Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học nghiên cứu chế tạo composite carbon nanotubespolyaniline ứng dụng làm điện cực cho siêu tụ điện dẻo

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo composite carbon nanotubes-polyaniline ứng dụng làm điện cực cho siêu tụ điện dẻo, mang lại hiệu suất cao.

• Tác giả: Trần Phước Toan
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Hữu Quyết
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo composite carbon nanotubes-polyaniline cho điện cực siêu tụ điện dẻo
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• GIỚI THIỆU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu siêu tụ điện
• 1.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển
• 1.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
• 1.2. Tổng quan về màng điện giải dẻo
• 1.2.1. Tính chất vật lý
• 1.2.2. Tính chất hóa học của PVA
• 1.3. Tổng quan về vật liệu chế tạo điện cực composite CNTs/PANi
• 1.3.1. Tổng quan về PANi
• 1.3.2. Các nghiên cứu về composite CNTs/PANi dùng trong siêu tụ điện
• 1.4. Phương pháp xác định cấu trúc, tính chất của vật liệu
• 1.4.1. Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng (TGA)
• 1.4.2. Phương pháp quét thế tuần hoàn Von-Ampe
• 1.4.3. Phương pháp đo SEM
• 1.4.4. Phương pháp phổ hấp thụ phân tử UV-Vis
• 1.4.5. Phương pháp phân tích phổ hồng ngoại FT-IR
• 1.4.6. Phương pháp đo độ dẫn điện thông qua thiết bị đo điện trở mặt
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Quá trình chế tạo chất điện giải
• 2.2. Quá trình chế tạo điện cực composite CNTs/PANi
• 2.2.1. Chế tạo giấy bucky
• 2.2.2. Tổng hợp composite CNTs/PANi
• 2.3. Chế tạo prototype siêu tụ đơn
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ & BIỆN LUẬN
• 3.1. Kết quả chế tạo chất điện giải dẻo PVA:LiCl
• 3.1.1. Khảo sát độ nhớt trong dung dịch PVA:LiCl
• 3.1.2. Khảo sát nhiệt chuyển trọng lượng dung dịch PVA:LiCl
• 3.2. Kết quả chế tạo giấy bucky
• 3.3. Kết quả nghiên cứu điện cực composite CNTs/PANi và các yếu tố ảnh hưởng lên tính chất của điện cực
• 3.3.1. Kết quả nghiên cứu PANi bằng phổ UV-vis
• 3.3.2. Kết quả nghiên cứu polymer PANi bằng phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)
• 3.3.3. Kết quả nghiên cứu PANi bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 3.3.4. Đặc trưng quét thế vòng (C-V) của composite CNTs/PANi
• 3.3.5. Hình thái bề mặt sợi CNTs trong composite CNTs/PANi
• 3.3.6. Ảnh hưởng tốc độ quét trong quá trình PANi bao phủ sợi CNTs
• 3.3.7. Ảnh hưởng thời gian thấm ướt giấy bucky trong dung dịch aniline
• 3.3.8. Ảnh hưởng của nồng độ aniline lên quá trình hình thành polyaniline trên bề mặt CNTs
• 3.3.9. Kết quả tính toán điện dung các mẫu composite CNTs/PANi
• 3.4. Kết quả đo đạc các thông số của prototype siêu tụ
• 3.5. Kết quả đạt được
• 3.6. Hướng phát triển của đề tài
• DANH MỤC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu chế tạo composite carbon nanotubes polyaniline

Nghiên cứu chế tạo composite carbon nanotubes và polyaniline (PANi) đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ vật liệu. Các vật liệu này không chỉ có tính dẫn điện tốt mà còn có khả năng ứng dụng cao trong các thiết bị lưu trữ năng lượng như siêu tụ điện dẻo. Việc kết hợp giữa carbon nanotubes và polyaniline tạo ra một loại vật liệu mới với nhiều ưu điểm vượt trội, bao gồm độ bền, tính linh hoạt và khả năng lưu trữ năng lượng cao. Nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của supercapacitor electrodes mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong lĩnh vực điện tử và năng lượng.

1.1. Ứng dụng của composite carbon nanotubes polyaniline trong điện cực

Composite CNTs/PANi được sử dụng rộng rãi trong việc chế tạo điện cực siêu tụ điện nhờ vào khả năng dẫn điện tốt và tính chất hóa học ổn định. Việc sử dụng polyaniline làm chất dẫn điện giúp tăng cường khả năng lưu trữ năng lượng của supercapacitors. Nghiên cứu cho thấy rằng điện cực composite này có thể đạt được điện dung cao, góp phần nâng cao hiệu suất của thiết bị lưu trữ năng lượng.

1.2. Tính chất vật lý và hóa học của composite CNTs PANi

Tính chất vật lý và hóa học của composite carbon nanotubes-polyaniline rất quan trọng trong việc xác định hiệu suất của siêu tụ điện dẻo. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự kết hợp giữa CNTs và PANi tạo ra một cấu trúc xốp, giúp tăng cường diện tích bề mặt và khả năng hấp thụ ion, từ đó nâng cao hiệu suất điện hóa của điện cực.

II. Thách thức trong nghiên cứu chế tạo điện cực siêu tụ điện dẻo

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc chế tạo điện cực siêu tụ điện dẻo từ composite carbon nanotubes và polyaniline vẫn gặp phải nhiều thách thức. Một trong những vấn đề chính là việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp để đạt được các tính chất mong muốn. Các yếu tố như nồng độ polyaniline, thời gian thấm ướt và điều kiện tổng hợp đều ảnh hưởng đến hiệu suất của điện cực. Ngoài ra, việc đảm bảo tính ổn định và độ bền của điện cực trong quá trình sử dụng cũng là một thách thức lớn.

2.1. Vấn đề về độ bền và ổn định của điện cực

Độ bền và ổn định của điện cực composite là một yếu tố quan trọng quyết định tuổi thọ của siêu tụ điện dẻo. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng sự phân hủy của polyaniline trong môi trường ẩm có thể làm giảm hiệu suất của điện cực. Do đó, việc phát triển các phương pháp bảo vệ và cải thiện độ bền của điện cực là cần thiết.

2.2. Khó khăn trong quy trình tổng hợp vật liệu

Quy trình tổng hợp composite CNTs/PANi thường phức tạp và yêu cầu điều kiện chính xác để đạt được các tính chất tối ưu. Việc kiểm soát nồng độ aniline và thời gian thấm ướt là rất quan trọng để đảm bảo sự phân bố đồng đều của polyaniline trên bề mặt carbon nanotubes.

III. Phương pháp chế tạo composite carbon nanotubes polyaniline hiệu quả

Để chế tạo composite carbon nanotubes-polyaniline, nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu và áp dụng. Một trong những phương pháp phổ biến là điện hóa để tổng hợp polyaniline trên bề mặt carbon nanotubes. Phương pháp này không chỉ giúp tăng cường khả năng dẫn điện mà còn cải thiện tính chất cơ học của điện cực. Việc tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp như nồng độ dung dịch, thời gian và nhiệt độ là rất quan trọng để đạt được hiệu suất cao nhất.

3.1. Phương pháp điện hóa trong tổng hợp PANi

Phương pháp điện hóa cho phép tổng hợp polyaniline trực tiếp trên bề mặt carbon nanotubes thông qua quá trình điện hóa. Điều này giúp tạo ra một lớp PANi đồng nhất, tăng cường khả năng dẫn điện và cải thiện hiệu suất của supercapacitor electrodes.

3.2. Tối ưu hóa điều kiện tổng hợp cho hiệu suất cao

Việc tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp như nồng độ aniline, thời gian thấm ướt và nhiệt độ là rất quan trọng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh các yếu tố này có thể giúp cải thiện đáng kể điện dung và hiệu suất của điện cực composite.

IV. Ứng dụng thực tiễn của composite carbon nanotubes polyaniline

Composite carbon nanotubes-polyaniline có nhiều ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng. Các siêu tụ điện dẻo được chế tạo từ vật liệu này không chỉ có khả năng lưu trữ năng lượng cao mà còn có tính linh hoạt, nhẹ và dễ dàng tích hợp vào các thiết bị điện tử. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển các sản phẩm mới trong lĩnh vực công nghệ năng lượng và điện tử.

4.1. Ứng dụng trong thiết bị lưu trữ năng lượng

Các siêu tụ điện dẻo sử dụng composite CNTs/PANi có khả năng lưu trữ năng lượng cao, giúp cải thiện hiệu suất của các thiết bị điện tử. Việc sử dụng vật liệu này trong các thiết bị như điện thoại thông minh, máy tính bảng và các thiết bị di động khác đang trở thành xu hướng mới.

4.2. Tiềm năng trong lĩnh vực điện tử

Với tính linh hoạt và khả năng dẫn điện tốt, composite carbon nanotubes-polyaniline có tiềm năng lớn trong việc phát triển các linh kiện điện tử mới. Các ứng dụng trong cảm biến, mạch điện và các thiết bị thông minh đang được nghiên cứu và phát triển.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu composite CNTs PANi

Nghiên cứu chế tạo composite carbon nanotubes-polyaniline đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng và điện tử. Mặc dù còn nhiều thách thức cần vượt qua, nhưng tiềm năng ứng dụng của vật liệu này là rất lớn. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và cải thiện tính chất của điện cực composite để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

5.1. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc phát triển các phương pháp tổng hợp mới và cải thiện tính chất của composite CNTs/PANi. Việc nghiên cứu các vật liệu mới và cải tiến quy trình sản xuất sẽ giúp nâng cao hiệu suất và độ bền của siêu tụ điện dẻo.

5.2. Tác động đến ngành công nghiệp năng lượng

Sự phát triển của composite carbon nanotubes-polyaniline có thể tạo ra những thay đổi lớn trong ngành công nghiệp năng lượng. Việc ứng dụng các vật liệu này trong các thiết bị lưu trữ năng lượng sẽ giúp cải thiện hiệu suất và giảm chi phí sản xuất, từ đó thúc đẩy sự phát triển bền vững trong lĩnh vực năng lượng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thị trường thiết bị lưu trữ năng lượng toàn cầu đang chứng kiến sự tăng trưởng vượt bậc, với dự báo quy mô thị trường siêu tụ điện đạt hơn 3 tỷ USD vào năm 2018 và vượt mốc 11 tỷ USD trong giai đoạn 2013-2023 dưới sự tham gia của hơn 30 nhà sản xuất thương mại. Trong bối cảnh công nghệ thiết bị điện tử đeo tay, cảm biến y sinh và xe điện phát triển nhanh chóng, các nguồn tích trữ năng lượng truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế về trọng lượng, độ cứng và nguy cơ mất an toàn do rò rỉ dung môi hữu cơ dễ cháy nổ. Nhu cầu cấp thiết đặt ra là phải phát triển các dòng siêu tụ điện dẻo có mật độ công suất cao, độ bền uốn gấp linh hoạt và an toàn sinh thái.

Đề tài tập trung giải quyết vấn đề cốt lõi: nghiên cứu quy trình chế tạo màng điện giải dẻo Polyvinyl alcohol kết hợp muối Lithium Chloride (PVA:LiCl) và điện cực composite hai thành phần ống than nano kết hợp polyaniline (CNTs/PANi) trên nền giấy bucky không sử dụng chất kết dính. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ Nano thuộc Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Khu Công nghệ cao Thành phố Hồ Chí Minh phối hợp cùng Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh từ tháng 07/2017 đến tháng 12/2017.

Công trình mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi kết hợp đồng thời cơ chế tích trữ điện dung lớp kép và giả điện dung, tạo ra vật liệu điện cực composite đạt điện dung riêng ấn tượng 399,2 F/g cùng mật độ điện dung diện tích 54 F/cm2. Đây là bước tiến quan trọng mở đường cho việc làm chủ công nghệ chế tạo linh kiện siêu tụ điện dẻo toàn chất rắn tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng hai lý thuyết cơ chế lưu trữ năng lượng điện hóa:

Thứ nhất, lý thuyết điện dung lớp kép (Electrical Double-Layer Capacitance - EDLC) dựa trên mô hình cải tiến của Helmholtz, Gouy-Chapman và Stern. Cơ chế này giải thích hiện tượng tích tụ điện tích tĩnh điện không kèm phản ứng hóa học tại bề mặt tiếp xúc phân cách giữa mạng lưới ống than nano carbon (CNTs) có diện tích bề mặt riêng đạt 233 m2/g và dung dịch điện giải.

Thứ hai, lý thuyết giả điện dung (Pseudocapacitance) theo nguyên lý của Conway và Marcus. Quá trình lưu trữ năng lượng xảy ra thông qua chuỗi phản ứng oxy hóa - khử thuận nghịch chuyển dịch điện tích cực nhanh trên bề mặt polymer dẫn polyaniline (PANi).

Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng sâu các khái niệm cấu trúc vùng năng lượng, mô hình dẫn điện polaron và bipolaron trong mạch liên hợp pi của polyaniline dạng muối Emeraldine Salt (độ dẫn điện đạt khoảng 15 S/cm), cùng lý thuyết biến tính màng gel polymer dẻo PVA với khối lượng phân tử 130.000 g/mol và độ thủy phân 99%.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu khảo sát cỡ mẫu gồm 3 công thức màng điện giải dẻo PVA:LiCl (mẫu M1 với tỷ lệ khối lượng 1:7:2, mẫu M2 tỷ lệ 1:7:1 và mẫu M3 tỷ lệ 2:7:1) kết hợp cùng 12 lô mẫu thực nghiệm điện cực composite tổng hợp dưới các điều kiện biến thiên về tốc độ quét thế (từ 5 mV/s đến 50 mV/s), nồng độ monome aniline (từ 0,05 M đến 0,5 M) và thời gian ngâm tẩm (từ 5 phút đến 30 phút). Phương pháp chọn mẫu thực nghiệm phân tầng đối chứng có kiểm soát được áp dụng nhằm đánh giá độc lập từng biến số ảnh hưởng.

Dữ liệu phân tích cấu trúc và tính chất vật liệu được thu thập từ các hệ thiết bị chuyên dụng:

• Phân tích nhiệt trọng lượng TGA (thiết bị Q200) từ 30 độ C đến 600 độ C để xác định độ bền nhiệt và hàm lượng nước liên kết.
• Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM (Hitachi S-4800) để đánh giá hình thái bề mặt xốp 3D.
• Phổ hấp thụ phân tử UV-Vis (Jasco V-670 trong dải bước sóng 200-800 nm) và phổ hồng ngoại biến đổi Fourier FT-IR (Bruker Tensor 27 trong dải số sóng 400-4000 cm-1) để xác nhận liên kết hóa học và trạng thái oxy hóa của PANi.
• Đo độ dẫn điện thông qua thiết bị 4 mũi dò (Jandel MWP-6 với hệ số hình học C = 4,532).
• Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn Cyclic Voltammetry (C-V trên hệ BASi Epsilon) để tính toán điện dung riêng và đánh giá tính thuận nghịch điện hóa.

Lý do lựa chọn phương pháp tổng hợp điện hóa quét thế vòng trực tiếp là khả năng tạo màng PANi bám dính đồng đều trên từng sợi CNTs ở cấp độ nanomet, loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng chất kết dính cách điện (binder-free), giúp bảo toàn độ dẫn điện cao và rút ngắn đường khuếch tán ion.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm đã mang lại 4 phát hiện quan trọng có giá trị khoa học cao:

Thứ nhất, điện cực composite CNTs/PANi đạt giá trị điện dung riêng tối ưu lên tới 399,2 F/g và mật độ điện dung diện tích đạt 54 F/cm2. Giá trị này cao vượt bậc, tăng trưởng hơn 247% so với mức 115 F/g từng được công bố trong các nghiên cứu quốc tế của tác giả Gupta và Miura trên cùng hệ vật liệu.

Thứ hai, màng điện giải dẻo gel PVA:LiCl ở tỷ lệ khối lượng 2:7:1 (mẫu M3) thể hiện độ đồng nhất quang học cao sau quá trình ủ nhiệt tại 80 độ C trong 2 giờ và khuấy trộn cơ học 1000 vòng/phút. Phân tích nhiệt TGA cho thấy màng gel duy trì độ bền nhiệt ổn định vượt mức 160 độ C trước khi xảy ra quá trình thất thoát nước cấu trúc.

Thứ ba, giấy bucky điều chế từ sợi đa vách MWCNTs (đường kính ngoài 10-15 nm, tỷ trọng 2,1 g/cm3) sở hữu cấu trúc mạng xốp siêu nhẹ khoảng 21,5 g/m2 và độ dẫn điện vượt mức 100 S/cm, đóng vai trò hoàn hảo như một khung dẫn điện tự do.

Thứ tư, điều kiện điện hóa tác động quyết định đến vi cấu trúc lớp phủ: tốc độ quét 10-20 mV/s kết hợp thời gian ngâm 15 phút tạo ra lớp màng PANi-ES dạng ống phủ đều đặn quanh sợi CNTs, ngăn ngừa hiện tượng vón cục làm bít tắc các mao quản nano.

Thảo luận kết quả

Hiệu năng vượt trội của điện cực composite bắt nguồn từ hiệu ứng cộng hưởng cấu trúc: mạng lưới sợi CNTs đan xen 3D cung cấp đường cao tốc truyền dẫn điện tử và kênh khuếch tán ion thông thoáng, trong khi lớp PANi dạng Emeraldine Salt phủ ngoài đóng góp dung lượng giả điện dung dồi dào qua các bước chuyển điện tử nhanh giữa vòng benzoid và quinoid. Kết quả điện dung riêng 399,2 F/g vượt xa các công trình tiền nhiệm như nghiên cứu của Pandi Gajendran (200 F/g) hay nghiên cứu của tác giả Sha Zeng (680 mF/cm2 trên hệ màng H3PO4).

Dữ liệu thực nghiệm điện hóa được biểu diễn trực quan qua đồ thị đường cong C-V dạng hình hộp nở rộng đối xứng, phản ánh sự tích hợp hoàn hảo giữa đường tích điện phẳng EDLC và các cặp đỉnh oxy hóa - khử thuận nghịch của PANi tại khoảng thế làm việc từ 0V đến 0,8V. Phổ TGA được trình bày dạng đồ thị suy giảm khối lượng theo nhiệt độ, minh chứng màng gel giữ nước tốt hơn hẳn so với dung dịch lỏng thông thường.

Khi tiến hành lắp ráp prototype tế bào siêu tụ đơn và ghép nối song song từ 2 đến 3 đơn tụ đã sạc đầy ở điện áp 3V, hệ thống thể hiện tốc độ tự xả chậm sau 100 giây và duy trì khả năng thắp sáng liên tục đèn LED thương mại ngay cả khi bị uốn cong cơ học nhiều lần.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm phát triển hoàn thiện công nghệ và thúc đẩy ứng dụng thương mại hóa thiết bị siêu tụ điện dẻo, 4 khuyến nghị chiến lược được đề xuất:

Thứ nhất, nâng cấp cấu trúc vật liệu điện cực thông qua việc pha tạp thêm graphene hoặc các hạt nano oxit kim loại chuyển tiếp vào mạng buckypaper, hướng đến mục tiêu nâng cao mật độ điện dung riêng đạt mốc trên 550 F/g trong lộ trình nghiên cứu 12 tháng tới do các nhóm chuyên gia vật liệu tiên tiến đảm nhận.

Thứ tư, chuẩn hóa quy trình công nghệ ép màng gel polymer PVA:LiCl bằng hệ thống hút chân không gia nhiệt tự động, nhằm mục tiêu giảm điện trở nội tiếp xúc của linh kiện xuống dưới 1,5 Ohm trong vòng 6 tháng thực hiện bởi các kỹ sư chế tạo linh kiện.

Thứ ba, thiết kế và chế tạo các module xếp chồng (stacking cells) đa lớp gồm 5 đến 10 tế bào đơn tụ mắc nối tiếp và song song, nhằm nâng điện áp làm việc ổn định lên trên 5V và đạt mật độ năng lượng trên 10 Wh/kg trong khung thời gian 18 tháng do các trung tâm R&D thiết bị điện tử thực hiện.

Thứ tư, triển khai quy chuẩn thử nghiệm độ bền mỏi uốn cong và chu kỳ nạp - xả dài hạn đạt tối thiểu 10.000 chu kỳ với độ duy trì dung lượng trên 85% trong thời hạn 9 tháng, có sự tham gia phối hợp của các phòng thí nghiệm đo lường tiêu chuẩn quốc gia.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình luận văn cung cấp nguồn tư liệu học thuật và thực tiễn giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Học viên cao học, nghiên cứu sinh và nhà khoa học chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Khoa học Vật liệu: Khai thác quy trình tổng hợp điện hóa in-situ màng polymer dẫn trên nền nano carbon và phương pháp luận phân tích điện hóa C-V, TGA, FT-IR chuyên sâu.
2. Kỹ sư R&D thiết bị điện tử thông minh và công nghệ đeo (wearable tech): Ứng dụng mô hình siêu tụ điện dẻo, nhẹ và mỏng để tích hợp nguồn điện uốn cong cho đồng hồ thông minh, kính thực tế ảo và thiết bị y tế dán trên da.
3. Doanh nghiệp sản xuất linh kiện lưu trữ năng lượng và xe điện: Tham khảo giải pháp màng điện giải dẻo an toàn gốc nước PVA:LiCl nhằm thay thế dung môi hữu cơ độc hại, hướng tới sản xuất pin và siêu tụ xanh, thân thiện môi trường.
4. Giảng viên các trường đại học khối kỹ thuật: Sử dụng toàn bộ cấu trúc luận văn, số liệu đo đạc thực nghiệm và hình thái học SEM làm tài liệu tham khảo giảng dạy trong các học phần Vật liệu Nano, Điện hóa Ứng dụng và Năng lượng Tái tạo.

Câu hỏi thường gặp

Nguyên nhân nào giúp composite CNTs/PANi đạt điện dung riêng lên tới 399,2 F/g? Sự kết hợp hoàn hảo giữa diện tích bề mặt lớn 233 m2/g của mạng buckypaper tạo điện dung lớp kép và phản ứng oxy hóa khử nhanh của polyaniline dạng muối Emeraldine Salt tạo giả điện dung. Cấu trúc xốp 3D giúp ion Li+ tiếp cận tối đa các vị trí hoạt tính, tăng dung lượng hơn 3 lần so với màng CNTs thuần túy.

Màng điện giải gel dẻo PVA:LiCl có ưu thế gì vượt trội so với chất điện giải lỏng? Màng gel PVA:LiCl tỷ lệ 2:7:1 triệt tiêu hoàn toàn nguy cơ rò rỉ hóa chất, chống cháy nổ và chịu nhiệt tốt đến hơn 160 độ C. Môi trường nước khử ion an toàn sinh thái, kết hợp tính uốn dẻo cơ học giúp thiết bị duy trì hoạt động ổn định khi bị uốn gập liên tục.

Giấy bucky đóng vai trò gì trong cấu trúc của siêu tụ điện dẻo? Giấy bucky đóng vai trò kép: vừa là khung xương nâng đỡ xốp nhẹ có mật độ diện tích 21,5 g/m2, vừa là điện cực thu dẫn dòng điện trực tiếp với độ dẫn trên 100 S/cm. Cấu trúc này loại bỏ hoàn toàn chất kết dính cách điện, giảm thiểu đáng kể điện trở tiếp xúc nội màng.

Tại sao phương pháp quét thế vòng CV lại tối ưu hơn phương pháp hóa học khi tổng hợp PANi? Kỹ thuật quét thế vòng cho phép polyaniline polymer hóa trực tiếp lên bề mặt từng sợi nano carbon ở nhiệt độ phòng. Việc kiểm soát tốc độ quét từ 5 mV/s đến 50 mV/s giúp điều chỉnh độ dày màng ở cấp độ phân tử, đảm bảo màng polymer không bị đóng mảng che lấp các mao quản nano.

Khả năng thương mại hóa thực tế của prototype siêu tụ điện dẻo này như thế nào? Thực nghiệm ghép song song 2 đến 3 đơn tụ nạp điện áp 3V đã cấp nguồn ổn định và thắp sáng đèn LED thương mại trong thời gian dài. Kết quả minh chứng độ khả thi cao trong việc chế tạo nguồn cấp điện phụ trợ cho nhãn RFID, cảm biến IoT và thiết bị theo dõi sức khỏe dẻo.

Kết luận

• Công trình đã chế tạo thành công điện cực composite không chất kết dính CNTs/PANi đạt điện dung riêng 399,2 F/g và điện dung diện tích 54 F/cm2.
• Tổng hợp thành công màng điện giải gel polymer dẻo PVA:LiCl tỷ lệ 2:7:1 có độ bền nhiệt trên 160 độ C, độ dẫn ion cao và an toàn tuyệt đối.
• Làm sáng tỏ cơ chế tương tác bổ trợ giữa điện dung lớp kép của ống than nano và giả điện dung từ chuỗi polymer polyaniline.
• Chế tạo và thử nghiệm thành công prototype siêu tụ điện dẻo hoàn chỉnh, có khả năng tích trữ năng lượng và thắp sáng đèn LED ở điện áp 3V.
• Đặt nền móng kỹ thuật vững chắc cho việc phát triển các dòng linh kiện tích trữ năng lượng toàn chất dẻo hiệu năng cao tại Việt Nam.

Đóng góp khoa học lớn nhất của luận văn là hoàn thiện quy trình công nghệ tích hợp vật liệu nano carbon và polymer dẫn ứng dụng trong công nghệ siêu tụ dẻo. Định hướng tiếp theo trong giai đoạn 2018-2020 là mở rộng quy mô module xếp chồng và tích hợp vào hệ thống điện tử thực tế. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm có thể kết nối với nhóm tác giả tại Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Khu Công nghệ cao Thành phố Hồ Chí Minh để triển khai hợp tác và chuyển giao công nghệ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  TRẦN PHƢỚC TOAN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO COMPOSITE CARBON NANOTUBES/POLYANILINE ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC CHO SIÊU TỤ ĐIỆN DẺO Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC Mã số chuyên ngành: 60520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 10, năm 2017 HV: Trần Phước Toan GVHD: TS. Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : TS. Đỗ Hữu Quyết TS.

Nguyễn Trƣờng Sơn Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS Nguyễn Đình Thành Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS Hồ Thị Thanh Vân Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 27 tháng 01 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1.TS Ngô Mạnh Thắng 2.TS Nguyễn Đình Thành 3.TS Hồ Thị Thanh Vân 4. Lê Minh Viễn 5. Nguyễn Văn Dũng Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA….……… Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học i HV: Trần Phước Toan GVHD: TS. Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Trần Phƣớc Toan MSHV: 7140802 Ngày, tháng, năm sinh: 11/04/1990 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số : 60520301 I. TÊN ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu chế tạo composite carbon nanotubes/polyaniline ứng dụng làm điện cực cho siêu tụ điện dẻo” II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: − Nhiệm vụ: nghiên cứu, khảo sát quy trình chế tạo chất điện giải PVA và điện cực composite hai thành phần CNTs/PANi nhằm tạo ra điện cực hƣớng đến ứng dụng chế tạo siêu tụ điện dẻo.

− Nội dung đề tài bao gồm:  Chƣơng 1: Tổng quan về các loại vật liệu chế tạo điện cực và màng điện giải, các phƣơng pháp tổng hợp, khảo sát tính chất vật liệu.  Chƣơng 2: Thực nghiệm bao gồm quy trình chế tạo vật liệu và cách lắp ghép prototype siệu tụ.  Chƣơng 3: Nhận xét, bàn luận các kết quả trong đề tài  Chƣơng 4: Tổng hợp các kết quả về chế tạo điện cực composite CNTs/PANi và định hƣớng hoàn thiện việc chế tạo stack siêu tụ điện. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10/07/2017 IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/12/2017 V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):  Hƣớng dẫn chính : TS. Đỗ Hữu Quyết  Đồng hƣớng dẫn : TS. Nguyễn Trƣờng Sơn Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học ii HV: Trần Phước Toan GVHD: TS.

Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn Tp. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TRƢỞNG KHOA….……… (Họ tên và chữ ký) Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học iii HV: Trần Phước Toan GVHD: TS. Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ tài chính từ Bộ Khoa học và Công nghệ Việt Nam cho đề tài “Nghiên cứu công nghệ chế tạo màng mỏng truyền nhiệt trên nền nano carbon ứng dụng cho các thiết bị điện và điện tử” với mã số đề tài ĐM.NC/16 và số hợp đồng 01/2016/HĐ-CTĐMCN Luận văn thạc sĩ này đƣợc thực hiện tại Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano thuộc Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Khu Công Nghệ Cao Thành Phố Hồ Chí Minh, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Đỗ Hữu Quyết đã tận tình hƣớng dẫn, chỉ bảo giúp đỡ và động viên em trong suốt quá trình triển khai, thực hiện và hoàn thành đề tài này.

Em cũng gửi lời cảm ơn tới các anh chị, cán bộ tại trung tâm đã hết lòng giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Xin trân trọng cảm ơn sự quan tâm sâu sắc của thầy Nguyễn Trƣờng Sơn và các thầy cô tại Khoa Kỹ thuật hóa học, Đại học Bách Khoa, ĐHQG-TPHCM đã dạy bảo, truyền đạt kiến thức khoa học, giúp đỡ và ủng hộ em trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận án. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, các anh chị học viên cao học Kỹ thuật hóa học K2014 đã nhiệt tình đóng góp ý kiến, giúp đỡ, chia sẻ, quan tâm em. Em rất mong đƣợc sự phản hồi, đóng góp của các nhà chuyên môn, các thầy cô, anh chị để nội dung luận văn này ngày càng càng hoàn chỉnh và có tác dụng thiết thực.

Trân trọng cảm ơn! TP Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2017 Trần Phƣớc Toan Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học iv HV: Trần Phước Toan GVHD: TS. Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO COMPOSITE CARBON NANOTUBES/POLYANILINE ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC CHO SIÊU TỤ ĐIỆN DẺO TRẦN PHƢỚC TOAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 60520301 Tóm tắt: Siêu tụ điện dẻo là thiết bị lƣu trữ năng lƣợng mới với các ƣu điểm là độ ổn định và tính bền với mật độ năng lƣợng cao (điện năng/đơn vị khối lƣợng), nhẹ, dễ uốn cong và an toàn trong quá trình sử dụng cũng nhƣ bảo quản do có lớp màng điện điện giải dẻo và điện cực dạng mềm dẻo, đây là thiết bị mới có rất nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học và đời sống. Màng điện giải dẻo PVA:LiCl tổng hợp bằng phƣơng pháp khuấy trộn đƣợc khảo sát các tính chất vật lý bằng phƣơng pháp đo độ nhớt, phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng lƣợng. Điện cực composite hai thành phần CNTs/PANi đƣợc tổng hợp trên nền giấy bucky bằng phƣơng pháp quét thế vòng C-V ở điều kiện nhiệt độ phòng.

Các tính chất về hình thái cấu trúc, tính chất quang học, điện hóa của vật liệu đƣợc khảo sát bằng phƣơng pháp UV-Vis, FT- IR, SEM, C-V cho thấy điện cực có cấu trúc xốp, PANi bám đều lên sợi CNTs, điện dung riêng của composite khá cao (399.2 F/g Các vật liệu này hứa hẹn nhiều tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị dự trữ năng lƣợng nói chung và vật liệu siêu tụ dẻo nói riêng. Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học v HV: Trần Phước Toan GVHD: TS. Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn HIGH PERFORMANCE SUPERCAPACITOR ELECTRODE BASED ON BUCKYPAPER/POLYANILINE COMPOSITE Abstract Polyaniline was coated on carbon nanotube within its nanoporous sheet (buckypaper) by in situ electrochemical polymerization. Fourier transform infrared and ultraviolet–visible spectroscopy were used to analyze the change in chemical structure of the polymer.

Microstructure of the composites under different synthesis condition was investigated. In addition, the electrochemical performance of the composites as binder-free supercapacitor electrodes was characterized and optimized. The chemical structure and morphology of the polyaniline and resulting composites were studied. This work shows a strong effect of aniline concentration and buckypaper soaking time on the synthesis of polyaniline.

Outstanding composite areal and gravimetric capacitances of 54 F/cm2 and 399.g-1, respectively could be achieved at high weight loading of PANI. This is due to the fact that the composites consisting of carbon materials and electro-active species with highly specific surface area, significantly enhance the energy density of supercapacitors, and such supercapacitors exhibit both double-layer and pseudocapacitance. Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học vi HV: Trần Phước Toan GVHD: TS. Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tôi và đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn trực tiếp của TS.

Đỗ Hữu Quyết – Trung tâm R&D Khu CNC và đồng hƣớng dẫn TS. Nguyễn Trƣờng Sơn, Khoa Kỹ Thuật Hóa Học, Trƣờng Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh. Các số liệu, những kết quả nghiên cứu và kết luận trong luận văn này là hoàn toàn trung thực, chƣa từng đƣợc công bố trong bất cứ một công trình nào khác trƣớc đây. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

Học viên thực hiện đề tài Trần Phƣớc Toan Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học vii HV: Trần Phước Toan GVHD: TS. Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .iv LỜI CAM ĐOAN .vii MỤC LỤC. viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT. x DANH MỤC CÁC BẢNG .xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .xii GIỚI THIỆU.

1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN .1 Giới thiệu siêu tụ điện .1 Lịch sử hình thành và phát triển.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động .2 Tổng quan về màng điện giải dẻo.1 Tính chất vật lý .2 Tính chất hóa học của PVA.3 Tổng quan về vật liệu chế tạo điện cực composite CNTs/PANi .2 Tổng quan về PANi .3 Các nghiên cứu về composite CNTs/PANi dùng trong siêu tụ điện .4 Phƣơng pháp xác định cấu trúc, tính chất của vật liệu.1 Phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng lƣợng (TGA) .2 Phƣơng pháp quét thế tuần hoàn Von-Ampe .3 Phƣơng pháp đo SEM .4 Phƣơng pháp phổ hấp thụ phân tử UV-Vis.5 Phƣơng pháp phân tích phổ hồng ngoại FT-IR .6 Phƣơng pháp đo độ dẫn điện thông qua thiết bị đo điện trở mặt .29 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM .1 Quá trình chế tạo chất điện giải.2 Quá trình chế tạo điện cực composite CNTs/PANi .1 Chế tạo giấy bucky .2 Tổng hợp composite CNTs/PANi .3 Chế tạo prototype siêu tụ đơn .39 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ & BIỆN LUẬN. 42 Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học viii HV: Trần Phước Toan GVHD: TS. Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn 3.1 Kết quả chế tạo chất điện giải dẻo PVA:LiCl .1 Khảo sát độ nhớt trong dung dịch PVA:LiCl.2 Khảo sát nhiệt chuyển trọng lƣợng dung dịch PVA:LiCl .2 Kết quả chế tạo giấy bucky.3 Kết quả nghiên cứu điện cực composite CNTs/PANi và các yếu tố ảnh hƣởng lên tính chất của điện cực.1 Kết quả nghiên cứu PANi bằng phổ UV-vis .2 Kết quả nghiên cứu polymer PANi bằng phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) .3 Kết quả nghiên cứu PANi bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM).4 Đặc trƣng quét thế vòng (C-V) của composite CNTs/PANi .5 Hình thái bề mặt sợi CNTs trong composite CNTs/PANi .6 Ảnh hƣởng tốc độ quét trong quá trình PANi bao phủ sợi CNTs .7 Ảnh hƣởng thời gian thấm ƣớt giấy bucky trong dung dịch aniline .8 Ảnh hƣởng của nồng độ aniline lên quá trình hình thành polyaniline trên bề mặt CNTs .9 Kết quả tính toán điện dung các mẫu composite CNTs/PANi .4 Kết quả đo đạc các thông số của prototype siêu tụ .1 Kết quả đạt đƣợc .2 Hƣớng phát triển của đề tài.65 DANH MỤC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ. 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

71 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .