Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác nano hợp kim Pt và Cu trên giá mang carbon cho pin nhiên liệu

Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác nano hợp kim Pt và Cu trên giá mang carbon vulcan cho điện cực pin nhiên liệu màng trao đổi proton.

• Tác giả: Vũ Thị Hồng Phượng
• Người hướng dẫn: Th.S. Vũ Thị Hồng Phượng
• Trường học: Trường Đại Học Bà Rịa Vũng Tàu
• Chuyên ngành: Khoa Học Và Công Nghệ
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Vật Liệu Xúc Tác Nano Hợp Kim Pt Và Cu Trên Giá Mang Carbon Vulcan Dùng Làm Điện Cực Cho Pin Nhiên Liệu Màng Trao Đổi Proton
• Loại tài liệu: Đề Tài Khoa Học
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Bà Rịa – Vũng Tàu

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: Mục tiêu nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu. TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU
• 1.1. Khái quát chung về pin nhiên liệu
• 1.2. Lịch sử phát triển
• 1.3. Cấu tạo và phân loại pin nhiên liệu
• 1.4. Xúc tác và các phương pháp tổng hợp xúc tác cho pin nhiên liệu
• 1.5. PHẢN ỨNG XÚC TÁC ĐIỆN HÓA CHO PIN NHIÊN LIỆU
• 1.5.1. Phản ứng tại anode
• 1.5.2. Phản ứng oxy hóa tại anode trong pin PEMFC
• 1.5.3. Phản ứng oxy hóa tại anode trong DAAFC
• 1.5.4. Phản ứng tại cathode
• 1.5.5. Những loại phản ứng khử điện hóa oxygen
• 1.5.6. Động học của phản ứng khử oxy
• 1.5.7. Một số cơ chế của phản ứng khử Oxygen
• 1.5.8. Phản ứng khử oxygen (ORR) trên Graphite và Glassy Carbon
• 1.5.9. Phản ứng khử oxygen (ORR) trên carbon Nanotubes
• 1.5.10. Phản ứng khử oxygen (ORR) trên kim loại Pt
• 1.5.11. Phản ứng khử oxygen (ORR) trên hợp kim Pt
• 1.5.12. Phản ứng khử oxygen (ORR) trên các kim loại khác
• 1.6. PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.6.1. Phương tiện nghiên cứu
• 1.6.2. Quy trình thực nghiệm
• 1.6.3. Xây dựng quy trình tổng hợp vật liệu xúc tác
• 1.6.4. Tổng hợp vật liệu xúc tác theo các tỉ lệ Pt : Cu khác nhau
• 1.6.5. Chế tạo điện cực
• 1.6.6. Khảo sát tính chất vật liệu điện cực
• 1.6.7. Hình thái học, tính chất vật liệu
• 1.6.8. Khảo sát hoạt tính điện hóa
• 1.7. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN
• 1.7.1. Tối ưu quy trình tổng hợp vật liệu xúc tác
• 1.7.2. Đánh giá quy trình tổng hợp với các nồng độ tiền chất khác nhau
• 1.7.3. Đánh giá quy trình tổng hợp với tỉ lệ chất bảo vệ CA khác nhau
• 1.7.4. Đánh giá quy trình tổng hợp tỉ lệ chất khử NaBH4 khác nhau
• 1.7.5. Khảo sát các tỉ lệ vật liệu Pt : Cu khác nhau
• 1.7.6. Đánh giá cấu trúc hình, hình thái vật liệu
• 1.7.7. Khảo sát hoạt tính điện hóa của vật liệu xúc tác
• 1.8. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về vật liệu xúc tác nano hợp kim Pt Cu

Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác nano hợp kim Pt-Cu trên giá mang carbon Vulcan nhằm ứng dụng cho pin nhiên liệu màng trao đổi proton là một trong những hướng đi quan trọng trong việc phát triển công nghệ năng lượng xanh. Vật liệu xúc tác nano này không chỉ giúp giảm thiểu chi phí sản xuất mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của pin nhiên liệu. Việc sử dụng hợp kim Pt-Cu cho phép giảm hàm lượng kim loại quý Pt, từ đó giảm giá thành sản phẩm mà vẫn đảm bảo hiệu suất hoạt động cao. Theo nghiên cứu, vật liệu xúc tác nano PtCu/C đã cho thấy khả năng hoạt động tốt trong các phản ứng khử oxy và oxy hóa nhiên liệu, điều này rất quan trọng cho hiệu suất của pin nhiên liệu.

1.1. Tầm quan trọng của vật liệu xúc tác trong pin nhiên liệu

Chất xúc tác đóng vai trò quyết định trong hiệu suất của pin nhiên liệu. Vật liệu xúc tác nano hợp kim Pt-Cu được nghiên cứu nhằm tối ưu hóa hoạt tính và độ bền của xúc tác. Việc sử dụng hợp kim Pt-Cu không chỉ giúp giảm thiểu chi phí mà còn cải thiện khả năng khử oxy tại điện cực cathode và oxy hóa nhiên liệu tại điện cực anode. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa tỉ lệ Pt:Cu trong vật liệu xúc tác có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể về hiệu suất điện hóa. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển công nghệ pin nhiên liệu hiệu quả và bền vững.

II. Quy trình tổng hợp vật liệu xúc tác nano Pt Cu

Quy trình tổng hợp vật liệu xúc tác nano hợp kim Pt-Cu được thực hiện thông qua các bước tối ưu hóa nồng độ tiền chất và tỉ lệ mol giữa Pt và Cu. Việc sử dụng phương pháp tổng hợp hóa học giúp tạo ra các hạt nano với kích thước đồng đều và phân bố tốt trên giá mang carbon Vulcan. Các mẫu xúc tác được tổng hợp với các tỉ lệ Pt:Cu khác nhau nhằm khảo sát ảnh hưởng đến cấu trúc và hoạt tính điện hóa. Kết quả cho thấy rằng vật liệu xúc tác nano PtCu/C có khả năng hoạt động tốt trong các phản ứng điện hóa, từ đó nâng cao hiệu suất của pin nhiên liệu.

2.1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp

Quy trình tổng hợp vật liệu xúc tác nano Pt-Cu được tối ưu hóa thông qua việc điều chỉnh các thông số như nồng độ tiền chất, tỉ lệ mol vật liệu trên chất bảo vệ CA và chất khử NaBH4. Việc tối ưu hóa này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của vật liệu xúc tác mà còn đảm bảo tính ổn định trong quá trình hoạt động. Các phương pháp như kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và nhiễu xạ tia X (XRD) được sử dụng để đánh giá cấu trúc và hình thái của vật liệu xúc tác. Kết quả cho thấy rằng các mẫu xúc tác có cấu trúc đồng đều và kích thước hạt nano nhỏ, điều này rất quan trọng cho hoạt tính điện hóa của pin nhiên liệu.

III. Đánh giá hoạt tính điện hóa của vật liệu xúc tác

Hoạt tính điện hóa của vật liệu xúc tác nano Pt-Cu được đánh giá thông qua các phương pháp như quét thế vòng tuần hoàn (CV) và phân cực tuyến tính (LSV). Kết quả cho thấy rằng vật liệu xúc tác nano PtCu/C có khả năng khử oxy tốt hơn so với các mẫu xúc tác khác. Điều này chứng tỏ rằng việc sử dụng hợp kim Pt-Cu không chỉ giúp giảm chi phí mà còn nâng cao hiệu suất hoạt động của pin nhiên liệu. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng tỉ lệ Pt:Cu có ảnh hưởng lớn đến hoạt tính điện hóa, từ đó mở ra hướng nghiên cứu mới cho việc phát triển vật liệu xúc tác hiệu quả hơn.

3.1. So sánh hoạt tính điện hóa giữa các mẫu xúc tác

Việc so sánh hoạt tính điện hóa giữa các mẫu xúc tác cho thấy rằng vật liệu xúc tác nano PtCu/C có hiệu suất cao hơn so với các mẫu xúc tác khác. Các thí nghiệm cho thấy rằng vật liệu xúc tác này có khả năng khử oxy tốt, điều này rất quan trọng cho hiệu suất của pin nhiên liệu. Kết quả này khẳng định rằng việc nghiên cứu và phát triển vật liệu xúc tác nano hợp kim Pt-Cu là một hướng đi đúng đắn trong việc cải thiện hiệu suất và giảm chi phí cho pin nhiên liệu.

IV. Ứng dụng và triển vọng của vật liệu xúc tác nano Pt Cu

Vật liệu xúc tác nano hợp kim Pt-Cu có tiềm năng ứng dụng lớn trong lĩnh vực pin nhiên liệu. Với khả năng hoạt động tốt và chi phí sản xuất thấp, vật liệu xúc tác này có thể được sử dụng trong các ứng dụng thương mại như xe điện, hệ thống lưu trữ năng lượng và các thiết bị di động. Việc phát triển công nghệ pin nhiên liệu sử dụng vật liệu xúc tác nano Pt-Cu không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn góp phần vào việc phát triển bền vững. Nghiên cứu này mở ra nhiều cơ hội cho việc ứng dụng vật liệu xúc tác trong các lĩnh vực khác nhau.

4.1. Triển vọng phát triển công nghệ pin nhiên liệu

Triển vọng phát triển công nghệ pin nhiên liệu sử dụng vật liệu xúc tác nano Pt-Cu là rất lớn. Với sự gia tăng nhu cầu về năng lượng sạch và bền vững, việc ứng dụng vật liệu xúc tác này trong các hệ thống năng lượng sẽ trở nên cần thiết. Nghiên cứu và phát triển vật liệu xúc tác nano hợp kim Pt-Cu không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của pin nhiên liệu mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các công nghệ năng lượng xanh trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng toàn cầu ngày càng tăng, đặc biệt tại các nước đang phát triển, việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đang trở thành ưu tiên cấp thiết. Nhiên liệu hóa thạch không chỉ dần cạn kiệt mà còn gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) được đánh giá là một trong những giải pháp năng lượng sạch, hiệu quả với hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, chi phí cao của xúc tác platin (Pt) – thành phần chủ chốt trong pin nhiên liệu – là rào cản lớn đối với việc thương mại hóa rộng rãi công nghệ này.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác nano hợp kim Pt và Cu trên giá mang carbon Vulcan nhằm làm điện cực cho pin nhiên liệu PEMFC. Mục tiêu chính là xây dựng quy trình tổng hợp tối ưu, tổng hợp các mẫu xúc tác với tỉ lệ Pt:Cu khác nhau, khảo sát cấu trúc, hình thái và đặc tính hóa lý của vật liệu, đồng thời đánh giá hoạt tính xúc tác cho phản ứng khử oxy tại cathode và oxy hóa nhiên liệu tại anode. Thời gian nghiên cứu từ tháng 9/2017 đến tháng 6/2018 tại Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm hàm lượng Pt, từ đó giảm chi phí sản xuất pin nhiên liệu mà vẫn duy trì hoặc nâng cao hiệu suất hoạt động. Kết quả có thể góp phần thúc đẩy ứng dụng pin nhiên liệu trong các lĩnh vực giao thông và sản xuất điện sạch, đồng thời hỗ trợ phát triển công nghệ vật liệu xúc tác nano trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Lý thuyết phản ứng khử oxy (ORR) trên điện cực Pt và hợp kim PtCu: Phản ứng ORR là bước giới hạn tốc độ trong pin PEMFC, diễn ra phức tạp qua nhiều giai đoạn trung gian, đòi hỏi xúc tác có hoạt tính cao và bền vững. Hợp kim PtCu được kỳ vọng cải thiện hoạt tính xúc tác nhờ hiệu ứng điện tử và hiệu ứng hình học, làm giảm năng lượng hấp phụ oxy và tăng tốc độ phản ứng.

• Mô hình tổng hợp xúc tác nano bằng phương pháp khử hóa học: Sử dụng NaBH4 làm chất khử trong dung môi ethylene glycol, kết hợp tác nhân bảo vệ axit citric để kiểm soát kích thước hạt nano và phân bố trên giá mang carbon Vulcan. Phương pháp này giúp tạo ra hạt nano kích thước nhỏ, phân tán đều, tăng diện tích bề mặt hoạt động.

• Khái niệm diện tích hoạt hóa điện hóa (ECA): Diện tích bề mặt điện cực thực tế tham gia phản ứng được xác định qua kỹ thuật quét thế vòng tuần hoàn (CV), là chỉ số quan trọng đánh giá hiệu quả xúc tác.

• Phương trình Koutecky-Levich và hệ số Tafel: Dùng để phân tích động học phản ứng ORR, xác định số electron trao đổi và tốc độ phản ứng trên các mẫu xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Vật liệu xúc tác PtCu/C được tổng hợp trong phòng thí nghiệm theo quy trình khử hóa học, sử dụng các hóa chất chuẩn như H2PtCl6, CuSO4, NaBH4, axit citric và carbon Vulcan XC-72R.

• Phương pháp tổng hợp: Quy trình gồm hai giai đoạn: tổng hợp Cu/C bằng khử CuSO4 trên carbon Vulcan, sau đó khử H2PtCl6 trên Cu/C để tạo hợp kim PtCu/C. Các thông số như nồng độ tiền chất, tỉ lệ mol Pt:Cu, tỉ lệ mol vật liệu trên chất bảo vệ (CA) và chất khử (NaBH4) được tối ưu hóa.

• Phương pháp phân tích cấu trúc và hình thái: Sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát kích thước hạt và phân bố, nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể và pha hợp kim.

• Phương pháp đánh giá hoạt tính xúc tác điện hóa: Kỹ thuật quét thế vòng tuần hoàn (CV) và phân cực tuyến tính (LSV) trên hệ ba điện cực với điện cực đĩa quay (RDE) được áp dụng để đo diện tích hoạt hóa điện hóa, mật độ dòng trao đổi và số electron trao đổi trong phản ứng ORR.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Các mẫu xúc tác với tỉ lệ Pt:Cu khác nhau (ví dụ PtCu1, PtCu2, PtCu3) được tổng hợp và đánh giá để so sánh hiệu suất. Mỗi mẫu được khảo sát ít nhất ba lần để đảm bảo tính lặp lại và độ tin cậy số liệu.

• Timeline nghiên cứu: Từ tháng 9/2017 đến tháng 6/2018, bao gồm giai đoạn tổng hợp, tối ưu quy trình, phân tích vật liệu và đánh giá hoạt tính điện hóa.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tối ưu quy trình tổng hợp xúc tác nano PtCu/C: Qua khảo sát nồng độ tiền chất CuSO4 và H2PtCl6, tỉ lệ mol vật liệu trên chất bảo vệ CA và chất khử NaBH4, quy trình tổng hợp đạt hiệu quả tối ưu khi tỉ lệ mol Pt:Cu là 1:1, nồng độ tiền chất CuSO4 là khoảng 0,1 M và H2PtCl6 là 0,05 M. Kích thước hạt nano trung bình đạt khoảng 3-5 nm, phân bố đều trên giá mang carbon Vulcan.

2. Cấu trúc và hình thái vật liệu: Kết quả XRD cho thấy sự hình thành hợp kim PtCu với các đỉnh đặc trưng dịch chuyển nhẹ so với Pt nguyên chất, chứng tỏ sự pha trộn kim loại. Ảnh TEM minh họa hạt nano có kích thước nhỏ, đồng nhất, không có hiện tượng kết tụ lớn. Diện tích bề mặt hoạt hóa điện hóa (ECA) của mẫu PtCu1 đạt khoảng 65 cm²/mgPt, cao hơn 20% so với Pt/C chuẩn.

3. Hoạt tính xúc tác cho phản ứng khử oxy (ORR): Đường cong LSV trên điện cực đĩa quay cho thấy mẫu PtCu1 có mật độ dòng khuếch tán giới hạn cao hơn 15% so với Pt/C, với số electron trao đổi gần 4, chứng tỏ phản ứng ORR chủ yếu theo con đường 4 electron trực tiếp. Mật độ dòng trao đổi (i0) của PtCu1 đạt 0,44 A/mgPt, vượt mục tiêu của Bộ Năng lượng Mỹ năm 2017.

4. Hoạt tính oxy hóa nhiên liệu tại anode: Mẫu PtCu/C cũng thể hiện khả năng oxy hóa methanol và glycerol tốt, với dòng điện cực đại tăng khoảng 10-12% so với Pt/C, cho thấy xúc tác hợp kim PtCu có tính kháng CO tốt hơn, giảm hiện tượng đầu độc xúc tác.

Thảo luận kết quả

Sự cải thiện hoạt tính xúc tác của PtCu/C so với Pt/C được giải thích bởi hiệu ứng hợp kim làm thay đổi cấu trúc điện tử của Pt, giảm năng lượng hấp phụ oxy và trung gian phản ứng, từ đó tăng tốc độ phản ứng ORR. Kích thước hạt nano nhỏ và phân bố đồng đều trên carbon Vulcan giúp tăng diện tích bề mặt hoạt động, nâng cao hiệu quả xúc tác.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả đạt được phù hợp với xu hướng phát triển xúc tác nano hợp kim Pt với kim loại chuyển tiếp nhằm giảm hàm lượng Pt mà không giảm hiệu suất. Việc sử dụng axit citric làm chất bảo vệ giúp kiểm soát kích thước hạt hiệu quả, đồng thời phương pháp khử hóa học với NaBH4 đảm bảo sự đồng nhất và tái lập quy trình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố kích thước hạt TEM, đồ thị XRD so sánh các mẫu, và biểu đồ LSV thể hiện mật độ dòng điện theo tỉ lệ Pt:Cu. Bảng so sánh các chỉ số ECA, mật độ dòng trao đổi và số electron trao đổi cũng minh họa rõ hiệu quả của xúc tác hợp kim.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai quy trình tổng hợp xúc tác nano PtCu/C quy mô phòng thí nghiệm: Áp dụng các điều kiện tối ưu đã xác định để sản xuất xúc tác với kích thước hạt đồng nhất, đảm bảo tính tái lập và ổn định. Thời gian thực hiện trong 6 tháng, do phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu xúc tác đảm nhiệm.

2. Nghiên cứu ứng dụng xúc tác PtCu/C trên tấm MEA pin nhiên liệu thực tế: Thử nghiệm hiệu suất và độ bền của xúc tác trong pin PEMFC quy mô nhỏ, đánh giá khả năng thương mại hóa. Thời gian 12 tháng, phối hợp với phòng thí nghiệm pin nhiên liệu.

3. Phát triển xúc tác hợp kim Pt với các kim loại chuyển tiếp khác (Ni, Co): Mở rộng nghiên cứu để so sánh hiệu quả xúc tác, tìm ra hợp kim tối ưu nhất về chi phí và hiệu suất. Thời gian 18 tháng, do nhóm nghiên cứu vật liệu xúc tác thực hiện.

4. Cải tiến chất mang carbon Vulcan hoặc thay thế bằng các vật liệu carbon mới có độ bền cao hơn: Nâng cao độ bền và tuổi thọ của xúc tác, giảm hiện tượng ăn mòn trong quá trình hoạt động pin. Thời gian 12 tháng, phối hợp với nhóm nghiên cứu vật liệu carbon.

5. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các doanh nghiệp sản xuất pin nhiên liệu trong nước: Tăng cường năng lực sản xuất xúc tác nano, giảm phụ thuộc nhập khẩu, thúc đẩy phát triển công nghiệp pin nhiên liệu. Thời gian 24 tháng, phối hợp với các đơn vị công nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực vật liệu xúc tác và pin nhiên liệu: Luận văn cung cấp quy trình tổng hợp xúc tác nano hợp kim PtCu/C, phương pháp đánh giá hoạt tính điện hóa, giúp phát triển nghiên cứu sâu hơn về vật liệu xúc tác hiệu suất cao.

2. Doanh nghiệp sản xuất pin nhiên liệu và vật liệu xúc tác: Tham khảo để áp dụng quy trình tổng hợp xúc tác nano tiết kiệm chi phí, nâng cao hiệu suất sản phẩm, từ đó cải thiện khả năng cạnh tranh trên thị trường.

3. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành hóa học vật liệu, công nghệ nano: Tài liệu tham khảo chi tiết về kỹ thuật tổng hợp, phân tích cấu trúc và đánh giá hoạt tính xúc tác, hỗ trợ học tập và nghiên cứu khoa học.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng sạch: Cung cấp thông tin khoa học về tiềm năng và thách thức của pin nhiên liệu PEMFC, hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển năng lượng tái tạo và công nghệ xanh.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao phải sử dụng hợp kim PtCu thay vì Pt nguyên chất trong xúc tác pin nhiên liệu?
   Hợp kim PtCu giúp giảm hàm lượng Pt đắt tiền, đồng thời cải thiện hoạt tính xúc tác nhờ hiệu ứng điện tử và hình học, tăng tốc độ phản ứng khử oxy (ORR) và nâng cao độ bền xúc tác.

2. Phương pháp khử hóa học với NaBH4 có ưu điểm gì trong tổng hợp xúc tác nano?
   Phương pháp này cho phép kiểm soát kích thước hạt nano nhỏ, phân bố đồng đều trên giá mang, thời gian tổng hợp nhanh và dễ thực hiện trong phòng thí nghiệm, phù hợp với quy mô nghiên cứu.

3. Làm thế nào để đánh giá hoạt tính xúc tác cho phản ứng ORR?
   Sử dụng kỹ thuật quét thế vòng tuần hoàn (CV) và phân cực tuyến tính (LSV) trên điện cực đĩa quay (RDE) để đo mật độ dòng điện, diện tích hoạt hóa điện hóa (ECA) và số electron trao đổi, từ đó đánh giá hiệu suất xúc tác.

4. Tại sao carbon Vulcan được chọn làm giá mang cho xúc tác?
   Carbon Vulcan có diện tích bề mặt lớn, dẫn điện tốt và ổn định về mặt hóa học, giúp phân tán hạt nano xúc tác hiệu quả, tăng diện tích bề mặt hoạt động và cải thiện hiệu suất pin nhiên liệu.

5. Các thách thức chính trong việc ứng dụng xúc tác PtCu/C vào pin nhiên liệu thực tế là gì?
   Bao gồm độ bền của xúc tác trong điều kiện hoạt động lâu dài, khả năng chống ăn mòn của giá mang carbon, sự tái lập quy trình tổng hợp quy mô lớn và chi phí sản xuất phù hợp với thị trường.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công quy trình tổng hợp xúc tác nano hợp kim PtCu/C trên giá mang carbon Vulcan với kích thước hạt nano đồng nhất, phân bố đều.
• Mẫu xúc tác PtCu1 (tỉ lệ Pt:Cu = 1:1) đạt diện tích hoạt hóa điện hóa (ECA) khoảng 65 cm²/mgPt, vượt trội so với Pt/C chuẩn.
• Hoạt tính xúc tác cho phản ứng khử oxy (ORR) được cải thiện rõ rệt, mật độ dòng trao đổi đạt 0,44 A/mgPt, đáp ứng mục tiêu của Bộ Năng lượng Mỹ năm 2017.
• Xúc tác PtCu/C cũng thể hiện khả năng oxy hóa nhiên liệu tại anode tốt hơn, giảm hiện tượng đầu độc CO, tăng tính ổn định hoạt động pin nhiên liệu.
• Đề xuất mở rộng nghiên cứu ứng dụng xúc tác trên tấm MEA thực tế, phát triển xúc tác hợp kim với các kim loại chuyển tiếp khác và cải tiến chất mang carbon để nâng cao hiệu suất và độ bền pin nhiên liệu.

Next steps: Triển khai thử nghiệm quy mô phòng thí nghiệm và quy mô bán công nghiệp, phối hợp với doanh nghiệp sản xuất pin nhiên liệu để chuyển giao công nghệ. Khuyến khích nghiên cứu sâu hơn về cơ chế xúc tác và phát triển vật liệu mới.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực năng lượng sạch nên hợp tác để ứng dụng kết quả nghiên cứu này, góp phần thúc đẩy phát triển công nghệ pin nhiên liệu tại Việt Nam và trên thế giới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Trong bối cảnh các nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, năng lượng nguyên tử khó kiểm soát, thì việc tìm ra nguồn năng lượng để thay thế là rất cần thiết. Một hướng nghiên cứu nhiều triển vọng đã và đang được các nhà khoa học phát triển đó là sử dụng pin nhiên liệu-một thiết bị chuyển đổi trực tiếp hóa năng của nhiên liệu như H2, rượu (metanol, etanol, glycerol, ethylene glycol,…) thành điện năng nhờ quá trình điện hóa. Trong những loại pin nhiên liệu, pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton Exchange Memember Fuel Cell – PEMFC) là loại pin có nhiều triển vọng. Chất xúc tác là một trong những yếu tố làm ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động cũng như tuổi thọ của PEMFC, trong đó, Platin (Pt) và hợp kim của Pt là xúc tác được sử dụng tốt nhất hiện nay.

Một trong những hạn chế lớn nhất của pin nhiên liệu hiện nay là giá thành cao do sử dụng xúc tác là kim loại quý, đắt tiền. Một trong những giải pháp để giải quyết vấn đề trên là: tổng hợp xúc tác nano Pt với một kim loại chuyển tiếp như Cu, Co, Ni, Pd …để tăng độ bền của xúc tác cũng như hạ giá thành của sản phẩm. Tùy thuộc vào phương pháp tổng hợp, chất mang sử dụng mà cấu trúc, hình thái hạt sẽ khác nhau, điều đó có thể dẫn đến hoạt tính của xúc tác sẽ thay đổi. Vì vậy, mục đích đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác nano hợp kim Pt và Cu trên giá mang carbon vulcan dùng làm điện cực cho pin nhiên liệu màng trao đổi proton” để tìm ra điều kiện tối ưu trong quá trình tổng hợp xúc tác nano cũng như so sánh hoạt tính các mẫu xúc tác tổng hợp trên điện cực anode và cathode của pin nhiên liệu màng trao đổi proton.

Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng quy trình tổng hợp xúc tác nano hợp kim PtCu; -Tổng hợp các mẫu PtxCuy/C với các tỉ lệ Pt:Cu khác nhau; -Khảo sát hình thái, cấu trúc vật liệu, các đặc tính hóa lý của mẫu tạo được; -Nghiên cứu hoạt tính của vật liệu PtxCuy cho phản ứng khử oxi tại cathode; Trang 1 Luan van -Nghiên cứu hoạt tính của vật liệu PtxCuy cho phản ứng oxy hóa nhiên liệu tại điện cực anode; - So sánh, kết luận và đánh giá kết quả. Phương pháp nghiên cứu - Xây dựng quy trình tổng hợp bẳng việc tối ưu các thông số như nồng độ tiền chất, tỉ lệ mol vật liệu trên chất bảo vệ CA, tỉ lệ mol vật liệu trên chất khử NaBH4; - Tổng hợp vật liệu xúc tác với tỉ lệ Pt:Cu khác nhau; - Đánh giá cấu trúc, hình thái vật liệu bằng : phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), nhiễu xạ tia X (XRD); - Đánh giá hoạt tính xúc tác điện hóa : Phương pháp von-ampe quét thế vòng tuần hoàn (Cyclic Voltammetry - CV) và phân cực tuyến tính (Linear Sweep Voltammetry - LSV); - Thống kê, phân tích số liệu đo đạc; - Đánh giá kết quả thu được và đưa ra nhận xét kết luận cho đối tượng nghiên cứu. Trang 2 Luan van CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU 2.

Khái quát chung về pin nhiên liệu 2. Lịch sử phát triển Lịch sử của pin nhiên liệu được bắt nguồn từ thế kỷ 19, khi Christian F. Schonbein đầu tiên phát hiện vào năm 1838: một khi các điện cực, H2 và O2 hay Cl2 được kết nối, điện năng sẽ được sinh ra. Không lâu sau đó, William R.

Grove phát minh ra “Pin khí” (Gas Voltaic Battery) là thiết bị tạo ra điện năng giữa hai điện cực Platin trong H2 và O2 trong hai bình riêng biệt chứa đầy axit sulfuric (H2SO4). Trong khi phát minh này hiện nay được xem là pin nhiên liệu đầu tiên trong lịch sử, khái niệm “pin nhiên liệu” vẫn không được chấp nhận vào thời đó. Mãi cho đến năm 1889, Ludwig Mond và Charles Langer đã chính thức xây dựng hệ thống pin nhiên liệu đầu tiên trong đó nhiên liệu sử dụng là khí than công nghiệp và không khí được dùng là chất oxy hóa. Vào thời điểm đó họ nhận ra rằng việc tăng diện tích bề mặt của Pt sẽ tăng mật độ dòng.

Chính vì vậy, họ sử dụng Pt đen để làm điện cực và chế tạo được một pin cho ra mật độ dòng tương đương với 64,58 A/m2 và hiệu điện thế đầu ra là 0,73 V. Tuy nhiên, việc dựa quá nhiều vào những nguồn nhiên liệu, nguyên liệu đắt tiền và hiệu suất kém đã khiến cho pin nhiên liệu không thể thương mại hóa vào thời điểm đó. Thêm nữa, việc thế giới ngày càng tận dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch và hơn hết là sự nổi lên của động cơ đốt trong vào cuối thế kỷ 19 đã làm cho pin nhiên liệu rơi vào quên lãng. Do vậy, việc thương mại hóa pin nhiên liệu dần biến mất và pin nhiên liệu cũng chỉ được nghiên cứu thêm trong quy mô phòng thí nghiệm và dựa vào niềm đam mê riêng của một số nhà khoa học.

Dù cho pin nhiên liệu gặp khó khăn trong việc phát triển rộng rãi, các báo cáo nghiên cứu về nó vẫn được cập nhật thường xuyên trong giai đoạn này. Ví dụ, vào năm 1932, Francis Bacon điều chỉnh cấu trúc thiết bị xây dựng bởi Mond và Langer và tạo ra pin nhiên liệu kiềm đầu tiên dựa trên sự tối ưu hóa chất điện giải là dung dịch kiềm và điện cực Nickel. Mãi cho đến những năm 1950, pin nhiên liệu mới thu hút trở lại sự chú ý của công chúng khi tập đoàn General Electric (GE) sản xuất những pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) đầu tiên mà NASA đã chọn Trang 3 Luan van sử dụng cho những dự án khám phá không gian Gemini và Apollo. Tuy nhiên, mặc dù đã khôi phục lại phần nào đó sự chú ý của dư luận, đã phát triển được công nghệ pin nhiên liệu mới PEMFC với màng chất điện giải trao đổi ion polystyrene sulfonate hóa, pin nhiên liệu vẫn chỉ gói gọn trong những ứng dụng ngoài không gian vì giá thành sản xuất vẫn còn quá đắt.[1] Trong hai thập kỉ gần đây, khi nhu cầu năng lượng của con người ngày càng to lớn và cấp thiết dẫn đến việc sử dụng, phát triển mạnh mẽ của nhiên liệu hóa thạch dẫn đến lượng khí gây hiệu ứng nhà kính như CO2 thải ra trong bầu khí quyển gia tăng chóng mặt, làm cho Trái đất nóng lên, khí hậu thay đổi, ô nhiễm môi trường,… Để mang lại sự phát triển bền vững cho những thế hệ sau, nhiều quốc gia và tổ chức trên thế giới đã cố gắng sử dụng triệt để các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, pin nhiên liệu,…Trong các thiết bị chuyển hóa năng lượng thay thế, pin nhiên liệu nằm trong số có hiệu suất chuyển hóa cao nhất và thải ra lượng khí gây hiệu ứng nhà kính thấp nhất.

Chính vì lẽ đó, pin nhiên liệu có lợi thế rất lớn để trở thành nguồn cung cấp năng lượng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch. Cấu tạo và phân loại pin nhiên liệu 2. Cấu tạo pin nhiên liệu Một pin nhiên liệu có cấu tạo đơn giản gồm 3 lớp như hình 2.Sơ đồ cấu tạo một pin nhiên liệu cơ bản. Trang 4 Luan van Lớp thứ nhất là điện cực nhiên liệu (anode– cực âm): là nơi nguyên liệu đi vào và thực hiện phản ứng oxy hóa nguyên liệu; Lớp thứ hai là chất điện giải dẫn ion: có bản chất khác nhau tùy thuộc vào loại pin nhiên liệu.

Có thể ở thể rắn, lỏng hay có cấu trúc màng. Tại lớp này xảy ra sự dẫn proton đi qua màng để đến cathode; Lớp thứ ba là điện cực chất oxi hóa (cathode – cực dương): Xảy ra quá trình khử thông thường sẽ là khử oxygen Nguyên tắc hoạt động của pin nhiên liệu : Khi nhiên liệu (hidro, metanol, etanol…) đi vào pin nhiên liệu chúng sẽ nhường điện tử (quá trình oxi hóa) tại cực âm. Mỗi loại pin nhiên liệu sẽ có những quá trình phản ứng khác nhau. Nhiên liệu vào cực âm và đi qua chất xúc tác.

Tại đây nhiên liệu giải phóng các electron đi qua mạch điện ngoài tạo ra dòng điện một chiều và đến cực dương của pin nhiên liệu. Cùng lúc, chất oxi hóa (như oxy) vào cực dương và đi qua chất xúc tác. Tại đây chất oxy hóa kết hợp với electron và các chất từ cực âm tạo thành sản phẩm như nước. Chất điện giải đóng vai trò quan trọng, chỉ cho phép những ion thích hợp đi qua giữa cực dương và cực âm và cách điện electron.

Phân loại pin nhiên liệu Hiện nay pin nhiên liệu được chủ yếu phân loại theo ba cách: Phân loại theo nhiệt độ hoạt động: Theo nhiệt độ hoạt động của pin, có thể phân loại: pin nhiên liệu hoạt động ở nhiệt độ thấp (1200C tới 1500C) gồm các pin nhiên liệu có màng ngăn và hầu hết pin nhiên liệu hoạt động trong môi trường kiềm; pin nhiên liệu hoạt động ở nhiệt độ trung bình (1500C tới 2500C) thường là pin nhiên liệu dùng chất điện giải là acid phosphoric…; pin nhiên liệu hoạt động ở nhiệt độ cao (trên 6500C) như pin nhiên liệu chất điện giải rắn. Phân loại theo chất tham gia phản ứng : Pin nhiên liệu có thể được phân loại dựa vào nhiên liệu đầu vào và chất oxy hóa. Nhiên liệu thường dùng là khí H2, methane, alcohol và một Trang 5 Luan van số chất khác như H2S, N2H4,… Tác nhân oxy hóa ngoài O2 còn có thể sử dụng H2O2 và hợp chất chloride. Phân loại theo chất điện giải : Đây là cách thông dụng nhất để phân loại pin nhiên liệu.

Chất điện giải trong pin nhiên liệu có thể là chất lỏng (acid, kiềm, muối nóng chảy,…) cũng có thể là chất rắn (polymer hữu cơ dẫn ion, hợp chất oxide,…). Chất điện giải rắn ngày càng được nghiên cứu phát triển và ứng dụng vì nó có thể ngăn cản sự rò rỉ dung dịch điện giải. Theo cách phân loại trên, pin nhiên liệu có thể được chia làm sáu loại chính. Tính chất, nhiệt độ cũng như hiệu suất hoạt động của các loại pin nhiên liệu được trình bày trong bảng 2.Phân loại pin nhiên liệu Cấu tử vận Nhiệt độ Hiệu Loại pin Chất điện giải chuyển làm việc suất (%) điện tích (oC) Alkaline Fuel Cells Kali hydroxide (KOH) trên OH- 50-70 60-220 (AFC) nền mi-ăng Direct Methanol Màng trao đổi proton H+ 40-50 80-120 Fuel Cells (DMFC) hydrate hóa Molten Carbonate Muối carbonate nóng chảy CO32- 50-60 650 Fuel Cells (MCFC) trong LiAlO2 Phosphoric Acid Acid phosphoric lỏng trong Fuel Cells H+ 40-45 205 SiC (PAFC) Proton Exchange Màng trao đổi proton Membrane Fuel H+ 50-65 40-80 hydrate hóa Cells (PEMFC) Solid Oxide Fuel Ceramics rắn (như Zirconi O2- 50-60 600-1000 Cells (SOFC) oxide,.