Nghiên cứu màng mỏng nano TiO2 trên Nafion để nâng cao hiệu suất pin nhiên liệu DMFC

LỜI CAM ĐOAN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. SƠ LƯỢC VỀ PIN NHIÊN LIỆU (FUEL CELL)

1.2. PIN NHIÊN LIỆU DÙNG METHANOL TRỰC TIẾP (Direct methanol fuel cell - DMFC)

1.3. Hiệu suất của pin nhiên liệu

1.4. Hiệu suất của pin nhiên liệu DMFC

1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của pin nhiên liệu DMFC

1.6. Các vấn đề đối với pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp

1.7. Quá trình oxy hóa nhiên liệu diễn ra tại anode thấp

1.8. Sự thẩm thấu của methanol qua màng trao đổi proton

1.9. Lớp khuếch tán nhiên liệu

1.10. Lớp xúc tác ở điện cực

1.11. Màng trao đổi proton

1.12. Các loại màng dựa trên cơ sở biến tính màng Nafion

1.13. Màng flo không chứa Nafion

1.14. Màng không chứa flo

1.15. Một số phương pháp giải quyết vấn đề thẩm thấu của methanol qua màng trao đổi proton

1.16. VẬT LIỆU TiO2

1.16.1. Cấu trúc của tinh thể TiO2

1.16.2. Một số tính chất của TiO2

1.16.2.1. Tính chất điện của tinh thể nano TiO2

1.16.2.2. Tính chất quang xúc tác

1.16.3. Các ứng dụng của hiệu ứng quang xúc tác

1.16.3.1. Phân hủy hợp chất hữu cơ

1.16.3.2. Quá trình khử khí độc

1.16.3.3. Khử độc nước bẩn và đất

1.16.3.4. Tinh lọc nước uống

1.16.3.5. Một số ứng dụng khác của hiệu ứng quang xúc tác

1.16.4. Cơ chế siêu thấm nước, siêu kị nước

1.16.4.1. Tính kị nước

2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM

2.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1.1. Phương pháp sol – gel

2.1.1.1. Quá trình động học và sự phát triển cấu trúc màng

2.1.1.2. Quá trình sol – gel và các thông số ảnh hưởng

2.1.1.3. Các bước tiến hành quá trình sol – gel

2.1.2. Ưu nhược điểm của phương pháp sol – gel

2.1.3. Các phương pháp phủ màng

2.2. Các thiết bị phân tích

2.2.1. Thiết bị đo nhiễu xạ tia X

2.2.2. Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường Joel/JSM-7401F

2.2.3. Kính hiển vi lực nguyên tử Nanotec Electronica S

2.2.4. Kính hiển vi điện tử truyền qua JEM – 2100F

2.2.5. Thiết bị đo độ dày màng FilmtekTM 1000

2.2.6. Thiết bị đo góc thấm ướt OCA – 20

2.2.7. Máy đo sắc kí khí Agilent 6890N

2.2.8. Máy đo phổ tổng trở của màng

2.3. Tạo màng TiO2 trên đế Nafion bằng phương pháp sol – gel

2.3.1. Thiết bị và hoá chất sử dụng

2.3.2. Quy trình tạo màng TiO2 trên đế Nafion

2.4. Khảo sát độ thẩm thấu của methanol và độ dẫn proton

2.4.1. Độ thẩm thấu của methanol

3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

3.1. KẾT QUẢ KHẢO SÁT MẬT ĐỘ PHÂN BỐ VÀ KÍCH THƯỚC HẠT TiO2 TRONG MẪU SOL

3.2. KẾT QUẢ KHẢO SÁT CẤU TRÚC CỦA MÀNG TiO2

3.3. KẾT QUẢ ĐO ĐỘ DÀY MÀNG TiO2

3.4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT HÌNH THÁI HỌC BỀ MẶT CỦA MÀNG NAFION 117 VÀ MÀNG NANO TiO2/NAFION 117

3.4.1. Kết quả khảo sát bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM – Field Emission Scanning Electron Microscope)

3.4.2. Kết quả khảo sát bằng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM – Atomic Force Microscope)

3.4.3. Kết quả khảo sát góc tiếp xúc

3.5. KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐỘ THẨM THẤU CỦA METHANOL

3.6. KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐỘ DẪN PROTON

3.7. KẾT QUẢ SO SÁNH GIỮA ĐỘ DẪN PROTON VÀ ĐỘ THẨM THẤU CỦA METHANOL

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ KHẢO SÁT PHÂN BỐ KÍCH THƯỚC HẠT CỦA HỆ SOL TiO2 BẰNG KÍNH HIỂN VI ĐIỆN TỬ TRUYỀN QUA (TEM)

PHỤ LỤC 2: KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐỘ DÀY MÀNG

PHỤ LỤC 3: KẾT QUẢ KHẢO SÁT NỒNG ĐỘ METHANOL

PHỤ LỤC 4: KẾT QUẢ ĐO PHỔ TỔNG TRỞ

I. Tổng quan về nghiên cứu màng mỏng nano TiO2 trên Nafion

Nghiên cứu màng mỏng nano TiO2 trên Nafion là một lĩnh vực quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất của pin nhiên liệu DMFC. Màng Nafion, với khả năng dẫn proton tốt, thường được sử dụng trong các pin nhiên liệu. Tuy nhiên, việc thẩm thấu methanol qua màng này vẫn là một thách thức lớn. Màng mỏng nano TiO2 được nghiên cứu nhằm cải thiện tính chất điện hóa và giảm thiểu sự thẩm thấu của methanol, từ đó nâng cao hiệu suất của pin nhiên liệu.

1.1. Màng mỏng nano TiO2 Đặc điểm và ứng dụng

Màng mỏng nano TiO2 có cấu trúc tinh thể đặc biệt, giúp cải thiện tính chất điện hóa của màng Nafion. TiO2 không chỉ có khả năng dẫn proton mà còn có tính chất quang xúc tác, giúp tăng cường hiệu suất phản ứng trong pin nhiên liệu. Việc nghiên cứu và phát triển màng TiO2 trên Nafion mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

1.2. Nafion Vật liệu chủ chốt trong pin nhiên liệu

Nafion là một trong những vật liệu chính được sử dụng trong pin nhiên liệu DMFC. Với khả năng dẫn proton cao, Nafion đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện năng. Tuy nhiên, độ thẩm thấu của methanol qua Nafion vẫn là một vấn đề cần giải quyết để nâng cao hiệu suất của pin.

II. Vấn đề thách thức trong hiệu suất pin nhiên liệu DMFC

Pin nhiên liệu DMFC gặp phải nhiều thách thức trong việc nâng cao hiệu suất. Hai vấn đề chính là sự thẩm thấu của methanol qua màng Nafion và quá trình oxy hóa methanol ở anode. Những vấn đề này không chỉ làm giảm hiệu suất chuyển đổi điện năng mà còn gây lãng phí nhiên liệu. Việc nghiên cứu các giải pháp để khắc phục những vấn đề này là rất cần thiết.

2.1. Sự thẩm thấu methanol qua màng Nafion

Sự thẩm thấu methanol qua màng Nafion gây ra dòng điện nội, ảnh hưởng đến hiệu suất của pin nhiên liệu. Nghiên cứu cho thấy rằng việc giảm thiểu thẩm thấu methanol có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của pin DMFC.

2.2. Quá trình oxy hóa methanol ở anode

Quá trình oxy hóa methanol ở anode thường diễn ra không hiệu quả, dẫn đến việc giảm hiệu suất của pin. Việc cải thiện lớp xúc tác và cấu trúc màng có thể giúp tăng cường quá trình này, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của pin nhiên liệu.

III. Phương pháp nghiên cứu màng mỏng nano TiO2 trên Nafion

Phương pháp sol-gel được sử dụng để chế tạo màng mỏng nano TiO2 trên Nafion. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt kích thước và phân bố của hạt TiO2, từ đó cải thiện tính chất điện hóa của màng. Nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất pin nhiên liệu mà còn mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các vật liệu nano cho ứng dụng năng lượng.

3.1. Quy trình chế tạo màng TiO2 bằng phương pháp sol gel

Quy trình sol-gel bao gồm các bước như chuẩn bị dung dịch, tạo gel và xử lý nhiệt. Các thông số như nhiệt độ và thời gian xử lý có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của màng TiO2. Việc tối ưu hóa quy trình này là rất quan trọng để đạt được màng TiO2 chất lượng cao.

3.2. Đặc điểm của màng TiO2 sau khi chế tạo

Màng TiO2 sau khi chế tạo có cấu trúc tinh thể ổn định và khả năng dẫn proton tốt. Các nghiên cứu cho thấy rằng màng TiO2 có thể giảm thiểu đáng kể độ thẩm thấu của methanol qua Nafion, từ đó nâng cao hiệu suất của pin nhiên liệu DMFC.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy màng mỏng nano TiO2 trên Nafion đã cải thiện đáng kể hiệu suất của pin nhiên liệu DMFC. Độ thẩm thấu methanol giảm, trong khi độ dẫn proton tăng lên. Những kết quả này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng cho pin nhiên liệu trong các thiết bị điện tử và năng lượng tái tạo.

4.1. Kết quả khảo sát độ thẩm thấu methanol

Kết quả khảo sát cho thấy độ thẩm thấu methanol qua màng TiO2/Nafion giảm đáng kể so với màng Nafion thông thường. Điều này chứng tỏ rằng việc phủ màng TiO2 có tác dụng tích cực trong việc cải thiện hiệu suất pin nhiên liệu.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của pin nhiên liệu DMFC

Pin nhiên liệu DMFC có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như cung cấp năng lượng cho thiết bị điện tử, phương tiện giao thông và các hệ thống năng lượng tái tạo. Việc nâng cao hiệu suất của pin sẽ giúp mở rộng khả năng ứng dụng của công nghệ này trong thực tiễn.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu màng mỏng nano TiO2 trên Nafion đã chứng minh được tiềm năng trong việc nâng cao hiệu suất pin nhiên liệu DMFC. Những kết quả đạt được không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng thực tiễn. Tương lai của công nghệ pin nhiên liệu hứa hẹn sẽ phát triển mạnh mẽ với những cải tiến về vật liệu và công nghệ chế tạo.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy màng mỏng nano TiO2 có khả năng cải thiện hiệu suất pin nhiên liệu DMFC thông qua việc giảm độ thẩm thấu methanol và tăng độ dẫn proton. Những phát hiện này có thể được áp dụng trong việc phát triển các loại pin nhiên liệu mới.

5.2. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc màng TiO2 và khám phá các vật liệu mới để cải thiện hơn nữa hiệu suất của pin nhiên liệu. Việc phát triển các công nghệ mới sẽ giúp pin nhiên liệu trở thành một giải pháp năng lượng bền vững trong tương lai.

Nghiên cứu và chế tạo màng mỏng nano TiO2 trên Nafion để nâng cao hiệu suất pin nhiên liệu DMFC