Đặt vấn đề Ngày nay, khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than, dầu khí. đang được khai thác gần hết và trong tương lai không xa sẽ cạn kiệt, khi mà năng lượng nguyên tử còn đặt ra quá nhiều tranh cãi bởi sự độc hại và nguy hiểm của nó thì việc nghiên cứu tìm ra các nguồn năng lượng mới, có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường đã trở thành nghiên cứu mũi nhọn của nhiều quốc gia. Trong công cuộc đi tìm nguồn năng lượng mới này, con người đã đạt được những thành công nhất định như sử dụng năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng thủy điện. để phát điện với công suất lên tới hàng ngàn mêga oát.
Tuy nhiên những nguồn năng lượng này lại phụ thuộc rất nhiều vào tự nhiên. Trong những năm gần đây, một hướng nghiên cứu mới đầy triển vọng đã và đang được nghiên cứu: đó là việc sử dụng pin nhiên liệu - một thiết bị chuyển đổi trực tiếp hóa năng của nhiên liệu như H2, rượu (methanol, ethanol, ethylen glycol, glycerol.) thành điện năng nhờ quá trình điện hoá. Trong đó, việc lựa chọn và tìm ra nguồn nhiên liệu thích hợp (cho hiệu suất cao, dễ tái tạo, dễ sử dụng, không độc hại, dễ vận chuyển, lưu trữ.) đang là mối quan tâm hàng đầu trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển pin nhiên liệu. Glycerol – một sản phẩm phụ của quá trình sản xuất biodiesel từ dầu thực vật và mỡ động vật, với giá thành rẻ và nhiều ưu điểm khác thích hợp để tận dụng làm nguồn nhiên liệu cho pin nhiên liệu.
Trên thế giới đã có các nghiên cứu triển khai theo hướng này, tuy nhiên tại Việt Nam chưa có nghiên cứu nào về việc sử dụng glycerol cho pin nhiên liệu. Do đó nhóm tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu sự oxy hóa điện hóa glycerol trên các xúc tác platin và paladi cho pin nhiên liệu”.2 Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu các quá trình oxy hóa điện hóa glycerol của pin nhiên liệu. - Nghiên cứu quá trình oxy hóa điện hóa glycerol trên điện cực Platin (Pt) khối bằng các kỹ thuật điện hóa von – ampe. - Khảo sát quá trình oxy hóa điện hóa glycerol trên các loại vật liệu xúc tác nano kim loại quí: Platin nano (Pt) và Paladium nano (Pd).3 Phương pháp nghiên cứu Chuyên ngành hóa dầu 1 Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khoá 2008-2012 Trường ĐHBRVT - Phương pháp von – ampe: quét thế vòng tuần hoàn Cyclic voltammetry (CV) và dòng – thời Chronoampemetry (CA).
- Thống kê, phân tích số liệu đo đạc. - Đánh giá kết quả thu được và đưa ra nhận xét cho đối tượng nghiên cứu. Chuyên ngành hóa dầu 2 Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khoá 2008-2012 Trường ĐHBRVT CHƯƠNG II LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 2.1 Tổng quan về pin nhiên liệu 2.1 Khái niệm pin nhiên liệu - Là một thiết bị có thể chuyển đổi năng lượng hóa học từ nhiên liệu trực tiếp thành năng lượng điện thông qua một phản ứng hóa học. - Có khả năng sinh ra dòng điện một cách liên tục khi cấp nhiên liệu liên tục.2 Phân loại Các pin nhiên liệu là thiết bị chuyển đổi năng lượng linh hoạt với nhiều ứng dụng khác nhau.
Tùy vào môi trường điện giải được dùng trong pin, người ta chia pin nhiên liệu thành sáu loại chính [15]: - Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) - Pin nhiên liệu trực tiếp từ rượu (DAFC) - Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) - Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC) - Pin nhiên liệu acid phosphoric (PAFC) - Pin nhiên liệu kiềm (AFC) Bảng 2. 1 So sánh đặc điểm của một số pin nhiên liệu Pin nhiên Ứng dụng Công suất Nhiệt độ làm Hiệu suất liệu việc (oC) (%) PEMFC Máy phát điện nhỏ, 100W - 500kW 50-120 50 – 70 ôtô DMFC Cho ứng dụng xách 100mW - 1kW 90 -120 30 - 40 tay. SOFC Sản xuất điện (qui mô <100MW 850 -1100 60 - 65 trung bình) MCFC Sản xuất điện (qui mô 100MW 600 -650 55% trung bình) PAFC Sản xuất điện (qui mô < 10MW 150 - 200 55 nhỏ) AFC Dùng trong một số 10– 100kW 50 - 90 60 - 70 ngành công nghệ Hầu hết các hệ thống pin nhiên liệu sản xuất năng lượng điện với hiệu suất cao có thể dao động từ 40% đến 60%, cao hơn 15% đối với động cơ đốt trong. Ngoài ra, Chuyên ngành hóa dầu 3 Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khoá 2008-2012 Trường ĐHBRVT hiệu quả của pin nhiên liệu trở nên đáng kể ở quy mô nhỏ hơn chẳng hạn như các ứng dụng di động, xách tay.
Hydrogen – được quan tâm đầu tiên vì được coi là nhiên liệu có năng lượng cao (nhiệt trị 141,790 kJ/ kg) và sạch vì nước là sản phẩm thải duy nhất, tác động thấp đến môi trường. Nhưng hydrogen hiện đang được sản xuất từ các hydrocacbon không tái tạo và việc lưu trữ là một vấn đề vì nó dễ bay hơi, rò rỉ và dễ cháy nổ. Trên thế giới nhiều nghiên cứu được tập trung phát triển pin nhiên liệu sử dụng các loại alcol gọi là pin nhiên liệu trực tiếp từ rượu Direct Alcohol Fuel Cell (DAFCs). Như thế chúng ta có thể sử dụng các hợp chất hữu cơ trực tiếp cho pin nhiên liệu mà không cần biến đổi nó thành hydro.
Khái niệm pin nhiên liệu trực tiếp từ rượu DAFCs: là loại thiết bị có thể chuyển đổi năng lượng hóa học từ nhiên liệu trực tiếp thành năng lượng điện thông qua một phản ứng hóa học. Nhiên liệu sử dụng cho phản ứng là các alcol thay vì H2, sản phẩm cuối cùng của quá trình là CO2 và điện.3 Ưu và nhược điểm của pin nhiên liệu DAFCs 2.1 Ưu điểm - Nhiên liệu của DAFCs là chất lỏng, do đó ít bị rò rỉ, dễ dàng tồn trữ, vận chuyển. - Một số alcol (methanol, ethanol, glycerol) có thể được sản xuất từ sinh khối có nghĩa là quá trình đốt cháy của những alcol tạo nên chu trình khép kín phát thải khí CO2 trong khí quyển. - Pin nhiên liệu có hiệu suất chuyển hóa năng lượng cao và là thiết bị chuyển hóa năng lượng thân thiện với môi trường khi sử dụng glycerol làm nhiên liệu.
- Nhiệt độ làm việc thấp, thời gian pin hoạt động bền lâu.2 Nhược điểm - Động học phản ứng oxy hóa điện hóa của alcol chậm hơn so với hydro: không giống như quá trình oxy hóa của hydro trên bề mặt xúc tác kim loại chỉ liên quan đến việc hấp thụ và phân tách hydro, quá trình oxy hóa của rượu liên quan đến nhiều bước phản ứng. Khi sử dụng glycerol, có ba liên kết C - C cần phá vỡ có thể dẫn đến các bước phản ứng chậm chạp hoặc tạo ra nhiều sản phẩm trung gian. - Chất thải của pin DAFCs là CO2, trong khi của pin PEMFCs là nước. - Quá trình oxy hóa không hoàn toàn của phản ứng tạo ra các sản phẩm phụ như: Chuyên ngành hóa dầu 4 Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khoá 2008-2012 Trường ĐHBRVT acid, anhydric.hoặc CO gây ngộ độc xúc tác làm giảm hiệu suất pin nhiên liệu.
- Giá thành của pin nhiên liệu đắt hơn so với động cơ truyền thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Trong số các nghiên cứu về DAFCs, vấn đề chính được các nhà khoa học tập trung nghiên cứu là phát triển xúc tác tối ưu hóa có thể giảm ngộ độc CO và giá thành thấp còn việc sử dụng glycerol như là một nhiên liệu trong pin nhiên liệu vẫn được coi là một chủ đề mới trong nghiên cứu của DAFCs. Vì vậy nghiên cứu này sẽ gắn với những thách thức trong tương lai sẽ gặp phải.4 Tình hình nghiên cứu pin nhiên liệu trên thế giới và trong nước 2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Pin nhiên liệu được tìm ra từ năm 1802 nhưng mãi tới năm 1839 nó mới có được bước tiến quan trọng: đó là sự hoạt động đầu tiên của một pin nhiên liệu với điện cực bằng platin và dung dịch điện phân là acid sunfuric. Nhưng kim loại quý này có 2 nhược điểm lớn: đắt đỏ (khoảng 47,8 USD/grams) [19] và bị hao mòn dần trong quá trình hoạt động.
Pin nhiên liệu trong môi trường kiềm được phát triển đầu tiên bởi Francis Bacon, loại pin này được NASA sử dụng cho tàu không gian. Chất điện ly được sử dụng là KOH xúc tác cho phản ứng điện hóa phần lớn là Pt có giá thành cao, tuy nhiên hiệu suất chuyển hóa điện năng trong pin nhiên liệu kiềm lên đến 70% [16]. Trong 30 năm gần đây, nhiều nước trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu, phát triển pin nhiên liệu và đã đạt được một số tiến bộ đáng kể. Các chuyên gia trong lĩnh vực pin nhiên liệu đã tin tưởng rằng, trong những năm sắp tới đây sẽ sản xuất được pin nhiên liệu quy mô thương mại dùng cho ôtô và trạm phát điện phục vụ sinh hoạt và thương mại với một số kết quả nghiên cứu trong việc làm tăng hiệu suất và giảm giá thành pin.
Các nhà hóa học thuộc Đại học Brown (USA) đã tạo ra hạt nano chỉ gồm có lõi và vỏ hạt từ một lượng rất nhỏ platin nhưng hoạt động hiệu quả hơn và duy trì tuổi thọ dài hơn so với các loại xúc tác platin thuần túy hiện có trên thị trường. Trong các thí nghiệm, paladi hay các hạt nano PtFe/C có khả năng tạo ra dòng điện gấp 12 lần so với các loại xúc tác platin thuần túy hiện nay trong cùng lượng xúc tác; thời gian sử dụng cũng dài hơn gấp 10 lần (chu kỳ 10.000 vòng so với 1.000 vòng của các mẫu pin hiện nay). Nhóm nghiên cứu cũng cho biết, kích thước vỏ hợp kim sắt – platin có thể dao Chuyên ngành hóa dầu 5 Khoa hóa học và công nghệ thực phẩm Đồ án tốt nghiệp đại học-Khoá 2008-2012 Trường ĐHBRVT động trong khoảng 1 – 3 nm, tuy nhiên theo kết quả thu được từ các thí nghiệm, kích thước 1 nm cho hiệu quả phản ứng tốt nhất [17]. Hiện nay, pin DAFCs hầu hết sử dụng nhiên liệu methanol.
Thiết bị này đã được thương mại hóa với công suất nhỏ từ 1 W đến 100 W [1].2 Tình hình nghiên cứu trong nước Từ khoảng 10 năm nay, ở Việt Nam các nhà khoa học cũng đã bắt tay vào nghiên cứu vấn đề này. Bước đầu đã đạt được những thành tựu nhất định [18]. Vào cuối năm 2004, PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn - Phân viện Vật lý tại TP.HCM đã công bố những kết quả nghiên cứu đầu tiên của mình về pin nhiên liệu sử dụng Methanol. Trong quá trình nghiên cứu, PGS.