Tổng hợp và khảo sát đặc tính điện hóa của vật liệu oxit mangan chứa kim loại chuyển tiếp Fe, Co, Ni

Tài liệu nghiên cứu 0118 tổng hợp và khảo sát đặc tính điện hóa của vật liệu oxit mangan có chứa kim loại chuyển tiếp, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Nguyễn Thị Lan Anh
• Người hướng dẫn: PGS. Mai Thanh Tùng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Đặc Tính Điện Hóa Của Vật Liệu Oxit Mangan Chứa Fe, Co, Ni Trong Siêu Tụ
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. TỔNG QUAN
• 2.1. Giới thiệu về siêu tụ
• 2.2. Lịch sử phát triển
• 2.3. So sánh siêu tụ và nguồn điện hoá học
• 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Hoá chất, dụng cụ và thiết bị thí nghiệm
• 3.2. Tổng hợp vật liệu oxit hỗn hợp Mn1-xMexOz (Me = Fe, Co, Ni) theo phương pháp điện hoá
• 3.3. Tổng hợp vật liệu oxit hỗn hợp Mn1-xMexOz (Me = Fe, Co, Ni) theo phương pháp sol-gel
• 3.4. Các phương pháp nghiên cứu
• 3.4.1. Các phương pháp phân tích vật lý và hoá học
• 3.4.2. Các phương pháp nghiên cứu tính chất điện hoá
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Vật liệu oxit hỗn hợp Mn1-xMexOz (Me = Fe, Co, Ni) tổng hợp theo phương pháp điện hoá
• 4.1.1. Đường cong phân cực
• 4.1.2. Đường cong dòng tĩnh
• 4.1.3. Hình thái bề mặt của vật liệu
• 4.1.4. Cấu trúc vật liệu
• 4.1.5. Phân tích thành phần hoá học
• 4.1.6. Hoạt tính điện hoá và đặc trưng siêu tụ
• 4.2. Vật liệu oxit hỗn hợp Mn1-xMexOz (Me = Fe, Co, Ni) tổng hợp theo phương pháp sol-gel
• 4.2.1. Ảnh hưởng của thành phần kim loại chuyển tiếp Fe, Co, Ni
• 4.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung
• 4.2.3. Độ bền phóng nạp
• 4.3. Giải thích sự hình thành và cơ chế siêu tụ của vật liệu oxit hỗn hợp mangan – kim loại chuyển tiếp Me (Fe, Co, Ni)
• 4.4. Tổng hợp kết quả thực nghiệm
• 4.5. Giải thích quá trình hình thành vật liệu
• 4.6. Đề xuất giải thích cơ chế phóng nạp của vật liệu oxit hỗn hợp mangan – kim loại chuyển tiếp Me (Fe, Co, Ni)
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu đặc tính điện hóa của vật liệu oxit mangan

Nghiên cứu về vật liệu oxit mangan chứa kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học. Những vật liệu này có tiềm năng lớn trong ứng dụng siêu tụ điện, nhờ vào khả năng tích trữ năng lượng cao và hiệu suất điện hóa tốt. Việc hiểu rõ về đặc tính điện hóa của các vật liệu này là rất quan trọng để phát triển các nguồn năng lượng mới và bền vững.

1.1. Đặc điểm của vật liệu oxit mangan trong siêu tụ

Vật liệu oxit mangan có khả năng dẫn điện tốt và tính chất điện hóa ổn định. Chúng thường được sử dụng làm điện cực trong siêu tụ nhờ vào dung lượng cao và khả năng phóng nạp nhanh. Việc pha trộn các kim loại như Fe, Co, Ni có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của vật liệu này.

1.2. Lịch sử nghiên cứu vật liệu oxit mangan

Nghiên cứu về vật liệu oxit mangan đã bắt đầu từ những năm 1950, nhưng chỉ gần đây mới được chú ý nhiều hơn nhờ vào sự phát triển của công nghệ nano. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng việc pha trộn các kim loại chuyển tiếp có thể nâng cao tính chất điện hóa của vật liệu.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu vật liệu oxit mangan

Mặc dù vật liệu oxit mangan có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc cải thiện hiệu suất và độ bền của chúng. Các vấn đề như dung lượng thấp và tuổi thọ ngắn của siêu tụ điện vẫn cần được giải quyết. Việc nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất điện hóa là rất cần thiết.

2.1. Dung lượng và tuổi thọ của siêu tụ điện

Dung lượng của siêu tụ điện phụ thuộc vào cấu trúc và thành phần của vật liệu. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc pha trộn kim loại chuyển tiếp có thể cải thiện dung lượng, nhưng cũng có thể ảnh hưởng đến tuổi thọ của siêu tụ.

2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất điện hóa

Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính chất điện hóa của vật liệu oxit mangan. Nghiên cứu cho thấy rằng nhiệt độ xử lý mẫu có thể làm thay đổi cấu trúc và tính chất điện hóa, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất của siêu tụ.

III. Phương pháp tổng hợp vật liệu oxit mangan chứa Fe Co Ni

Có nhiều phương pháp tổng hợp vật liệu oxit mangan chứa kim loại chuyển tiếp, trong đó phương pháp điện hóa và sol-gel là hai phương pháp phổ biến nhất. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến tính chất cuối cùng của vật liệu.

3.1. Phương pháp điện hóa trong tổng hợp vật liệu

Phương pháp điện hóa cho phép kiểm soát tốt hơn các điều kiện tổng hợp, từ đó tạo ra vật liệu với tính chất điện hóa tốt hơn. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc điều chỉnh các thông số điện hóa có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của vật liệu.

3.2. Phương pháp sol gel trong tổng hợp vật liệu

Phương pháp sol-gel là một kỹ thuật hiệu quả để tổng hợp vật liệu oxit mangan với cấu trúc đồng nhất. Phương pháp này cho phép tạo ra các vật liệu với kích thước nano, từ đó nâng cao tính chất điện hóa của chúng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu oxit mangan trong siêu tụ

Vật liệu oxit mangan chứa kim loại chuyển tiếp đang được nghiên cứu để ứng dụng trong siêu tụ điện. Những ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của siêu tụ mà còn mở ra hướng đi mới cho các nguồn năng lượng bền vững.

4.1. Hiệu suất siêu tụ điện với vật liệu oxit mangan

Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng vật liệu oxit mangan chứa Fe, Co, Ni có thể nâng cao hiệu suất siêu tụ điện. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng dung lượng và tốc độ phóng nạp của siêu tụ điện được cải thiện đáng kể.

4.2. Tính bền vững và thân thiện với môi trường

Vật liệu oxit mangan không chỉ có hiệu suất cao mà còn thân thiện với môi trường. Việc sử dụng các nguyên liệu rẻ và dễ kiếm giúp giảm chi phí sản xuất và tác động đến môi trường.

V. Kết luận và tương lai của nghiên cứu vật liệu oxit mangan

Nghiên cứu về vật liệu oxit mangan chứa kim loại chuyển tiếp đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực năng lượng. Tương lai của các siêu tụ điện sẽ phụ thuộc vào việc cải thiện tính chất điện hóa của các vật liệu này.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa các phương pháp tổng hợp và điều kiện xử lý để nâng cao hiệu suất của vật liệu. Việc nghiên cứu sâu hơn về cơ chế hoạt động của vật liệu cũng rất cần thiết.

5.2. Tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp

Với những ưu điểm vượt trội, vật liệu oxit mangan có thể được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực công nghiệp như điện tử, ô tô và năng lượng tái tạo. Điều này mở ra nhiều cơ hội cho các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ LAN ANH TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH ĐIỆN HOÁ CŨA VẬT LIỆU OXIT MANGAN CÓ CHỨA KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP Fe, Co, Ni ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG SIÊU TỤ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HOÁ HỌC Hà Nội - 2015 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ LAN ANH TỔNG HỢP VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH ĐIỆN HOÁ CŨA VẬT LIỆU OXIT MANGAN CÓ CHỨA KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP Fe, Co, Ni ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG SIÊU TỤ Chuyên ngành: Kỹ thuật Hoá học Mã số: 62520301 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HOÁ HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. MAI THANH TÙNG HàiiNội - 2015 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới PGS. M i Th nh T ng, người thầy đã định hướng cho tôi trong tư duy kho học, tận tình chỉ bảo và tạo rất nhiều thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong môn ông nghệ điện hoá và Bảo vệ kim loại, đã c nhiều gi p đ và đ ng g p kiến cho tôi trong học tập, nghiên c u đ hoàn thành luận án.

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô trong Viện K thuật Hoá học, Viện S u đại học – Trường ại học ách kho Hà N i và Ban lãnh đạo Trường ại học ông nghiệp Việt Trì, đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành và bảo vệ luận án. uối c ng, tôi xin g i lời cảm ơn đến gi đình, người thân và bạn b củ tôi, những người đã luôn mong mỏi, đ ng viên và tiếp s c cho tôi thêm nghị lực đ hoàn thành bản luận án này. n y t n năm 2015 Tác giả Nguy n Thị Lan Anh iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin c m đo n đây là công trình nghiên c u củ riêng tôi dưới sự hướng dẫn củ PGS. M i Th nh T ng.

ác số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chư t ng được i công bố trong bất k công trình nào khác. Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận án PGS. M i Th nh T ng Nguy n Thị L n nh iv MỤC LỤC L I CÃM QN.iv MỤC LỤC.v DANH MỤC CÁC KÝ HI U VÀ CHŨ VIET TAT.vii DANH MỤC CÁC BÃNG.ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ÐO TH±. Giới thi u ve siêu tụ.

Lịch s phát tri n. So sánh siêu tụ và nguồn điện hoá học. ơ chế tích điện trong siêu tụ. Phân loại siêu tụ.

Vật liệu điện cực cho siêu tụ. V t li u oxit mangan dùng cho siêu tụ. c đi m củ m ng n đioxit. Oxit mangan – kim loại chuy n tiếp ng dụng trong siêu tụ.

ác phương pháp t ng hợp oxit mangan – kim loại chuy n tiếp. TH C NGHI M VÀ CÁC HƯQNG HÁ NGHI N C U. Hoá chất, dụng cụ và thiết bị thí nghiệm. T ng hợp vật liệu oxit h n hợp Mn1-xMexOz (Me = Fe, Co, Ni) theo phương pháp điện hoá.

T ng hợp vật liệu oxit h n hợp Mn1-xMexOz (Me = Fe, Co, Ni) theo phương pháp sol-gel. Các phvơng pháp nghiên cúu. ác phương pháp phân tích vật l và hoá học. ác phương pháp nghiên c u tính chất điện hoá.

KET QUÃ VÀ THÃO LU N. V t li u oxit hőn hợp Mn1-xMexOz (Me = Fe, Co, Ni) tong hợp theo phvơng pháp đi n hoá. ường cong phân cực. ường cong dòng t nh.

Hình thái bề m t củ vật liệu. ấu tr c vật liệu. Phân tích thành phần hoá học. Hoạt tính điện hoá và đ c trưng siêu tụ.

V t li u oxit hőn hợp Mn1-xMexOz (Me = Fe, Co, Ni) tong hợp theo phvơng pháp sol-gel. Ảnh hưởng củ thành phần kim loại chuy n tiếp Fe, Co, Ni. Ảnh hưởng củ nhiệt đ nung. bền ph ng nạp.

Giãi thích sụ hình thành và cơ che siêu tụ cũa v t li u oxit hőn hợp mangan – kim loại chuyen tiep Me (Fe, Co, Ni). T ng hợp kết quả thực nghiệm. Giải thích quá trình hình thành vật liệu. ề xuất giải thích cơ chế ph ng nạp củ vật liệu oxit h n hợp m ng n – kim loại chuy n tiếp Me (Fe, Co, Ni).100 TÀI LI U THAM KHÃO.

101 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ÐÃ CÔNG BO CŨA LU N ÁN.111 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hi u C Dung lượng Cdl iện dung lớp kép Dc Dòng m t chiều dhkl,Å Khoảng cách giữa hai m t tinh th i Mật đ dòng tn Thời gian nạp tp Thời gian ph ng V/SCE Vôn so với thế điện cực calomen bão hòa Các chũ viet tat AC Axit citric C+ Cation CNT Cacbon nano ống (carbon nanotube) CP Thế quét theo thời gian ở dòng không đ i (Chronopotentiometry) CV Thế quét tuần hoàn (Cyclic Voltametry) DSC Nhiệt lượng quét vi sai (Differential Scanning Calorimetry) EDTA Axit etylen điamin tetra axetic EDS Ph tán xạ n ng lượng tia X ( nergy Dispersive X-Ray Spectroscopy) EIS T ng trở điện hoá ( lectrochemical Impedance Spectroscopy) EMD Mangan đioxit điện giải IHP M t ph ng Helmholtz trong (Inter Helmholtz Plane) Me Kim loại chuy n tiếp MD Mangan đioxit OHP M t ph ng Helmholtz ngoài (Outer Helmholtz Plane) PEG Poli etylen glycol vi Q Ðiện lượng SCE Ðiện cực calomen (Saturated Calomel Electrode) SEM Hien vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy) TGA Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermal Gravimetry Microscopy) XRD Nhi u xạ tia X (X-Ray Diffraction) vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1. So sánh các thông số đ c trưng của tụ điện, siêu tụ và ắc quy. M t số hợp chất và cấu hình quan trọng của các khoáng MD. Cấu tr c tinh the m t số dạng khử của MD.

M t số kết quả nghiên c u về vật liệu mangan đioxit ng dụng trong siêu tụ. H a chất thí nghiệm. Thành phần dung dịch điện phân. Thành phần của dung dịch tong hợp sol-gel.

Thành phần nguyên tố của oxit MnOz và oxit h n hợp Mn1-xMexOz. Dung lượng riêng của vật liệu Mn1-xMexOz tong hợp theo phương pháp điện hoá (v = 25 mV/s). Sự phụ thu c của dung lượng riêng vào số chu k quét thế. Kết quả fit mạch của oxit MnOz và các Mn1-xMexOz tong hợp t dung dịch [Mn2+]:[Me n+] = 1:1 trong dung dịch KCl 2M.

Dung lượng của vật liệu oxit Mn1-xMexOz tong hợp theo phương pháp sol-gel. Kết quả fit mạch của các oxit Mn1-xMexOz với thành phần Me (Fe, Co, Ni) thay đoi trong dung dịch KCl 2M. Dung lượng riêng của vật liệu MnOz và Mn1-xMexOz nung ở nhiệt đ khác nhau. Kết quả fit mạch của các oxit Mn1-xMexOz (10% Me) nung ở các nhiệt đ khác nhau trong dung dịch KCl 2M.

Kết quả fit mạch của oxit Mn1-xMexOz (10% Me) trong dung dịch KCl 2M. Kết quả phân tích vật liệu MnOz và Mn1-xMexOz tong hợp theo phương pháp điện hoá. Kết quả phân tích vật liệu MnOz và Mn1-xMexOz tong hợp theo phương pháp sol-gel. 95 ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.

So sánh mật đ tích trữ điện và thời gian phóng của m t số nguồn điện. Ðường phóng - nạp điện của tụ điện lý tưởng và ắc quy lý tưởng. Ðồ thị bieu di n quan hệ giữa điện thế, mật đ dòng và thời gian trong quá trình quét thế vòng tuần hoàn của vật liệu làm tụ điện. Sơ đồ nguyên lý mô tả cơ chế tích điện của tụ điện lớp kép và phân bố điện thế tại bề m t phân chia của dung dịch điện ly/điện cực.

Mô hình lớp điện tích kép và sự thay đoi điện thế theo khoảng cách. Cấu tạo của siêu tụ điện lớp kép làm t vật liệu cacbon hoạt tính. Ảnh hưởng của đường kính lo xốp đến dung lượng riêng của vật liệu than hoạt tính. Vật liệu nano compozit hệ Ni(OH)2/CNT.

Ðường cong quét thế của vật liệu RuO2. Ðường cong quét thế của vật liệu Co3O4. Ðường cong quét thế của vật liệu NiO. Ðường cong quét thế của vật liệu MnO2.

Cấu tr c của m t số polyme dẫn điện. Dung lượng của m t số loại vật liệu điện cực ứng dụng trong siêu tụ. Nhóm MD có cấu tr c đường hầm. Nhóm MD có cấu tr c lớp.

M t số dạng cấu tr c tinh the MnOOH. Cấu tr c tinh the của Mn3O4. Vật liệu mangan đioxit pha tạp Ni, Co. Vật liệu mangan đioxit pha tạp Mo.

Vật liệu mangan đioxit pha tạp Fe. Sơ đồ kỹ thuật sol-gel trong tong hợp vật liệu điện cực. Sơ đồ hệ điện phân tong hợp vật liệu. Kỹ thuật phủ quay (spin-coating).

Ðồ thị biến thiên điện thế theo thời gian quét. Mạch điện tương đương của bình đo điện hoá. Sơ đồ bieu di n tong trở trên m t ph ng phức. Ðường cong phân cực trong các dung dịch tong hợp vật liệu:.

Ðường cong E-t trong quá trình tong hợp vật liệu:. Ảnh SEM của liệu vật liệu Mn1-xMexOz tong hợp trong các dung dịch khác nhau: (a)- [Mn2+] : [Men+] = 1:0; (b)- [Mn2+] : [Fe3+] = 1:1; (c)- [Mn2+] : [Co2+] = 1:1; 48 Hình 3. Giản đồ XRD của vật liệu MnOz và Mn1-xMexOz sau khi sấy ở 100oC:. Pho EDS của các oxit hon hợp thu được từ các dung dịch điện phân khác nhau: (a)- [Mn2+]:[Men+] = 1:0; (b)- [Mn2+]:[ Fe3+] = 1:1; (c)- [Mn2+]:[Co2+] = 1:1; (d)- [Mn2+]: [Ni2+] = 1:1.

Ðường cong CV của vật liệu Mn1-xMexOz. Ảnh hưởng của tốc đ quét đến dung lượng riêng của vật liệu Mn1-xFexOz. Ảnh hưởng của tốc đ quét đến dung lượng riêng của vật liệu Mn1-xCoxOz. Ảnh hưởng của tốc đ quét đến dung lượng riêng của vật liệu Mn1-xNixOz.

Sự thay đoi dung lượng riêng theo chu ky của vật liệu Mn1-xMexOz. Sơ đồ mạch tương đương. Pho tong trở của vật liệu MnOz và Mn1-xMexOz (đường nét đứt: số liệu thực nghiệm; đường nét liền: số liệu fit mạch). Ảnh SEM của vật liệu MnOz.

Ảnh SEM của vật liệu Mn1-xFexOz. Ảnh SEM của vật liệu Mn1-xCoxOz. Ảnh SEM của vật liệu Mn1-xNixOz. Giản đồ XRD của vật liệu MnOz.

Giản đồ XRD của vật liệu Mn1-xFexOz. Giản đồ XRD của vật liệu Mn1-xCoxOz. Giản đồ XRD của vật liệu Mn1-xNixOz. Ðường cong CV của vật liệu MnOz và Mn1-xMexOz ở điện thế quét khác nhau 66 xi Hình 3.

Ðường cong CV của vật liệu MnOz và Mn1-xMexOz ở tốc đ quét thế khác nhau. Ảnh hưởng của tốc đ quét thế tới dung lượng riêng của vật liệu Mn1-xMexOz 68 Hình 3. Ðường cong CV của vật liệu Mn1-xFexOz. Ðường cong CV của vật liệu Mn1-xCoxOz.

Ðường cong CV của vật liệu Mn1-xNixOz. Ảnh hưởng của hàm lượng Me tới dung lượng riêng của vật liệu Mn1-xMexOz 70 Hình 3. Pho tong trở của vật liệu MnOz (đường nét đứt: số liệu thực nghiệm; đường nét liền: số liệu fit mạch).