Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Khủng hoảng năng lượng năm 2022 đã làm giá nhiên liệu hóa thạch gia tăng, thúc đẩy xu hướng chuyển dịch mạnh mẽ sang các nguồn năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, các nguồn năng lượng tái tạo (như năng lượng mặt trời, năng lượng gió) có nhược điểm cố hữu là thiếu tính ổn định, phụ thuộc chặt chẽ vào điều kiện tự nhiên và gặp khó khăn trong quá trình truyền tải. Do đó, việc thiết lập các hệ thống lưu trữ điện năng hiệu suất cao nhằm bảo đảm tính liên tục và ổn định của mạng lưới năng lượng tái tạo là một đòi hỏi cấp thiết.
Trong số các thiết bị lưu trữ năng lượng hiện nay, siêu tụ điện (Supercapacitors - Sc) nổi lên như một giải pháp công nghệ nhờ vào khả năng nạp/xả nhanh chóng, mật độ công suất cao, tuổi thọ chu kỳ dài, độ an toàn cao và thân thiện với môi trường. Tuy vậy, hiệu suất điện hóa cũng như tuổi thọ hoạt động của siêu tụ điện chịu sự chi phối quyết định bởi loại và cấu trúc vật liệu chế tạo điện cực. Polyaniline (PANI) là một polymer dẫn điện thu hút nhiều sự quan tâm nhờ chi phí thấp, thân thiện môi trường, dễ tổng hợp ở quy mô lớn, có độ dẫn điện và điện dung riêng lý thuyết cao (từ 500 đến 1000 F/g nhờ các phản ứng oxy hóa khử Faradaic giả tụ điện). Dù vậy, PANI thuần có độ bền chu kỳ kém, chỉ duy trì được khoảng 80% khả năng tích trữ sau 1000 chu kỳ nạp/xả do sự co giãn cơ học của khung polymer trong quá trình pha tạp và giải phóng ion.
Để khắc phục nhược điểm trên, giải pháp kết hợp PANI với vật liệu kim loại nano có độ dẫn cao đã được đặt ra. Sợi nano bạc (Silver Nanowires - AgNWs) là vật liệu một chiều có độ dẫn điện kim loại cao, độ bền cơ học tốt, diện tích bề mặt lớn và tỉ lệ khung hình (aspect ratio) vượt trội. Sự kết hợp giữa lõi sợi nano bạc dẫn điện và lớp vỏ polyaniline kích thước nano giúp tạo ra hệ vật liệu lai có khả năng dẫn truyền điện tử trực tiếp, tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với chất điện phân và nâng cao độ bền chu kỳ của điện cực.
Mục tiêu nghiên cứu:
- Xây dựng quy trình tổng hợp vật liệu có cấu trúc lõi - vỏ từ sợi nano bạc và polyaniline.
- Xác định hình thái và cấu trúc của vật liệu bằng các phương pháp phân tích hiện đại.
- Đánh giá hiệu suất điện hóa của vật liệu bằng các phương pháp phân tích điện hóa.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu cấu trúc lõi - vỏ trên cơ sở sợi nano bạc và polyaniline (PANI@C@AgNWs) cùng các vật liệu trung gian (AgNWs, C@AgNWs, PANI@AgNWs).
- Phạm vi không gian: Phòng thí nghiệm B315, khu B, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
- Phạm vi thời gian: Khóa luận được giao thực hiện từ ngày 15/10/2023 và hoàn thành vào ngày 20/07/2024.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm
Khung lý thuyết và mô hình nghiên cứu
- Cơ chế hoạt động của siêu tụ điện: Nghiên cứu dựa trên hai cơ chế lưu trữ điện tích cơ bản là tụ điện hai lớp điện hóa (EDLC) tích trữ điện tích tĩnh điện phi Faradaic tại bề mặt tiếp xúc điện cực - chất điện phân, và giả tụ điện (Pseudocapacitor - PC) tích trữ năng lượng thông qua các phản ứng oxy hóa - khử Faradaic thuận nghịch diễn ra nhanh tại hoặc gần bề mặt điện cực.
- Cấu trúc và cơ chế dẫn điện của Polyaniline: PANI sở hữu chuỗi liên kết π liên hợp dọc mạch phân tử. PANI tồn tại ở nhiều trạng thái oxy hóa: Leucoemeraldine (LE, khử hoàn toàn, không dẫn điện), Pernigraniline (PE, oxy hóa hoàn toàn, không dẫn điện), Emeraldine Base (EB, trung gian, không dẫn điện) và Emeraldine Salt (ES, trạng thái dẫn điện tạo ra khi EB được pha tạp acid). Việc pha tạp bằng acid HCl tạo ra các khuyết tật điện tích (polaron/bipolaron), làm tăng độ dẫn điện của lớp vỏ polymer.
- Đặc tính sợi nano bạc (AgNWs): Cấu trúc nano kim loại 1D có đường kính từ 10 đến 200 nm, chiều dài từ 5 đến 100 µm, tỉ lệ khung hình lớn hơn 10, đóng vai trò mạng lưới dẫn điện trung tâm giúp giải tỏa điện tích tức thời.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Phương pháp tổng hợp hóa học:
- Tổng hợp lõi AgNWs: Áp dụng phương pháp polyol (nhóm khuôn mềm), dùng ethylene glycol (EG) đóng vai trò chất khử kiêm dung môi, polyvinylpyrrolidone (PVP) làm chất định hướng phát triển sợi và muối sắt (FeCl3) kiểm soát quá trình tạo mầm Ag.
- Tổng hợp lớp đệm carbon (C@AgNWs): Sử dụng D-glucose thủy nhiệt/gia nhiệt dung dịch trong ethylene glycol ở 200 °C để bọc một lớp carbon bảo vệ lên bề mặt AgNWs.
- Tổng hợp lớp vỏ polyaniline (PANI@C@AgNWs): Sử dụng phương pháp trùng hợp oxy hóa hóa học dung dịch ở nhiệt độ thấp (0–5 °C), sử dụng monomer aniline, chất oxy hóa ammonium persulfate (APS) và môi trường acid HCl 1 M.
- Phương pháp chế tạo điện cực làm việc: Áp dụng kỹ thuật quét gạt (Doctor-blade) hỗn hợp gồm vật liệu tổng hợp PANI@C@AgNWs, carbon dẫn điện và chất kết dính Polyvinylidene Difluoride (PVDF hòa tan trong dung môi N-Methyl-2-pyrrolidone - NMP) theo tỉ lệ khối lượng 75:15:10 lên tấm nền graphite, sau đó sấy chân không ở 80 °C trong 12 giờ.
- Phương pháp phân tích hình thái và cấu trúc:
- Kính hiển vi điện tử quét (SEM) nhằm quan sát hình thái và xác định kích thước sợi thông qua phần mềm xử lý ảnh ImageJ.
- Nhiễu xạ tia X (XRD) khảo sát cấu trúc mạng tinh thể và pha của vật liệu dựa trên định luật Bragg.
- Quang phổ quang điện tử tia X (XPS) xác định thành phần nguyên tố, mức năng lượng liên kết và trạng thái hóa học của các orbital Ag 3d, C 1s, N 1s.
- Phương pháp phân tích điện hóa:
- Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (Cyclic Voltammetry - CV) đánh giá tính chất oxy hóa khử, vùng thế hoạt động và cơ chế động học điện tích (đóng góp điện dung bề mặt và khuếch tán ion) ở các tốc độ quét từ 5 đến 100 mV/s.
- Phương pháp phóng/nạp dòng cố định (Galvanostatic Charge-Discharge - GCD) trên mô hình pin hai điện cực Swagelok ở mật độ dòng 0.5 A/g đến 4 A/g để tính toán điện dung riêng và đánh giá độ suy giảm điện dung.
- Phổ tổng trở điện hóa (Electrochemical Impedance Spectroscopy - EIS) ghi nhận biểu đồ Nyquist để xác định điện trở chuyển điện tích (Rct) và động học chuyển dời electron.
Nguồn hóa chất và thiết bị thực nghiệm
| STT | Tên hóa chất | Độ tinh khiết | Xuất xứ / Nhà sản xuất |
|---|---|---|---|
| 1 | Poly(vinylpyrrolidone) (C6H9NO)n | 95% | Xilong, Trung Quốc |
| 2 | Bạc(I) Nitrate (AgNO3) | 99% | Xilong, Trung Quốc |
| 3 | Ethylene glycol (C2H6O2) | 99% | Xilong, Trung Quốc |
| 4 | Sắt(III) Clorua (FeCl3) | 99% | Xilong, Trung Quốc |
| 5 | D-Glucose (C6H12O6) | 99% | Xilong, Trung Quốc |
| 6 | Aniline (C6H7N) | 99% | Sigma-Aldrich, Mỹ |
| 7 | Acid hydrochloric (HCl) | 99% | Xilong, Trung Quốc |
| 8 | Ammonium persulfate ((NH4)2S2O8) | 99% | Xilong, Trung Quốc |
| 9 | Nước cất | - | Phòng thí nghiệm B315 |
| 10 | Conductive carbon | 99% | Fisher, Mỹ |
| 11 | Polyvinylidene Difluoride (PVDF) | 99% | Fisher, Mỹ |
| 12 | N-Methyl-2-pyrrolidone (NMP) | 99% | Fisher, Mỹ |
| Tên thiết bị | Dòng máy / Model | Xuất xứ |
|---|---|---|
| Cân phân tích 4 số | LS 320A | Precisa, Thụy Sĩ |
| Cân kỹ thuật 2 số | LS 320A | Precisa, Thụy Sĩ |
| Tủ sấy | UF 110 | Memmert, Đức |
| Máy khuấy từ gia nhiệt | IKA C-MAG HS7 | Đức |
| Máy ly tâm | Hermle Z326 | Đức |
| Máy siêu âm | Elmasonic S 300H | Đức |
| Máy đo nhiễu xạ tia X (XRD) | Bruker D8 Advance | Bruker, Đức |
| Máy quang phổ quang điện tử tia X (XPS) | Phi 5000 Versaprobe II | ULVAC-PHI, Nhật Bản/Mỹ |
| Kính hiển vi điện tử quét (SEM) | Hitachi S-4800 HI-9039-0006 | Hitachi, Nhật Bản |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Tổng quan
- Tổng quan về sợi nano bạc (AgNWs): Bạc (Ag) thuộc ô 47, chu kỳ 5, nhóm IB trong bảng tuần hoàn hóa học, có cấu hình electron 4d105s1, là kim loại có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao nhất. Cấu trúc nano bạc bao gồm nhiều hình dạng khác nhau (spheres, cubes, right bipyramids, rods, wires,...). Trong đó, AgNWs có đường kính từ 10–200 nm, độ dài 5–100 µm và tỉ lệ khung hình lớn hơn 10. AgNWs được tổng hợp bằng phương pháp khuôn cứng hoặc khuôn mềm (polyol). Nhờ độ dẫn điện cao và khả năng truyền qua ánh sáng, AgNWs được ứng dụng trong màng dẫn điện trong suốt (TCF), màn hình cảm ứng, OLED, pin mặt trời và siêu tụ điện.
- Tổng quan về Polyaniline (PANI): PANI là polymer dẫn điện sở hữu mạch liên hợp π, tồn tại ở các trạng thái oxi hóa LE, PE, EB và ES. Trạng thái Emeraldine Salt (ES) dẫn điện tốt nhất khi được pha tạp acid. PANI có điện dung riêng dao động từ 500–1000 F/g, tuy nhiên có nhược điểm về độ ổn định cơ học và độ bền chu kỳ. PANI có thể được tổng hợp bằng phản ứng trùng hợp tạo mầm (seeding polymerization), trùng hợp dung dịch loãng hoặc trùng hợp điện hóa.
- Tổng quan về siêu tụ điện (Sc): Siêu tụ điện gồm 5 thành phần chính: điện cực, chất điện phân, màng ngăn (lớp điện môi), bộ thu dòng và vỏ bảo vệ. Thiết bị được phân loại thành EDLC (lưu trữ tĩnh điện lớp kép) và PC (lưu trữ giả tụ điện qua phản ứng Faradaic). Sc có mật độ công suất từ 1000 đến 10000 W/kg, thời gian nạp/xả nhanh trong vài giây/phút, tuổi thọ chu kỳ lớn, hiệu suất năng lượng trên 90% và làm việc được trong dải nhiệt độ rộng từ -40 °C đến +65 °C.
- Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước: Tác giả dẫn chứng các nghiên cứu tiêu biểu: nghiên cứu trong nước của Hoàng Thị Thu (chế tạo AgNWs bằng polyol làm điện cực trong suốt), Chu Văn Tuấn (chế tạo PANI/MWCNTs/MnO2 cho cảm biến sinh học), Đỗ Hữu Quyết (tổng hợp PANI trên nền sợi carbon cho siêu tụ điện đạt 6.5 F/cm2, 1.35 Wh/kg); và nghiên cứu quốc tế của Hengyue Li và cộng sự (than hoạt tính kết hợp 4% AgNWs đạt điện dung 215 F/g, duy trì 75% sau 5000 chu kỳ ở 10 A/g), Dangge Gao và cộng sự (PANI/AgNWs/sợi bông đạt 154 F/g, giữ 96% sau 5000 chu kỳ).
- Các phương pháp phân tích đánh giá: Trình bày cơ sở nguyên lý của SEM (quét chùm electron hội tụ), XRD (nhiễu xạ Bragg), XPS (hiệu ứng quang điện xác định năng lượng liên kết BE = hν - KE - Φ), CV (quét tuyến tính thế vòng tuần hoàn xác định động học phản ứng), GCD (nạp/xả dòng không đổi) và EIS (đáp ứng trở kháng xoay chiều).
Chương 2. Phương pháp thực nghiệm
- Quy trình tổng hợp AgNWs: Hòa tan 0.163 g PVP vào 22 mL ethylene glycol trong cốc 100 mL, gia nhiệt đến 140 °C và khuấy từ liên tục. Thêm nhanh hỗn hợp gồm 2.5 mL FeCl3 (nồng độ 600 µM trong EG) và 0.18 g AgNO3 (hòa tan trong 3 mL EG) trong thời gian 1 phút. Duy trì khuấy và gia nhiệt ở 140 °C trong 50 phút. Làm nguội mẫu về nhiệt độ phòng, ly tâm ở tốc độ 9500 vòng/phút (rpm) trong 10 phút, rửa 3 lần bằng nước cất và 1 lần bằng cồn, sau đó phân tán trong 10 mL nước cất bằng siêu âm.
- Quy trình tổng hợp C@AgNWs: Cho 7 g D-glucose, toàn bộ AgNWs đã chế tạo và 30 mL EG vào cốc 100 mL, nâng nhiệt độ lên 200 °C và khuấy liên tục trong 60 phút. Sau phản ứng, làm nguội mẫu, ly tâm ở 9500 rpm trong 10 phút, rửa 3 lần bằng nước cất, 1 lần bằng cồn và siêu âm phân tán lại trong 10 mL nước cất.
- Quy trình tổng hợp PANI@C@AgNWs: Hòa tan 92 µL aniline vào 300 mL dung dịch HCl 1 M trong cốc 500 mL, làm lạnh trong chậu nước đá để đạt 0–5 °C. Cho huyền phù C@AgNWs vào và khuấy từ trong 15 phút. Tiếp tục cho dung dịch chứa 0.2282 g APS hòa tan trong 20 mL HCl vào hỗn hợp, khuấy tiếp trong 1 giờ. Bảo quản hỗn hợp ở nhiệt độ 0–5 °C trong 24 giờ để ổn định phản ứng trùng hợp. Lọc chân không thu kết tủa màu xanh đậm và rửa sạch bằng cồn.
- Chế tạo điện cực làm việc: Trộn và nghiền mịn hỗn hợp gồm PANI@C@AgNWs, carbon dẫn điện và dung dịch PVDF (pha trong NMP với nồng độ 80 mg/mL) theo tỉ lệ khối lượng 75:15:10 (tổng khối lượng tối thiểu 200 mg) cùng 100 µL dung môi NMP. Hỗn hợp đồng nhất được cán gạt theo phương pháp Doctor-blade lên bề mặt tấm graphite, sau đó sấy chân không ở 80 °C trong 12 giờ.
- Đo đạc đặc tính: Chuẩn bị mẫu SEM phân tán cồn trên carbon tape; thiết lập hệ đo điện hóa CV trên hệ ba điện cực; thiết lập phép đo phóng nạp GCD và phổ EIS trên mô hình pin hai điện cực Swagelok.
Chương 3. Kết quả và bàn luận
- Khảo sát hình thái và cấu trúc:
- Ảnh SEM cho thấy AgNWs phân bố dạng sợi mạng lưới. Sau khi bọc carbon và polyaniline, vật liệu composite PANI@C@AgNWs có cấu trúc dạng sợi đồng nhất với đường kính đo được là 181.81 nm. Lớp vỏ PANI kích thước nano bọc quanh sợi bạc tạo diện tích bề mặt riêng lớn.
- Phổ XRD và XPS: Kết quả nhiễu xạ tia X ghi nhận các đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của mạng tinh thể bạc; phổ XPS vùng năng lượng liên kết của orbital Ag 3d ghi nhận các peak đặc trưng của Ag0 và AgxO; phổ C 1s và N 1s xác nhận sự hiện diện của khung liên kết polymer PANI dạng muối dẫn điện Emeraldine Salt (ES).
- Khảo sát đặc tính điện hóa:
- Phép đo CV: Khảo sát ở tốc độ quét 40 mV/s xác định được khoảng điện thế hoạt động tối ưu của điện cực PANI@C@AgNWs là từ -0.2 V đến 0.8 V. Khi thay đổi tốc độ quét từ 5 đến 100 mV/s, đường cong CV duy trì hình dạng ổn định, giá trị điện dung riêng đạt cao nhất tại tốc độ quét 5 mV/s. Phân tích động học CV chứng minh quá trình tích lũy năng lượng của vật liệu được đóng góp đồng thời bởi quá trình khuếch tán ion chậm trong khối và quá trình điện dung bề mặt nhanh.
- Phép đo phóng/nạp GCD: Thực hiện trên mô hình pin hai điện cực Swagelok trong khoảng thế từ -0.2 V đến 0.8 V tại các mật độ dòng điện khác nhau. Khi tăng mật độ dòng điện từ 0.5 A/g lên 4 A/g, giá trị điện dung riêng (SC) suy giảm khoảng 63%. Điều này chứng minh ở mật độ dòng điện thấp, các ion điện phân có đủ thời gian khuếch tán sâu vào bên trong lớp vỏ xốp của PANI, giúp vật liệu tích trữ năng lượng hiệu quả hơn.
- Phép đo phổ tổng trở EIS: Biểu đồ Nyquist chỉ ra vật liệu PANI@C@AgNWs có điện trở chuyển điện tích (Rct) tương đối nhỏ. Lõi sợi nano bạc đóng vai trò cầu dẫn điện tử hiệu quả, giảm thiểu nội trở của toàn bộ điện cực composite.
Kết quả và đóng góp
Kết quả chính kèm số liệu thực nghiệm
- Tổng hợp thành công vật liệu cấu trúc lõi - vỏ PANI@C@AgNWs với đường kính sợi trung bình xác định qua ảnh SEM là 181.81 nm.
- Xác định được khoảng điện thế làm việc tối ưu của vật liệu điện cực từ -0.2 V đến 0.8 V thông qua phép đo quét thế vòng tuần hoàn (CV) tại tốc độ quét 40 mV/s.
- Khảo sát động học CV từ 5 đến 100 mV/s xác nhận điện dung riêng đạt giá trị cao nhất tại tốc độ quét 5 mV/s.
- Phép đo GCD trên pin hai điện cực Swagelok cho thấy khi tăng mật độ dòng điện từ 0.5 A/g lên 4 A/g, điện dung riêng suy giảm 63%.
- Phép đo phổ trở kháng điện hóa (EIS) chứng minh vật liệu có điện trở truyền điện tích (Rct) nhỏ, hỗ trợ tốt quá trình dẫn truyền điện tử trong cấu trúc điện cực.
Giải pháp và kiến nghị của tác giả
- Ứng dụng cấu trúc lai ba thành phần (lõi AgNWs, lớp trung gian carbon, vỏ PANI) nhằm kết hợp ưu điểm dẫn điện kim loại của bạc với dung lượng giả tụ điện cao của polyaniline.
- Sử dụng mô hình pin hai điện cực Swagelok trong các phép đo GCD và EIS để đánh giá chính xác hơn các thông số làm việc của vật liệu trong điều kiện hoạt động thực tế của thiết bị siêu tụ điện.
Đóng góp so với các nghiên cứu trước (theo tác giả tự nêu)
- Thiết lập quy trình tổng hợp kết hợp phương pháp polyol (tạo sợi nano bạc) với kỹ thuật phủ màng carbon từ D-glucose và phản ứng trùng hợp hóa học tạo vỏ PANI một cách có hệ thống.
- Cải thiện độ dẫn điện và khả năng phân tán điện tích của vật liệu PANI nhờ mạng lưới dẫn điện một chiều của AgNWs, giảm điện trở chuyển điện tích của hệ vật liệu điện cực.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế:
- Quy trình thực nghiệm ban đầu cần lưu ý bước tinh sạch AgNWs trước khi thực hiện bọc carbon để bảo đảm độ đồng nhất của sản phẩm.
- Trong phạm vi nghiên cứu thực hiện tại phòng thí nghiệm, tác giả chưa tiến hành chụp ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát chi tiết sự phân lớp rõ rệt của cấu trúc lõi - vỏ giữa AgNWs, C và PANI (theo nội dung trả lời phiếu góp ý phản biện).
- Độ suy giảm điện dung riêng còn tương đối lớn (suy giảm 63%) khi tăng mật độ dòng nạp/xả từ 0.5 A/g lên 4 A/g.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Bổ sung phân tích kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để khẳng định trực quan cấu trúc lõi - vỏ của vật liệu composite.
- Tối ưu hóa độ dày lớp vỏ PANI và điều kiện phản ứng trùng hợp nhằm giảm mức độ suy giảm điện dung khi làm việc ở mật độ dòng điện cao.
Giá trị tham khảo
- Đối tượng tham khảo: Khóa luận là tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Hóa polymer, Khoa học Vật liệu, Công nghệ Nano và Kỹ thuật Năng lượng tái tạo.
- Nội dung có giá trị tham khảo cao:
- Quy trình chi tiết tổng hợp sợi nano bạc (AgNWs) bằng phương pháp polyol với các thông số cụ thể về nồng độ chất định hướng PVP, chất tạo mầm FeCl3 và nhiệt độ phản ứng 140 °C.
- Phương pháp biến tính bề mặt tạo lớp đệm carbon (C@AgNWs) từ D-glucose ở 200 °C và kỹ thuật trùng hợp in-situ tạo màng PANI dẫn điện dạng Emeraldine Salt ở 0–5 °C.
- Phương pháp gia công chế tạo màng điện cực bằng kỹ thuật Doctor-blade và quy trình khảo sát đặc tính điện hóa trên pin Swagelok hai điện cực.
Câu hỏi thường gặp
1. Sợi nano bạc (AgNWs) trong khóa luận được tổng hợp bằng phương pháp nào và ở điều kiện nhiệt độ bao nhiêu?
AgNWs được tổng hợp bằng phương pháp polyol (khuôn mềm), sử dụng ethylene glycol (EG) vừa làm dung môi vừa làm chất khử, polyvinylpyrrolidone (PVP 0.163 g) làm chất định hướng và FeCl3 (2.5 mL nồng độ 600 µM) làm chất hỗ trợ tạo mầm. Phản ứng khử AgNO3 (0.18 g) diễn ra ở nhiệt độ 140 °C trong thời gian 50 phút.
2. Vật liệu trung gian C@AgNWs được tạo ra nhằm mục đích gì và quy trình tổng hợp ra sao?
C@AgNWs là sợi nano bạc được bọc một lớp carbon mỏng nhằm bảo vệ bề mặt lõi nano bạc khỏi bị oxy hóa và tạo liên kết trung gian với lớp vỏ polymer. Quy trình được thực hiện bằng cách gia nhiệt hỗn hợp gồm 7 g D-glucose, AgNWs và 30 mL ethylene glycol ở 200 °C trong vòng 60 phút, sau đó ly tâm tách rửa ở tốc độ 9500 rpm.
3. Cấu trúc lõi - vỏ hoàn thiện PANI@C@AgNWs có kích thước đường kính trung bình là bao nhiêu?
Dựa trên kết quả chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) và xử lý dữ liệu qua phần mềm ImageJ, vật liệu composite PANI@C@AgNWs có đường kính trung bình đo được là 181.81 nm.
4. Thành phần và tỉ lệ phối trộn để chế tạo điện cực làm việc (working electrode) là gì?
Điện cực được chế tạo bằng phương pháp Doctor-blade với hỗn hợp gồm vật liệu composite PANI@C@AgNWs, carbon dẫn điện (conductive carbon) và chất kết dính Polyvinylidene Difluoride (PVDF hòa tan trong NMP nồng độ 80 mg/mL) theo tỉ lệ khối lượng 75:15:10, bổ sung 100 µL dung môi NMP, cán lên phiến graphite và sấy chân không ở 80 °C trong 12 giờ.
5. Khả năng nạp/xả của vật liệu thay đổi như thế nào khi tăng mật độ dòng điện trong phép đo GCD?
Trong phép đo phóng/nạp dòng cố định (GCD) thực hiện trên pin hai điện cực Swagelok trong vùng điện thế -0.2 V đến 0.8 V, khi mật độ dòng điện tăng từ 0.5 A/g lên 4 A/g, giá trị điện dung riêng của vật liệu suy giảm khoảng 63%. Mức suy giảm này phản ánh ở mật độ dòng thấp, các ion trong chất điện phân có đủ thời gian khuếch tán vào các vị trí hoạt động bên trong cấu trúc vật liệu.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Phạm Thị Thúy Nga đã hoàn thành quy trình tổng hợp vật liệu composite cấu trúc lõi - vỏ PANI@C@AgNWs trên cơ sở kết hợp sợi nano bạc dẫn điện cao và lớp vỏ polyaniline giả tụ điện. Các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại (SEM, XRD, XPS) đã xác nhận hình thái sợi đồng nhất với đường kính trung bình 181.81 nm và sự hình thành của polymer dạng Emeraldine Salt dẫn điện. Đánh giá điện hóa qua CV, GCD và EIS trên hệ pin Swagelok chứng minh vật liệu có vùng thế làm việc -0.2 V đến 0.8 V, nội trở truyền điện tích nhỏ và hoạt động dựa trên sự phối hợp giữa quá trình khuếch tán ion và điện dung bề mặt. Công trình cung cấp các dẫn liệu thực nghiệm có giá trị trong việc phát triển vật liệu điện cực cho siêu tụ điện phục vụ các hệ thống lưu trữ năng lượng.