Mỗi loại pin có những yếu tố đặc trưng như phạm vi nhiệt độ hoạt động, các phản ứng xảy ra trong pin, các loại xúc tác cần thiết, loại nhiên liệu sử dụng và các yếu tố khác.

Những yếu tố này sẽ quyết định đến ưu nhược điểm cũng như phạm vi ứng dụng cho từng loại pin nhiên liệu.2 Pin nhiên liệu oxide rắn Pin nhiên liệu oxide rắn (solid oxide fuel cells-SOCF) là một loại pin nhiên liệu đặc trưng bởi lớp electrolyte được chế tạo từ vật liệu oxide rắn. Lớp electrolyte này có khả năng dẫn các ion O 2- đi từ cathode sang anode. Hiệu suất của SOFC khá cao, khoảng 60%. Nếu tận dụng được lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình vận hành, hiệu suất của SOFC có thể đạt tới 85%.

Chính điều này đã làm cho SOFC trở thành một nguồn năng lượng đầy hứa hẹn trong tương lai. Hiệu quả vượt trội của SOFC so với các pin nhiên liệu khác là do nhiệt độ hoạt động cao của nó, mà có thể vượt quá 1000°C trong một số thiết kế [2]. Hoạt động ở nhiệt độ cao, SOFC không đòi hỏi các vật liệu xúc tác đắt tiền như Pt, cũng như nhiên liệu sử dụng trong SOFC khá là đa dạng, gồm hydrogen và các hydrocacbon nhẹ như methane, propane, butane. SOFC cũng là loại pin nhiên liệu kháng lưu huỳnh , có thể chịu đựng được lưu huỳnh lớn hơn các loại pin nhiên liệu khác.

Ngoài ra, chúng không bị nhiễm độc khí carbon monoxide (CO), mà thậm chí có thể được sử dụng CO làm nhiên liệu. Điều này cho phép SOFC sử dụng khí làm từ than đá. [3] Hiện nay, SOFC được xem là một công nghệ sản xuất điện tiên tiến vì nó có ưu điểm là hiệu quả cao, ổn định lâu dài, linh hoạt nhiên liệu, giá thành thấp. Tuy nhiên, nhiệt độ hoạt động cao đặt ra một số thách thức.

Cụ thể, vật liệu giữa các điện cực có thể 4 GVHD: TS. LE MINH VIEN phản ứng với nhau làm thoái hóa vật liệu; các mối hàn giữa các buồng (chamber) bị hư hỏng do khác nhau hệ số giãn nở nhiệt giữa các thành phần pin dẫn đến hiệu suất pin thấp và ổn định thấp. Ngoài ra, nhiệt độ cao hạn chế sử dụng trong các ứng dụng SOFC quy mô nhỏ. Do đó, giảm nhiệt độ hoạt động là một trong những thách thức chính trong nghiên cứu SOFC.3 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của SOFC SOFC bao gồm ba phần cơ bản: cathode, anode, và electrolyte.

Các anode và cathode đều có độ xốp cao và nằm trong mỗi khoang tách biệt. Đầu tiên, khí O2 sẽ được hấp phụ trên cathode và bị khử để tạo thành ion O 2-. Ion O2- sau đó sẽ được dẫn qua lớp electrolyte đến anode. Tại anode, một phản ứng oxy hóa nhiên liệu sẽ diễn ra để tạo ra ion dương (là H+ nếu nhiên liệu là hydrogen) và các electron tự do e -.

Các electron sinh ra sẽ chạy theo mạch điện bên ngoài sinh ra dòng điện. [5] Phản ứng xảy ra trong pin: Anode: 2CH4 + O2 = 4H2 + 2CO (1.5) Loại SOFC cổ điển là loại có 2 ngăn, xem hình 1.1, kí hiệu là DC-SOFC (dual chamber solid oxide fuel cells). Cấu tạo DC-SOFC như sau: pin gồm 2 buồng được ngăn cách bằng lớp chất điện phân có tính kết khối tốt và chống thấm chịu nhiệt. Nhờ đó, oxygen và nguyên liệu cung cấp riêng lẻ cho các điện cực tương ứng không có bất kì sự trộn lẫn vào nhau.

Chính điều này làm cho việc quản lý, truyền dẫn hai luồng khí vào 2 buồng là phức tạp. Nhiệt độ hoạt động cao ở áp suất cao đặt ra một thách thức về độ tin cậy và ổn định lâu dài của pin nhiên liệu DC-SOFC, cụ thể như: thoái hóa vật liệu, không thể giữ kín khí và các lực cơ học do hệ giản nở nhiệt khác nhau giữa các thành phần của pin dẫn đến hiệu suất thấp và mất ổn định. LE MINH VIEN Hình 1.1: Sơ đồ vận hành của một SOCF vận hành bằng khí hydrogen và oxygen. [6] Để khắc phục các nhược điểm của DC-SOFC, loại đơn buồng gọi là single chamber (SC-SOFC) đang được phát triển.4 Pin nhiên liệu oxide rắn đơn buồng 1.1 Cấu tạo SC-SOCF SC-SOFC (hình 1-2) có thể được định nghĩa là các pin nhiên liệu với chỉ một đơn buồng hoạt động trong một hỗn hợp khí nhiên liệu và oxygen [7].

Thuật ngữ "đơn buồng" đã được giới thiệu vào năm 1999 bởi Hibino [8], một trong những người tiên phong của công nghệ SC-SOFC, và thuật ngữ này thường được sử dụng. Nguyên tắc làm việc của SC-SOFC dựa trên tính chọn lọc của các điện cực cho các phản ứng tương ứng; đó là, cathode phải hoạt động với oxygen và trơ với nhiên liệu, ngược lại, anode phải phản ứng với nhiên liệu và trơ với oxygen. Nhờ đó, một điện áp phụ tải (OCV) được hình thành [4]. Trong trường hợp các hydrocacbon được sử dụng làm nhiên liệu, hoạt động xúc tác oxy hóa một phần của anode cũng là cần thiết để tạo ra các hợp chất có tính hoạt động điện hóa cao (xem phản ứng 1.

LE MINH VIEN Hình 1.2: Cấu tạo SC-SOFC.1 tóm tắt những ưu điểm và nhược điểm của SC-SOFC. Một nhược điểm lớn của SC-SOFC là sự thiếu chọn lọc của vật liệu điện cực cathode và anode, dẫn đến hiệu quả sử dụng nhiên liệu thấp. Vì vậy, một trong những thách thức chính của công nghệ SC-SOFC bao gồm trong việc tìm kiếm các vật liệu có tính chọn lọc cao. Một nhược điểm khác của SC-SOFC là nguy cơ cháy nổ liên khi làm việc với hỗn hợp khí nhiên liệu-không khí ở nhiệt độ cao.

Chính vì điều đó, hạ thấp nhiệt độ hoạt động là mục tiêu chính trong nghiên cứu SC-SOFC hiện nay.1:Ưu nhược điểm của SC-SOCF. Ưu điểm Nhược điểm  Không cần phải hàn kín như DC-  Vật liệu cần có tính chọn lọc và SOFC hoạt tính xúc tác cao.  Việc quản lý và dẫn khí khá đơn  Hiệu suất sử dụng nhiên liệu thấp giản hơn trong SOFC hai buồng  Tăng cường sự ổn định cơ nhiệt của  Nguy cơ cháy nổ cao đối với hỗn vật liệu hợp nhiên liệu-không khí ở nhiệt độ cao  Thiết kế nhỏ gọn và đơn giản  Dễ dàng lắp ráp các SC-SOFC lại với nhau, công nghệ linh hoạt  Lớp electrolyte không cần phải đạt yêu cầu kết khối cao như DC- SOFC  Phản ứng tỏa nhiệt để duy trì nhiệt độ hoạt động tế bào  Chế tạo dễ dàng hơn 7 GVHD: TS. LE MINH VIEN 1.2 Nhiên liệu sử dụng trong SC-SOFC Việc chọn lựa nhiên liệu sử dụng trong SC-SOFC cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất pin.

Để lựa chọn nhiên liệu, người ta thường căn cứ vào mục đích ứng dụng (thiết bị cố định hay di động), nhiệt độ hoạt động, tính sẵn có, giá thành, chất xúc tác sử dụng. Hydrogen là nhiên liệu được sử dụng chính cho các SOFC trong những ngày đầu. Tuy nhiên, hydrogen có nhược điểm khó chứa, khó nén và đặc biệt dễ nỗ hơn các hợp chất nhiên liệu khác. Vì thế hiện nay có xu hướng sử dụng các hợp chất ổn định khác ví dụ như cacbon monoxide, hydrocacbon (methane, ethane, propane…) hoặc các alcohol (methanol, ethanol…) [10, 11].

Gần đây, nhiên liệu methane nhận được nhiều sự quan tâm đặc biệt [12-19]. Methane là loại hydrocacbon đơn giản và là thành phần chính trong khí đốt tự nhiên. Methane có độ ổn định cao so với các hydrocacbon cao hơn. Trong báo cáo của Shao và đồng nghiệp, 2006, hỗn hợp composit Ba0.

Tại nhiệt độ lò là 650oC (nhiệt độ pin là 790oC), mật độ công suất tối đa đạt được là 760 mW.cm−2 bằng cách sử dụng hỗn hợp khí methane, oxygen và helium với tốc độ dòng khí lần lượt là 87, 80, 320 mL. Đây là kết quả cao nhất trong lịch sử SC-SOFC tính tới thời điểm đó cho thấy hoạt tính khử oxygen cao và hoạt tính oxy hóa nhiên liệu thấp của BSCF. Sản lượng điện của SC-SOFC bị giới hạn ở nhiệt độ thấp do khả năng oxy hóa nhiên liệu thấp của anode và bị giới hạn ở nhiệt độ cao do tăng khả năng dẫn electron của electrolyte.3 Vật liệu ceramic ứng dụng làm cathode của SC-SOFC Các SOFC điển hình, bao gồm cả đơn buồng và hai buồng, thường hoạt động ở nhiệt độ khoảng 1000oC. Hoạt động ở nhiệt độ cao giúp cải thiện động học cho các phản ứng xảy ra trên các điện cực, đòng thời làm giảm sự sụt thế thuần trở.