Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong những năm gần đây, hệ thống sông Mê Kông chịu tác động lớn từ việc các quốc gia thượng nguồn đẩy mạnh xây dựng các đập thủy điện, dẫn đến lượng nước ngọt đổ về hạ lưu sụt giảm từ 20% đến 40% so với trung bình nhiều năm. Cùng với hiện tượng biến đổi khí hậu toàn cầu, nước biển dâng và việc khai thác nước ngầm quá mức, tình trạng xâm nhập mặn tại các tỉnh ven biển thuộc Đồng bằng sông Cửu Long (như Bến Tre, Tiền Giang, Long An, Cà Mau, Kiên Giang...) và khu vực Thành phố Hồ Chí Minh ngày càng diễn biến phức tạp trong mùa khô. Tình trạng này đe dọa trực tiếp đến nguồn nước sinh hoạt và hoạt động sản xuất nông nghiệp của người dân.

Để giải quyết nhu cầu cấp thiết về nước sạch, công nghệ khử ion điện dung (Capacitive Deionization - CDI) nổi lên như một giải pháp xử lý nước lợ (nồng độ muối dưới 10 g/L) tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường hơn so với phương pháp chưng cất hay thẩm thấu ngược (RO). CDI hoạt động dựa trên cơ chế hấp phụ tĩnh điện để giữ lại các ion muối trên bề mặt điện cực xốp dưới tác dụng của điện trường ngoài mà không cần sử dụng áp suất cao hay nhiệt độ cao. Hiệu suất của hệ thống CDI phụ thuộc trực tiếp vào cấu trúc và đặc tính của vật liệu chế tạo điện cực. Việc kết hợp carbon aerogel (vật liệu có diện tích bề mặt lớn, độ dẫn điện cao) với titanium dioxide (oxide kim loại có hoạt tính Faradaic, tính ưa nước và độ bền cơ lý tốt) mở ra hướng nâng cao dung lượng hấp phụ và tốc độ truyền dẫn ion.

Mục tiêu nghiên cứu của khóa luận được xác định cụ thể gồm hai nội dung:

  1. Tổng hợp được vật liệu composite CA/TiO2-30 bằng phương pháp sol-gel.
  2. Khảo sát cấu trúc và các tính chất điện hóa của vật liệu sau khi tổng hợp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu composite carbon aerogel kết hợp titanium dioxide (CA/TiO2-30) ứng dụng làm màng điện cực.
  • Phạm vi nghiên cứu: Quy trình tổng hợp sol-gel ở quy mô phòng thí nghiệm, các phương pháp phân tích đặc trưng hóa lý (XRD, Raman, SEM, EDX, TGA), khảo sát tính chất điện hóa (CV, EIS, CDC) và đánh giá hiệu năng khử mặn trong hệ tế bào khử ion điện dung lai (HCDI) với dung dịch muối NaCl ở các dải nồng độ và điện thế khác nhau.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm

Khung lý thuyết và mô hình nghiên cứu

  • Nguyên lý công nghệ CDI: Dựa trên hiện tượng điện hấp phụ (electrosorption), khi đặt một hiệu điện thế (thường từ 1,0 V đến 1,5 V) vào hai bản điện cực, các anion sẽ di chuyển về cực dương (anode) và cation di chuyển về cực âm (cathode) để hình thành lớp điện kép (Electrical Double Layer - EDL). Khi ngắt nguồn hoặc đảo cực điện áp, các ion được giải hấp để tái sinh điện cực.
  • Cấu hình CDI: Khóa luận phân tích các biến thể gồm CDI thông thường (Conventional CDI), CDI Faradaic (sử dụng phản ứng chuyển điện tích), CDI điện cực dòng (FCDI) và CDI lai (Hybrid CDI - HCDI) kết hợp điện cực Faradaic và điện cực điện dung.
  • Đặc tính vật liệu cấu thành:
    • Carbon aerogel (CA): Cấu trúc mạng không gian 3 chiều (3D) với độ xốp phân cấp (micropores <2 nm, mesopores 2–50 nm, macropores >50 nm), độ rỗng cao, khối lượng riêng thấp và độ dẫn điện tốt.
    • Titanium dioxide (TiO2): Khảo sát các dạng thù hình anatase, rutile, TiO2-B và TiO2-H. Pha anatase được lựa chọn nhờ thế oxy hóa khử thấp dựa trên phản ứng chuyển đổi thuận nghịch $\text{Ti}^{4+}/\text{Ti}^{3+}$ để xen cài ion $\text{Na}^+$, độ bền nhiệt động, tính ưa nước cao giúp tăng khả năng thấm ướt của màng điện cực.
  • Các thông số đánh giá hiệu năng:
    • Dung lượng hấp phụ muối (Salt Adsorption Capacity - SAC): $$\text{SAC} = \frac{(C_0 - C_t) \times V}{m} \quad (\text{mg/g})$$ (Trong đó: $C_0, C_t$ là nồng độ muối ban đầu và thời điểm $t$; $V$ là thể tích dung dịch; $m$ là khối lượng vật liệu hoạt động).
    • Tốc độ hấp phụ muối trung bình (Average Salt Adsorption Rate - ASAR): $$\text{ASAR} = \frac{\text{SAC}}{t} \quad (\text{mg/g}\cdot\text{phút})$$

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Quy trình tổng hợp nano TiO2: Sử dụng phương pháp sol-gel từ tiền chất titanium (IV) isopropoxide ($4{,}305\text{ mL}$) hòa tan trong isopropanol ($15\text{ mL}$), thủy phân bằng nước cất ($7{,}5\text{ mL}$), khuấy 45 phút tạo gel. Gel được sấy ở $100^\circ\text{C}$ trong 12 giờ, sau đó nghiền và nung ở $600^\circ\text{C}$ trong 2 giờ, lọc rửa bằng nước cất dưới áp suất chân không và sấy khô ở $100^\circ\text{C}$.
  • Quy trình chế tạo màng điện cực: Phối trộn carbon aerogel, TiO2, carbon black và chất kết dính keo PVA 6%/GA (tỷ lệ 95:5). Hỗn hợp được nghiền mịn trong cối mã não rồi quét lên tấm đế graphite ($200 \times 300\text{ mm}$) bằng kỹ thuật Doctor-blade với độ dày màng đạt $150\ \mu\text{m}$, sấy chân không ở $120^\circ\text{C}$ trong 10 giờ (mẫu ký hiệu CA/TiO2-30).
  • Phương pháp phân tích hóa lý:
    • Nhiễu xạ tia X (XRD): Thiết bị Unisantis XMD-300, nguồn bức xạ Cu-$K\alpha$ ($\lambda = 0{,}154\text{ nm}$), quét góc $2\theta$ từ $10^\circ$ đến $70^\circ$. Xác định kích thước tinh thể theo công thức Scherrer: $D = \frac{K\lambda}{\beta \cos\theta}$.
    • Quang phổ Raman: Thiết bị Renishaw RM 2000, laser kích thích bước sóng $633\text{ nm}$.
    • Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Thiết bị JSM-7500F ở thế gia tốc $10\text{ kV}$.
    • Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX): Thiết bị JED-2300 JEOL.
    • Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA): Thiết bị Labsys TG/DSC Setaram, tốc độ gia nhiệt $10^\circ\text{C}/\text{phút}$ từ $30^\circ\text{C}$ đến $800^\circ\text{C}$ trong môi trường không khí.
  • Phương pháp khảo sát điện hóa và khử mặn:
    • Quét thế vòng tuần hoàn (CV): Hệ đo Gamry Interface 1010T, hệ 3 điện cực (điện cực làm việc WE, điện cực so sánh RE Ag/AgCl trong KCl 3,5M, điện cực đối CE tấm Pt) trong chất điện ly $\text{Na}_2\text{SO}_4\ 1\text{M}$, vùng thế 0 đến 1,0 V.
    • Phổ tổng trở điện hóa (EIS): Dải tần số $10^{-2}$ đến $10^5\text{ Hz}$ trong dung dịch $\text{Na}_2\text{SO}_4\ 1\text{M}$, xác định hệ số khuếch tán ion $D$.
    • Chu kỳ phóng/sạc (CDC): Khảo sát 1000 chu kỳ trong khoảng thế 0 đến 1,5 V.
    • Thử nghiệm khử mặn (Chronoamperometry): Lắp đặt stack HCDI bất đối xứng (Anode: CA/TiO2-30, Cathode: CA, diện tích $2{,}5 \times 3\text{ cm}$, màng phân tách, đệm cách ly), bơm tuần hoàn dung dịch NaCl ($200 - 1200\text{ ppm}$) với lưu lượng $10 - 30\text{ mL/phút}$, điện áp khảo sát $1{,}0 - 1{,}6\text{ V}$, đo sự biến thiên độ dẫn điện theo thời gian bằng máy Autolab 302N.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về công nghệ khử ion điện dung (CDI), so sánh ưu thế tiết kiệm năng lượng của CDI so với công nghệ thẩm thấu ngược (RO) và chưng cất nhiệt trong xử lý nước lợ. Tác giả phân loại chi tiết 4 cấu hình CDI chính: CDI thông thường, CDI Faradaic, CDI điện cực dòng (FCDI) và CDI lai (HCDI). Chương này cũng thiết lập các tiêu chuẩn đánh giá điện cực bao gồm độ dẫn điện, độ bền điện hóa, diện tích bề mặt riêng và hệ thống mao quản.

Phần tổng quan vật liệu tập trung phân tích các nhóm vật liệu carbon (than hoạt tính, carbon aerogel, ống nano carbon, graphene) và oxide kim loại (manganese oxide, titanium dioxide). Tác giả làm rõ các dạng thù hình của $\text{TiO}_2$, nhấn mạnh pha anatase sở hữu tiềm năng oxy hóa khử phù hợp cho việc chèn/chiết ion $\text{Na}^+$ thuận nghịch, có độ bền hóa học cao và tính ưa nước vượt trội. Chương 1 khép lại bằng việc tổng kết các công trình nghiên cứu về vật liệu composite cho CDI trên thế giới và tại Việt Nam, qua đó xác định tính cấp thiết và điểm mới của đề tài khi khảo sát ảnh hưởng nồng độ muối đến tính chất điện cực CA/$\text{TiO}_2$.

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM

Chương 2 mô tả chi tiết danh mục hóa chất tinh khiết và hệ thống trang thiết bị phục vụ nghiên cứu. Tác giả trình bày tường minh hai quy trình chế tạo cốt lõi:

  1. Quy trình tổng hợp hạt nano $\text{TiO}_2$ pha anatase qua các giai đoạn thủy phân alkoxide, gel hóa, sấy khô $100^\circ\text{C}$ (12 giờ), nung kết tinh ở $600^\circ\text{C}$ (2 giờ) và tinh chế.
  2. Quy trình 5 bước tạo màng điện cực composite $\text{CA/TiO}_2\text{-30}$ bằng phương pháp Doctor-blade: phối trộn theo tỷ lệ khối lượng xác định giữa carbon aerogel, $\text{TiO}_2$, carbon black và hệ keo kết dính PVA/GA (95:5), quét đều màng dày $150\ \mu\text{m}$ trên đế graphite và sấy chân không ở $120^\circ\text{C}$ trong 10 giờ.

Tiếp đó, chương này thiết lập chi tiết nguyên lý hoạt động, cấu hình thiết bị và thông số đo đạc của các phương pháp phân tích hóa lý (XRD, Raman, SEM, EDX, TGA) cùng các kỹ thuật điện hóa chuyên sâu (CV, EIS, CDC). Cấu hình stack HCDI bất đối xứng cùng quy trình đo dòng - thời gian để giám sát độ dẫn dung dịch muối NaCl trong quá trình khử mặn cũng được chuẩn hóa tại chương này.

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và biện luận khoa học:

  • Hình thái và cấu trúc: Giản đồ XRD của mẫu $\text{TiO}_2$ và $\text{CA/TiO}_2\text{-30}$ xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ sắc nhọn đặc trưng tại các góc $2\theta$ tương ứng mặt mạng (101), (004), (200), (105), (211), hoàn toàn trùng khớp với cấu trúc anatase chuẩn (ICSD-01-089-4921). Kích thước tinh thể trung bình tính theo Scherrer của $\text{TiO}2$ là $23{,}0\text{ nm}$ và $\text{CA/TiO}2\text{-30}$ là $18{,}5\text{ nm}$. Phổ Raman ghi nhận các mode dao động $E_g$ ($138\text{ cm}^{-1}$, $638\text{ cm}^{-1}$), $B{1g}$ ($393\text{ cm}^{-1}$), $A{1g}$ ($514\text{ cm}^{-1}$) của $\text{TiO}_2$ anatase cùng hai dải D và G ($1200 - 1700\text{ cm}^{-1}$) đặc trưng cho carbon aerogel. Ảnh SEM cho thấy hạt $\text{TiO}_2$ dạng cầu kích thước $200 - 700\text{ nm}$ phân tán tốt trên nền carbon. Phổ EDX khẳng định thành phần nguyên tố sạch (Ti, O, C). Phân tích TGA xác nhận độ bền nhiệt và xác định tỷ lệ hao hụt khối lượng qua các giai đoạn bay hơi nước và oxy hóa khung carbon.
  • Tính chất điện hóa: Phép đo CV trong $\text{Na}_2\text{SO}_4\ 1\text{M}$ thể hiện đường cong gần chữ nhật ổn định trong khoảng thế $0 - 1{,}0\text{ V}$. Phổ EIS và biểu đồ Nyquist chỉ ra hệ số khuếch tán ion của $\text{CA/TiO}_2\text{-30}$ đạt $4{,}73 \times 10^{-14}\text{ cm}^2/\text{s}$, cao hơn mẫu $\text{TiO}_2$ thuần ($5{,}52 \times 10^{-15}\text{ cm}^2/\text{s}$).
  • Khả năng hấp phụ muối: Khảo sát tại các điện thế $1{,}0\text{ V}$, $1{,}2\text{ V}$, $1{,}4\text{ V}$ và $1{,}6\text{ V}$ cho thấy điện thế tối ưu là $1{,}4\text{ V}$ (ở mức $1{,}6\text{ V}$ xảy ra hiện tượng điện phân nước làm giảm hiệu quả khử mặn). Trong dung dịch NaCl $200\text{ ppm}$ ở thế $1{,}4\text{ V}$, dung lượng hấp phụ muối (SAC) của điện cực $\text{CA/TiO}_2\text{-30}$ đạt $24{,}7 - 24{,}9\text{ mg/g}$, độ dẫn điện giảm nhanh và đạt trạng thái bão hòa sau $50 - 60\text{ phút}$. Khi tăng nồng độ muối từ $200\text{ ppm}$ lên $1200\text{ ppm}$, giá trị SAC và ASAR giảm dần, chứng minh hiệu suất khử mặn tỷ lệ nghịch với nồng độ muối cấp ban đầu.

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Chương 4 đúc kết các kết quả đạt được về quy trình tổng hợp, cấu trúc vật liệu và hiệu năng khử mặn của composite $\text{CA/TiO}_2\text{-30}$. Đồng thời, tác giả đề xuất 2 hướng nghiên cứu tiếp theo: phối trộn $\text{TiO}_2$ với các dạng vật liệu carbon khác (Graphene, CNTs) để so sánh tối ưu hóa và mở rộng khảo sát điện hóa trong các hệ điện giải khác nhau.

Kết quả và đóng góp

Số liệu thực nghiệm tiêu biểu trong văn bản

Thông số / Chỉ tiêu Mẫu đối chứng / Chuẩn Mẫu $\text{TiO}_2$ Mẫu $\text{CA/TiO}_2\text{-30}$
Thẻ chuẩn XRD ICSD-01-089-4921 Anatase tinh khiết Anatase + Carbon
Thông số mạng $a$ ($\text{Å}$) $3{,}7842$ $3{,}8232$ $3{,}7918$
Thông số mạng $c$ ($\text{Å}$) $9{,}25$ $9{,}226$ $9{,}4929$
Thể tích ô mạng $V$ ($\text{Å}^3$) $137{,}73$ $136{,}48$ -
Kích thước tinh thể trung bình - $23{,}0\text{ nm}$ $18{,}5\text{ nm}$
Hệ số khuếch tán ion $D$ ($\text{cm}^2/\text{s}$) - $5{,}52 \times 10^{-15}$ $4{,}73 \times 10^{-14}$
Cửa sổ thế hoạt động ổn định - $0 - 1{,}0\text{ V}$ $0 - 1{,}0\text{ V}$
Điện thế vận hành CDI tối ưu - - $1{,}4\text{ V}$
Dung lượng hấp phụ muối (SAC) $21{,}41\text{ mg/g}$ (Lê Khắc Duyên, 2016)
$17\text{ mg/g}$ (Barakat)
$25{,}3\text{ mg/g}$ (Lưu Thế Anh, 2022)		 - $24{,}7 - 24{,}9\text{ mg/g}$ (trong NaCl $200\text{ ppm}$ tại $1{,}4\text{ V}$)

Đóng góp của đề tài

  • Đóng góp khoa học: Chế tạo thành công vật liệu composite giữa $\text{TiO}_2$ nano pha anatase và carbon aerogel bằng phương pháp sol-gel kết hợp kỹ thuật quét màng Doctor-blade. Chứng minh được sự tích hợp $\text{TiO}_2$ giúp gia tăng hệ số khuếch tán ion lên gần một bậc độ lớn so với $\text{TiO}_2$ đơn thuần và cải thiện đáng kể tính thấm ướt bề mặt của điện cực carbon.
  • Đóng góp thực tiễn: Khẳng định tiềm năng ứng dụng của màng điện cực $\text{CA/TiO}_2\text{-30}$ trong công nghệ khử mặn CDI với dung lượng hấp phụ đạt $24{,}7\text{ mg/g}$, cung cấp dữ liệu thực nghiệm về mối quan hệ giữa nồng độ muối cấp ban đầu ($200 - 1200\text{ ppm}$), điện áp vận hành ($1{,}0 - 1{,}6\text{ V}$) và tốc độ hấp phụ muối trung bình (ASAR).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Quá trình đo phổ tổng trở điện hóa (EIS) ở dải tần số đã chọn chưa thể hiện rõ cung tròn chuyển điện tích của các mẫu, cần mở rộng dải đo sang vùng tần số cao hơn để đánh giá đầy đủ động học chuyển dịch điện tích.
  • Nghiên cứu chỉ mới tập trung khảo sát trên dung dịch muối đơn thành phần (NaCl) pha chế trong phòng thí nghiệm, chưa thử nghiệm trực tiếp trên nguồn nước lợ tự nhiên có sự hiện diện của các ion đa hóa trị ($\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{SO}_4^{2-}$...) và tạp chất hữu cơ.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng nghiên cứu tổng hợp và phối trộn nano $\text{TiO}_2$ với các cấu trúc carbon khác như Graphene và ống nano carbon (CNTs) để so sánh cấu trúc, hình thái, tính chất điện hóa và hiệu suất hấp phụ muối, từ đó tìm ra dạng vật liệu kết hợp tối ưu nhất.
  • Khảo sát độ bền và tính chất điện hóa của hệ điện cực trong các hệ dung dịch điện giải đa dạng nhằm hoàn thiện quy trình chế tạo phục vụ ứng dụng thực tế.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng tham khảo: Sinh viên, học viên cao học, nghiên cứu sinh và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành Hóa học, Công nghệ Vật liệu, Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Hóa học và Công nghệ Năng lượng.
  • Nội dung có giá trị ứng dụng cao:
    • Quy trình chi tiết tổng hợp hạt nano $\text{TiO}_2$ anatase bằng phương pháp sol-gel và kỹ thuật tạo màng điện cực mỏng đồng nhất trên đế graphite bằng Doctor-blade.
    • Phương pháp luận thiết lập hệ đo điện hóa ba điện cực kết hợp đánh giá hiệu năng khử mặn trên mô hình stack HCDI bất đối xứng.
    • Bộ dữ liệu thực nghiệm về các thông số cấu trúc XRD, Raman, TGA và chỉ số động học SAC/ASAR trong công nghệ CDI.

Câu hỏi thường gặp

1. Pha tinh thể của nano TiO2 tổng hợp được trong khóa luận là gì và kích thước hạt đạt bao nhiêu?

Theo kết quả phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) đối chiếu với thẻ chuẩn ICSD-01-089-4921, nano $\text{TiO}_2$ tổng hợp được mang cấu trúc pha anatase đơn pha tinh khiết. Kích thước tinh thể trung bình tính theo công thức Scherrer đạt $23{,}0\text{ nm}$ đối với mẫu $\text{TiO}_2$ thuần và $18{,}5\text{ nm}$ đối với mẫu composite $\text{CA/TiO}_2\text{-30}$. Ảnh SEM cho thấy hạt có dạng hình cầu với kích thước dao động trong khoảng $200 - 700\text{ nm}$.

2. Màng điện cực CA/TiO2-30 được chế tạo bằng kỹ thuật nào và sử dụng chất kết dính gì?

Màng điện cực được tạo thành qua việc phối trộn carbon aerogel, $\text{TiO}_2$, carbon black với hệ keo kết dính PVA 6%/GA (glutaraldehyde) theo tỷ lệ thể tích 95:5. Hỗn dịch sau khi nghiền đồng nhất được quét lên tấm nền graphite ($200 \times 300\text{ mm}$) bằng kỹ thuật Doctor-blade để đạt độ dày màng $150\ \mu\text{m}$, sau đó được sấy chân không ở $120^\circ\text{C}$ trong 10 giờ.

3. Tại sao điện thế 1,4 V được chọn là điện thế vận hành tối ưu cho hệ HCDI?

Qua khảo sát tại các mức điện thế $1{,}0\text{ V}$, $1{,}2\text{ V}$, $1{,}4\text{ V}$ và $1{,}6\text{ V}$, mức $1{,}4\text{ V}$ cho dung lượng hấp phụ muối (SAC) cao nhất. Khi tăng điện thế lên mức $1{,}6\text{ V}$ (vượt quá $1{,}4\text{ V}$), trong tế bào CDI bắt đầu xảy ra phản ứng phụ điện phân nước, quá trình này sinh khí và cản trở trực tiếp sự tiếp xúc, hấp phụ của các ion muối lên bề mặt điện cực, làm suy giảm hiệu suất khử mặn.

4. Dung lượng hấp phụ muối (SAC) của điện cực CA/TiO2-30 đạt giá trị bao nhiêu và biến thiên thế nào theo nồng độ muối?

Trong dung dịch NaCl $200\text{ ppm}$ tại điện thế $1{,}4\text{ V}$ và tốc độ dòng $30\text{ mL/phút}$, điện cực $\text{CA/TiO}_2\text{-30}$ đạt dung lượng hấp phụ muối tối đa là $24{,}7 - 24{,}9\text{ mg/g}$ (quá trình hấp phụ đạt bão hòa sau $50 - 60\text{ phút}$). Khi nồng độ dung dịch muối cấp tăng dần ($400$, $800$, $1000$, $1200\text{ ppm}$), dung lượng hấp phụ muối tối đa và tốc độ hấp phụ trung bình (ASAR) có xu hướng giảm, cho thấy hiệu suất khử mặn của vật liệu tỷ lệ nghịch với nồng độ muối trong dung dịch.

5. Sự kết hợp giữa TiO2 và Carbon Aerogel mang lại cải thiện gì về mặt điện hóa?

Việc phân tán hạt nano $\text{TiO}_2$ lên khung carbon aerogel giúp khắc phục nhược điểm dẫn điện kém của $\text{TiO}_2$ và tận dụng diện tích bề mặt riêng lớn của carbon. Kết quả đo phổ tổng trở điện hóa (EIS) xác nhận hệ số khuếch tán ion của mẫu $\text{CA/TiO}_2\text{-30}$ đạt $4{,}73 \times 10^{-14}\text{ cm}^2/\text{s}$ (tăng gần một bậc độ lớn so với mức $5{,}52 \times 10^{-15}\text{ cm}^2/\text{s}$ của $\text{TiO}_2$), đồng thời tăng tính ưa nước và khả năng bắt giữ ion $\text{Na}^+$ thông qua các phản ứng Faradaic bề mặt.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp đã nghiên cứu và chế tạo thành công vật liệu composite $\text{CA/TiO}_2\text{-30}$ kích thước nano bằng phương pháp sol-gel kết hợp kỹ thuật tạo màng Doctor-blade trên đế graphite. Kết quả phân tích hóa lý và điện hóa khẳng định sự hiện diện của pha $\text{TiO}_2$ anatase phân tán đồng đều trên nền carbon aerogel, giúp tăng cường hệ số khuếch tán ion lên $4{,}73 \times 10^{-14}\text{ cm}^2/\text{s}$ và duy trì hoạt động ổn định trong vùng thế $0 - 1{,}0\text{ V}$. Trong thử nghiệm khử mặn với hệ HCDI bất đối xứng, màng điện cực $\text{CA/TiO}_2\text{-30}$ đạt dung lượng hấp phụ muối $24{,}7\text{ mg/g}$ tại điện thế tối ưu $1{,}4\text{ V}$ trong dung dịch NaCl $200\text{ ppm}$, chứng minh tiềm năng ứng dụng thực tiễn trong công nghệ xử lý nước lợ tại các vùng xâm nhập mặn.