Nghiên cứu khả năng lưu trữ điện năng của vật liệu MOFs carbon hóa trong supercapacitor

• Tác giả: Trần Quốc Huy
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thị Nhung
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng lưu trữ điện năng của vật liệu MOFs được carbon hoá ứng dụng trong lĩnh vực supercapacitor
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về vật liệu MOFs
• 1.2. Các phương pháp tổng hợp MOFs
• 1.3. Tổng quan về siêu tụ điện
• 1.4. Tính hình nghiên cứu vật liệu supercapacitor trong và ngoài nước
• 1.5. Vật liệu MOFs trong ứng dụng supercapacitor
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hoá chất và dụng cụ thí nghiệm
• 2.2. Hoá chất sử dụng
• 2.3. Dụng cụ thí nghiệm
• 2.4. Quy trình thực nghiệm
• 2.5. Tổng hợp vật liệu MOFs
• 2.6. Carbon hoá vật liệu MOFs
• 2.7. Khảo sát điện dung
• 2.8. Phương pháp phân tích
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Tổng hợp vật liệu MOFs
• 3.2. Vật liệu MOFs: VNU-20
• 3.3. Vật liệu MOFs: ZIF-8
• 3.4. Vật liệu MOFs: MOF-199
• 3.5. Carbon hoá vật liệu MOFs
• 3.6. Vật liệu MOFs VNU-20 carbon hoá
• 3.7. Vật liệu MOFs MIL-53 carbon hoá
• 3.8. Vật liệu MOFs ZIF-8 carbon hoá
• 3.9. Xác định điện dung – Quét thế tuần hoàn
• 3.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung
• 3.11. Ảnh hưởng của thời gian nung
• 3.12. Ảnh hưởng của cấu trúc vật liệu
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về vật liệu MOFs carbon hóa

Vật liệu MOFs carbon hóa là một trong những phát triển quan trọng trong lĩnh vực lưu trữ điện năng. MOFs carbon hóa được tạo ra từ việc xử lý nhiệt các vật liệu khung hữu cơ kim loại, giúp cải thiện tính chất điện hóa của chúng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc carbon hóa không chỉ làm tăng diện tích bề mặt mà còn cải thiện khả năng dẫn điện của vật liệu. Điều này rất quan trọng trong ứng dụng cho supercapacitor, nơi mà khả năng lưu trữ điện năng phụ thuộc vào diện tích bề mặt và cấu trúc lỗ rỗng của vật liệu. Theo một nghiên cứu, diện tích bề mặt riêng của các vật liệu MOFs carbon hóa có thể đạt tới 3000 m²/g, cho thấy tiềm năng lớn trong việc ứng dụng cho siêu tụ điện.

1.1. Tính chất và cấu trúc của vật liệu MOFs

Vật liệu MOFs có cấu trúc ba chiều ổn định, được hình thành từ các ion kim loại kết nối với nhau qua các cầu nối hữu cơ. Cấu trúc này cho phép điều chỉnh diện tích bề mặt và kích thước lỗ rỗng, từ đó tối ưu hóa khả năng lưu trữ điện năng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc điều chỉnh cấu trúc của vật liệu xốp này có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể trong hiệu suất của supercapacitor. Đặc biệt, các vật liệu như VNU-20 và ZIF-67 đã cho thấy khả năng lưu trữ điện năng vượt trội khi được carbon hóa ở nhiệt độ và thời gian thích hợp.

II. Phương pháp tổng hợp và carbon hóa vật liệu MOFs

Các phương pháp tổng hợp vật liệu MOFs rất đa dạng, bao gồm phương pháp nhiệt dung môi, siêu âm, vi sóng và không dung môi. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Phương pháp nhiệt dung môi là phương pháp phổ biến nhất, cho phép tạo ra các tinh thể MOFs với cấu trúc ổn định. Sau khi tổng hợp, các vật liệu này được carbon hóa để cải thiện tính chất điện hóa. Quá trình carbon hóa giúp tăng cường khả năng dẫn điện và diện tích bề mặt, từ đó nâng cao khả năng lưu trữ điện năng của supercapacitor. Kết quả từ các thí nghiệm cho thấy, mẫu VNU-20 carbon hóa ở 600°C trong 3 giờ cho khả năng lưu trữ điện năng cao nhất, cho thấy sự quan trọng của điều kiện carbon hóa trong việc tối ưu hóa hiệu suất của vật liệu.

2.1. Quy trình carbon hóa

Quy trình carbon hóa vật liệu MOFs bao gồm việc nung nóng vật liệu ở nhiệt độ cao trong môi trường không khí hoặc khí trơ. Nhiệt độ và thời gian nung là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của vật liệu sau carbon hóa. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, nhiệt độ carbon hóa từ 600°C đến 800°C thường mang lại kết quả tốt nhất cho khả năng lưu trữ điện năng. Việc kiểm soát các yếu tố này không chỉ giúp tối ưu hóa diện tích bề mặt mà còn cải thiện độ bền và khả năng dẫn điện của vật liệu, từ đó nâng cao hiệu suất của siêu tụ điện.

III. Khả năng lưu trữ điện năng của vật liệu MOFs carbon hóa

Khả năng lưu trữ điện năng của các vật liệu MOFs carbon hóa được đánh giá thông qua phương pháp quét thế tuần hoàn (CV). Kết quả cho thấy, mẫu VNU-20 carbon hóa có khả năng lưu trữ điện năng cao nhất, tiếp theo là ZIF-67, MOF-199, MIL-53 và ZIF-8. Điều này cho thấy rằng, việc lựa chọn vật liệu và điều kiện carbon hóa là rất quan trọng trong việc phát triển các supercapacitor hiệu quả. Các vật liệu MOFs không chỉ có khả năng lưu trữ điện năng tốt mà còn có thể tái tạo và sử dụng nhiều lần, mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

3.1. Ứng dụng trong lĩnh vực supercapacitor

Vật liệu MOFs carbon hóa có tiềm năng lớn trong việc phát triển các supercapacitor hiệu quả. Với khả năng điều chỉnh cấu trúc và tính chất, các vật liệu này có thể được tối ưu hóa cho các ứng dụng cụ thể. Việc sử dụng vật liệu nano xốp trong supercapacitor không chỉ giúp tăng cường khả năng lưu trữ điện năng mà còn cải thiện tốc độ sạc-xả, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong các ứng dụng công nghiệp và tiêu dùng. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các thiết bị lưu trữ điện năng hiệu quả và bền vững.