Luận án tiến sĩ về chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa từ sulfide và selenide nhằm sản xuất hydro

Luận án tiến sĩ kỹ thuật phân tích nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa trên cơ sở sulfide và selenide của kim loại chuyển, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm,

• Tác giả: Nguyễn Thị Chúc
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Đình Phong
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa trên cơ sở sulfide và selenide của kim loại chuyển tiếp định hướng ứng dụng điều chế hydro từ nước
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Vấn đề năng lượng toàn cầu và vai trò của nhiên liệu H2
• 1.2. Tổng quan vật liệu xúc tác sulfide và selenide đơn kim loại
• 1.3. Tổng quan vật liệu sulfide và selenide lưỡng kim loại chuyển tiếp
• 1.4. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG HỢP VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Tổng hợp vật liệu
• 2.2. Phương pháp phổ kế hủy Positron
• 2.3. Các phương pháp phân tích điện hóa
• 2.4. Tính toán phiếm hàm mật độ
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU EX-MOSE2 VÀ MOSE VÔ ĐỊNH HÌNH
• 3.1. Vật liệu ex-MoSe2 tinh thể với nhiều sai hỏng cấu trúc
• 3.2. Vật liệu vô định hình molybdenum selenide
• 3.3. Kết luận Chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: XÚC TÁC COBALT MOLYBDENUM SULFIDE
• 4.1. Đặc trưng cấu trúc của CoMoS
• 4.2. Hoạt tính xúc tác HER của CoMoS
• 4.3. Nghiên cứu độ bền của xúc tác CoMoS
• 4.4. Kết luận Chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu vật liệu xúc tác điện hóa từ sulfide và selenide

Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa từ sulfide và selenide đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong sản xuất hydro. Vật liệu này không chỉ giúp tăng cường hiệu suất trong quá trình điện phân nước mà còn góp phần vào việc phát triển công nghệ năng lượng tái tạo. Việc tìm hiểu về các loại vật liệu này sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp năng lượng.

1.1. Vật liệu sulfide và selenide Đặc điểm và ứng dụng

Vật liệu sulfide và selenide có tính chất điện hóa đặc biệt, giúp tăng cường khả năng xúc tác trong quá trình sản xuất hydro. Chúng có khả năng hấp thụ ánh sáng và chuyển đổi năng lượng hiệu quả, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng năng lượng.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu trong sản xuất hydro

Sản xuất hydro từ nước là một trong những giải pháp bền vững cho vấn đề năng lượng toàn cầu. Nghiên cứu về vật liệu xúc tác điện hóa từ sulfide và selenide không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm chi phí sản xuất, từ đó thúc đẩy việc áp dụng rộng rãi hơn.

II. Thách thức trong việc phát triển vật liệu xúc tác điện hóa

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc phát triển vật liệu xúc tác điện hóa từ sulfide và selenide vẫn gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ bền, hiệu suất và khả năng tái sử dụng của vật liệu cần được giải quyết để đảm bảo tính khả thi trong ứng dụng thực tế.

2.1. Độ bền và ổn định của vật liệu xúc tác

Độ bền của vật liệu xúc tác là một yếu tố quan trọng quyết định đến hiệu suất lâu dài trong quá trình sản xuất hydro. Các nghiên cứu hiện tại đang tìm cách cải thiện độ bền của sulfide và selenide thông qua các phương pháp chế tạo mới.

2.2. Hiệu suất xúc tác và các yếu tố ảnh hưởng

Hiệu suất xúc tác của vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cấu trúc, kích thước hạt và điều kiện môi trường. Việc tối ưu hóa các yếu tố này là cần thiết để đạt được hiệu suất cao nhất trong quá trình điện phân nước.

III. Phương pháp chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa hiệu quả

Để phát triển vật liệu xúc tác điện hóa từ sulfide và selenide, nhiều phương pháp chế tạo đã được nghiên cứu. Các phương pháp này không chỉ giúp tạo ra vật liệu với cấu trúc tối ưu mà còn nâng cao hiệu suất xúc tác trong quá trình sản xuất hydro.

3.1. Phương pháp dung môi nhiệt trong tổng hợp vật liệu

Phương pháp dung môi nhiệt là một trong những kỹ thuật hiệu quả nhất để tổng hợp vật liệu sulfide và selenide. Kỹ thuật này cho phép kiểm soát tốt các điều kiện phản ứng, từ đó tạo ra vật liệu với cấu trúc và tính chất mong muốn.

3.2. Kỹ thuật lắng đọng pha hơi hóa học CVD

Kỹ thuật lắng đọng pha hơi hóa học (CVD) cũng được sử dụng để chế tạo vật liệu xúc tác. Phương pháp này giúp tạo ra các lớp vật liệu mỏng với độ tinh khiết cao, góp phần nâng cao hiệu suất xúc tác trong quá trình sản xuất hydro.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về vật liệu xúc tác điện hóa từ sulfide và selenide đã cho thấy nhiều kết quả khả quan. Các vật liệu này không chỉ có hiệu suất cao trong quá trình sản xuất hydro mà còn có khả năng tái sử dụng tốt, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong thực tiễn.

4.1. Hiệu suất xúc tác của vật liệu sulfide và selenide

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng vật liệu sulfide và selenide có thể đạt được hiệu suất xúc tác cao trong quá trình điện phân nước. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của chúng trong việc sản xuất hydro bền vững.

4.2. Ứng dụng trong năng lượng tái tạo

Vật liệu xúc tác điện hóa từ sulfide và selenide có thể được ứng dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo, giúp giảm thiểu khí thải và bảo vệ môi trường. Việc phát triển các công nghệ này sẽ góp phần vào việc chuyển đổi sang nền kinh tế xanh.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa từ sulfide và selenide đang mở ra nhiều triển vọng cho ngành công nghiệp năng lượng. Với những tiến bộ trong công nghệ và nghiên cứu, khả năng ứng dụng của các vật liệu này trong sản xuất hydro sẽ ngày càng được nâng cao.

5.1. Tương lai của vật liệu xúc tác điện hóa

Tương lai của vật liệu xúc tác điện hóa từ sulfide và selenide hứa hẹn sẽ mang lại nhiều đột phá trong công nghệ sản xuất hydro. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc cải thiện độ bền và hiệu suất của vật liệu.

5.2. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Định hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp chế tạo mới và tối ưu hóa các điều kiện phản ứng để nâng cao hiệu suất xúc tác. Điều này sẽ giúp thúc đẩy việc áp dụng rộng rãi vật liệu trong sản xuất hydro.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ CHÚC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ SULFIDE VÀ SELENIDE CỦA KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG ĐIỀU CHẾ HYDRO TỪ NƯỚC LUẬN ÁN TIẾN SĨ: HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ Hà Nội – Năm 2022 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ CHÚC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ SULFIDE VÀ SELENIDE CỦA KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG ĐIỀU CHẾ HYDRO TỪ NƯỚC Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý Mã số: 9 44 01 19 LUẬN ÁN TIẾN SĨ: HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. Trần Đình Phong 2. Ứng Thị Diệu Thúy Hà Nội – Năm 2022 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan Luận án này do tôi viết, không sao chép. Luận án được thực hiện và hoàn thiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Đình Phong và PGS. Ứng Thị Diệu Thúy. Các số liệu và kết quả trong Luận án là trung thực. Các nội dung hợp tác, giúp đỡ trong nghiên cứu được trình bày cụ thể. Các thông tin tham khảo trong luận án được trích dẫn rõ nguồn gốc. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về Nội dung Luận án này! Tác giả luận án Nguyễn Thị Chúc LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] LỜI CẢM ƠN Để thực hiện luận án này, tôi xin bày tỏ lòng tri ân sâu sắc tới tập thể hướng dẫn là PGS. Trần Đình Phong và PGS. Ứng Thị Diệu Thúy. Các thầy, cô đã định hướng cho tôi trong tư duy khoa học, tận tình chỉ bảo, cảm thông chia sẻ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến PGS. Vũ Thị Thu Hà (Viện Hóa học) đã luôn động viên, hỗ trợ và tạo điều kiện giúp đỡ tôi. Tôi xin chân thành cảm ơn các cán bộ, nghiên cứu sinh, sinh viên tại Khoa Khoa học cơ bản và ứng dụng – Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà Nội (TS. Lê Văn Hoàng, TS. Lê Thị Lý, TS. Nguyễn Đức Anh, TS. Tô Hải Tùng, TS. Nguyễn Thị Quyên, NCS Nguyễn Ngọc Đức, NCS Trần Đức Tiến, NCS Dương Minh Tuấn, NCS Trần Bửu Đăng, CN Nguyễn Duy Thái, CN Trần Minh Quốc) – những người đã luôn giúp đỡ, khích lệ, động viên và chia sẻ giúp tôi vượt qua khó khăn. Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Trương Quang Đức (Đại học Tohoku, Nhật Bản và công ty Vinfast) và TS. Hyuksu Han (Đại học Konkuk, Hàn Quốc) đã giúp tôi thực hiện các phép đo XPS, HR-TEM, elemental mapping. Tôi xin cảm ơn nhóm nghiên cứu của PGS. Nguyễn Thanh Tùng (Viện Khoa học vật liệu) đã thực hiện giúp tôi phần tính toán DFT. Tôi xin gửi lời cảm ơn TS. Lưu Anh Tuyên (Trung tâm Công nghệ Hạt nhân- Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam), PGS. Nguyễn Quang Hưng (Đại học Duy Tân) đã thực hiện phân tích phổ phân hủy positron và chia sẻ học thuật về nội dung nghiên cứu này. Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Hóa học (Khoa Hóa học) và Học viện Khoa học và Công nghệ đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian thực hiện luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các cán bộ, giảng viên, lãnh đạo Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường và lãnh đạo Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã động viên, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi để tôi thực hiện tốt luận án. Cuối cùng tôi xin dành những tình cảm biết ơn sâu sắc nhất tới những người thân: bố, mẹ, anh chị em hai bên gia đình và đặc biệt là gia đình nhỏ của tôi: chồng LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] và các con. Những người đã quan tâm và chia sẻ những khó khăn, thông cảm, động viên, cho tôi nghị lực để hoàn thành luận án. Hà Nội, ngày 12 tháng 4 năm 2022 Tác giả Nguyễn Thị Chúc LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN . i DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT . iv DANH MỤC CÁC BẢNG. vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ . ix MỞ ĐẦU . Vấn đề năng lượng toàn cầu và vai trò của nhiên liệu H2 . Vấn đề năng lượng toàn cầu . Vai trò của nhiên liệu H2 . Động học của quá trình thoát khí H2 . Nguyên lý chung của các chất xúc tác điện hóa . Tác dụng của chất xúc tác . Các giai đoạn của quá trình thoát H2 trên xúc tác điện hóa . Nghiên cứu cơ chế của phản ứng thoát H2 trên xúc tác điện hóa . Các thông số đặc trưng cho xúc tác điện hóa . Tình hình nghiên cứu xúc tác HER trong nước và trên thế giới . Tình hình nghiên cứu trong nước . Tình hình nghiên cứu trên thế giới . Tổng quan vật liệu xúc tác sulfide và selenide đơn kim loại. Vật liệu tinh thể MoX2 (X = S, Se) . Vật liệu vô định hình MoX (X = S, Se) . Tổng quan vật liệu sulfide và selenide lưỡng kim loại chuyển tiếp . Vật liệu tinh thể sulfide và selenide lưỡng kim loại . Vật liệu vô định hình sulfide và selenide lưỡng kim loại . Kết luận chương 1 . Tổng hợp vật liệu . Hóa chất sử dụng . Chế tạo ex-MoSe2 tinh thể đơn lớp hoặc vài lớp . Tổng hợp MoSe vô định hình bằng phương pháp dung môi nhiệt . Tổng hợp CoMoS bằng phương pháp dung môi nhiệt. Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc của vật liệu .44 i LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Nghiên cứu vi hình thái, cấu trúc . Phương pháp phổ kế hủy Positron . Các phương pháp phân tích điện hóa . Phân tích điện hóa kết hợp ICP-MS . Phương pháp nghiên cứu khối lượng sử dụng vi cân thạch anh . Xử lý hóa học vật liệu bằng phương pháp đun hồi lưu . Tính toán phiếm hàm mật độ . Vật liệu ex-MoSe2 tinh thể với nhiều sai hỏng cấu trúc . Cấu trúc của vật liệu ex-MoSe2 . Hoạt tính HER của vật liệu ex-MoSe2 . Hoạt hóa ex-MoSe2 bằng phương pháp oxi hóa điện hóa . Kết luận về những kết quả đạt được với ex-MoSe2 . Đề xuất nội dung tiếp tục nghiên cứu về ex-MoSe2. Vật liệu vô định hình molybdenum selenide . Thành phần hóa học, cấu trúc của MoSe . Mô phỏng cấu trúc của MoSe . Đặc trưng điện hóa trong quá trình xúc tác tạo H2 của MoSe. Nghiên cứu cơ chế hoạt động của xúc tác . Kết luận về vật liệu xúc tác MoSe vô định hình . Kết luận Chương 3 . XÚC TÁC COBALT MOLYBDENUM SULFIDE . Đặc trưng cấu trúc của CoMoS. Thành phần hóa học . Vi hình thái và cấu trúc . Kết quả phân tích phổ kế hủy positron. Hoạt tính xúc tác HER của CoMoS . Thảo luận mối tương quan cấu trúc - hoạt tính xúc tác của CoMoS . Nghiên cứu độ bền của xúc tác CoMoS . Phân tích đặc trưng điện hóa (xác định đường E-t, j-t) . Phân tích quá trình hòa tan xúc tác tại thế mạch hở. Ảnh hưởng của thế điện áp. Ảnh hưởng của pH . Ảnh hưởng của thành phần hóa học của xúc tác . Kết luận về độ bền của xúc tác CoMoS . Một vài kết quả khác. Kết luận Chương 4 .127 ii LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .129 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .131 TÀI LIỆU THAM KHẢO.147 iii LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt ADF Annular dark- field Ảnh trường tối hình khuyên CA Chronoamperometry Áp thế không đổi CE Counter electrode Điện cực đối CoMoS Cobalt-molybdenum sulfide Coban molipđen sunfit CP Chronopotentiometry Áp dòng không đổi CV Cyclic voltammetry Quét thế vòng tuần hoàn CVD Chemical vapor deposition Lắng đọng pha hơi hóa học Doppler broadening DBS Phổ giãn nở Doppler spectroscopy DFT Density functional theory Phiếm hàm mật độ DI Deionized Water Nước khử ion DMF N, N-dimethylformamide Dung môi dimethylformamide Diện tích bề mặt hoạt động điện ECSA Electrochemical surface area hóa Electron momentum Phổ phân bố xung lượng của điện EMDS distribution spectroscopy tử Electrochemical quartz crystal Phân tích vi cân thạch anh - điện EQCM microbalance hóa Vật liệu MoSe2 kích thước nano ex – MoSe2 Exfoliated MoSe2 nanosheets sau bóc lớp FE Faradic efficiency Hiệu suất dòng Faradic FFT Fast Fourier Transform Biến đổi nhanh Fourier FTO Fluorine doped tin oxide Ôxít thiếc pha tạp flo GC Glassy carbon Điện cực carbon vô định hình Ảnh trường tối hình khuyên góc HAADF High-angle annular dark-field cao iv LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Phản ứng hydro hóa loại lưu HDS Hydrodesulfurization huỳnh HER Hydrogen evolution reaction Phản ứng giải phóng khí hydro High-resolution transmission Kính hiển vi điện tử truyền qua HR-TEM electron microscopy phân giải cao ITO Indium doped tin oxide Ôxít thiếc pha tạp Indi Inconductively coupled plasma Khối phổ - Cảm ứng cao tần ICP- MS – mass spectrometry plasma Inconductively coupled plasma Quang phổ phát xạ nguyên tử - ICP-AES – Atomic emission Cảm ứng cao tần plasma spectrometry KPi Phosphate buffer solution Dung dịch đệm phosphate LSV Linear sweep voltammetry Quét thế tuyến tính Vật liệu vô định hình molibden MoSe Molybdenum selenide selenit MoSe sử dụng tiền chất MoSe(a)-(d) Molybdenum selenide Mo(CO)6: Se lần lượt là 1:2, 1:3, 1:5, 1:6 NHE Normal hydrogen electrode Điện cực hydro chuẩn EOC Open-circuit voltage Điện thế mạch hở OER Oxygen evolution reaction Phản ứng giải phóng khí oxi Positron annihilation lifetime Phổ kế thời gian sống của PALS spectroscopy positron PEC Photoelectrochemical Quang điện hóa PEM Proton exchange membrane Màng trao đổi proton RE Reference electrode Điện cực so sánh RHE Reversible hydrogen electrode Điện cực hydro thuận nghịch SCF Supercritical fluid solvent Chất lỏng ở trạng thái siêu tới hạn SEM Scaning electron microscopy Hiển vi điện tử quét v LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Scaning transmission electron Kết hợp hiển vi điện tử quét- STEM microscopy truyền qua Transmission electron TEM Hiển vi điện tử truyền qua microscopy TOF Turnover frequency Tốc độ vòng xúc tác vs. Versus So với WE Working electrode Điện cực làm việc X – ray photoelectron XPS Phổ quang điện tử tia X spectroscopy XRD X – ray diffraction Nhiễu xạ tia X vi LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] DANH MỤC CÁC BẢNG Tên bảng Trang Bảng 1. Giá trị độ dốc Tafel theo các cơ chế phản ứng 18 Bảng 1. Giá trị ΔGH* của xúc tác MoSe2 và MoS2 tại các vị trí sai hỏng cấu 28 trúc và tại các cạnh tinh thể Bảng 3. Thành phần của ex-MoSe2 sau các quá trình biến đổi điện hóa xác 62 định bằng ICP-MS Bảng 3.