Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu pholthua lưỡng kim cấu trúc nano xốp trong quá trình tách nước điện hóa

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu vật lý chất rắn nghiên cứu tổng hợp pholthua lưỡng kim cấu trúc nano xốp làm chất xúc tác cho quá, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Trƣơng Ngọc Kiệt
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Hồng Trang
• Trường học: Trường Đại Học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật Lí Chất Rắn
• Đề tài: Nghiên Cứu Pholthua Lưỡng Kim Nano Xốp Làm Chất Xúc Tác Tách Nước Điện Hóa
• Loại tài liệu: luận văn
• Địa điểm: Quy Nhơn

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nghiên cứu pholthua lưỡng kim nano xốp

Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp pholthua lưỡng kim cấu trúc nano xốp nhằm làm chất xúc tác cho quá trình tách nước điện hóa. Việc phát triển các chất xúc tác hiệu quả cho quá trình tách nước là rất cần thiết trong bối cảnh hiện nay, khi nhu cầu về năng lượng sạch và bền vững ngày càng tăng. Pholthua lưỡng kim có khả năng hoạt động tốt trong các phản ứng điện hóa, đặc biệt là trong việc sản xuất hydrogen từ nước, một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp thông tin về cấu trúc và tính chất của các vật liệu này mà còn đánh giá hiệu suất xúc tác của chúng trong các điều kiện khác nhau.

II. Tổng quan về vật liệu photphua kim loại chuyển tiếp

Vật liệu photphua kim loại chuyển tiếp (TMP) đã nổi lên như một loại chất xúc tác hiệu suất cao trong quá trình tách nước điện hóa. Các nghiên cứu cho thấy rằng những vật liệu này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của các phản ứng tiến hóa hydro (HER) và tiến hóa oxy (OER). Cấu trúc và tính chất của TMP có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi tỷ lệ các nguyên tố trong hợp chất, dẫn đến những cải thiện trong hiệu suất xúc tác. Photphua lưỡng kim (Co1-xFexP) đã được chứng minh là có khả năng hoạt động tốt trong các phản ứng này, nhờ vào cấu trúc nano xốp giúp tăng diện tích bề mặt và cải thiện khả năng tiếp xúc với chất điện phân.

III. Phương pháp tổng hợp vật liệu photphua lưỡng kim nano xốp

Quá trình tổng hợp pholthua lưỡng kim nano xốp được thực hiện thông qua phương pháp lắng đọng điện hóa kết hợp với khuôn cứng. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt cấu trúc và hình thái của vật liệu, từ đó tối ưu hóa hiệu suất xúc tác. Việc sử dụng khuôn cứng từ polystyrene không chỉ giúp tạo ra cấu trúc nano xốp mà còn cải thiện độ ổn định của vật liệu trong quá trình tách nước. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh tỷ lệ Co/Fe trong hợp chất có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể trong hoạt tính xúc tác, mở ra hướng nghiên cứu mới cho việc phát triển các chất xúc tác hiệu suất cao trong quá trình điện hóa.

IV. Đánh giá hiệu suất xúc tác điện hóa

Hiệu suất xúc tác của vật liệu Co1-xFexP được đánh giá thông qua các thử nghiệm điện hóa trong dung dịch kiềm. Các kết quả cho thấy rằng vật liệu này thể hiện hiệu suất cao trong cả hai phản ứng HER và OER, với khả năng hoạt động ổn định ở mật độ dòng cao. Việc khảo sát các thông số như mật độ dòng điện, điện áp, và thời gian phản ứng cho thấy rằng Co1-xFexP có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện thực tế. Điều này chứng tỏ rằng việc phát triển các chất xúc tác nano xốp không chỉ là một xu hướng nghiên cứu mới mà còn có khả năng ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực sản xuất hydrogen từ nước.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu

Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng pholthua lưỡng kim nano xốp có tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu suất của các phản ứng tách nước điện hóa. Với cấu trúc nano xốp, vật liệu này không chỉ giúp tăng cường diện tích bề mặt mà còn tối ưu hóa khả năng tiếp xúc với chất điện phân. Những kết quả thu được từ nghiên cứu mở ra hướng đi mới trong việc phát triển các chất xúc tác hiệu suất cao, góp phần vào việc thúc đẩy công nghệ sản xuất hydrogen từ nước, đáp ứng nhu cầu năng lượng sạch trong tương lai. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa cấu trúc và thành phần của vật liệu để đạt được hiệu suất tốt nhất trong các ứng dụng thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU. Lí do chọn đề tài. Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu. Phƣơng pháp nghiên cứu. 6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN. Tổng quan về vật liệu photphua kim loại chuyển tiếp.

Cấu trúc và tính chất vật liệu. Ứng dụng của vật liệu photphua kim loại chuyển tiếp trong xúc tác điện hóa. Tổng quan về vật liệu photphua lƣỡng kim. Cấu trúc và tính chất vật liệu photphua lƣỡng kim.

Ứng dụng và vai trò của photphua lƣỡng kim trong việc tăng cƣờng hiệu suất xúc tác điện hóa. Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu photphua lƣỡng kim nano xốp. Một số phƣơng pháp tổng hợp vật liệu nano .2 Tổng hợp vật liệu photphua lƣỡng kim nano xốp bằng phƣơng pháp lắng đọng điện kết hợp dung “khuôn cứng”. Tổng quan về quá trình điện hóa.

Các quá trình điện hóa oxy và hydro. Quá trình điện phân nƣớc. Tế bào điện hóa ba điện cực. 22 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO.

24 VÀ PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU. Thực nghiệm chế tạo mẫu. Phƣơng pháp chế tạo “khuôn cứng”. Phƣơng pháp chế tạo vật liệu photphua lƣỡng kim Co1-xFexP cấu trúc nano xốp.

Hóa chất và thiết bị chế tạo mẫu. Thực nghiệm chế tạo mẫu. Một số phƣơng pháp khảo sát mẫu. Kính hiển vi điện tử quét (SEM).

Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD). Khảo sát thuộc tính xúc tác điện hóa cho quá trình tiến hóa oxy và hydro với hệ điện hóa ba điện cực. Các phƣơng pháp điện hóa. Phép phân tích định lƣợng các sản phẩm khí (H2, O2) bằng sắc kí khí (GC).

37 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Đặc trƣng cấu trúc của vật liệu nano xốp photphua lƣỡng kim Co1-xFexP. Hình thái bề mặt của vật liệu nano xốp photphua lƣỡng kim Co1-xFexP. Khảo sát hiệu suất xúc tác điện hóa HER, OER của vật liệu Co1-xFexP cấu trúc nano xốp .1 Khảo sát hiệu suất xúc tác điện hóa OER của các vật liệu photphua lƣỡng kim nano xốp ứng với các tỉ lệ tiền chất Co/Fe khác nhau.2 Khảo sát hiệu suất xúc tác điện hóa HER của các vật liệu photphua lƣỡng kim nano xốp ứng với các tỉ lệ tiền chất Co/Fe khác nhau.3 Hiệu suất xúc tác của photphua lƣỡng kim Co0,6Fe0,4P đối với quá trình tách nƣớc điện hóa tổng thể.

54 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO. 56 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (bản sao) DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên đầy đủ Nghĩa tiếng Việt OER Oxygen evolution reaction Phản ứng tiến hóa oxy HER Hydrogen evolution reaction Phản ứng tiến hóa hydro PS Polystyrene Vật liệu polystyrene Cấu trúc nano xốp (cấu IO Inverse Opal trúc tổ ong hay mao quản) SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét Energy-dispersive X-ray Phổ tán xạ năng lƣợng tia EDX spectroscopy X XRD X-ray Difraction Nhiễu xạ tia X Ultraviolet–visible Phƣơng pháp quang phổ UV-Vis spectroscopy hấp thụ Transmission Electron Kính hiển vi điện tử truyền TEM Microscopy qua X-ray Photoelectron XPS Phổ quang điện tử tia X Spectroscopy Photphua kim loại chuyển TMP Transition metal phosphides tiếp LSV Linear sweep voltage Thế quét tuyến tính CV Cyclic voltammetry Thế quét vòng tuần hoàn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3. Giá trị mật độ dòng đỉnh anot ( Ipa), mật độ dòng đỉnh catot ( Ipc), thế đỉnh anot (Ep,a) và thế đỉnh catot (Epc) của các điện cực của vật liệu Co1-xFexP đƣợc tổng hợp với các tỉ lệ tiền chất Co/Fe khác nhau trong 1M KOH. 49 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc lăng trụ tam giác và tứ diện trong photphua.2: Cấu trúc tinh thể của photphua kim loại chuyển tiếp.3: Biểu diễn cấu trúc giản đồ cho sự hấp phụ hydro tại (a) CoP, (b) Fe0,25Co0,75P, (c) Fe0,33Co0,66P, và (d) Fe0,5Co0,5P [45].4: (a) Chu trình lƣu trữ năng lƣợng và chuyển đổi năng lƣợng hydro và oxy.

Hai phản ứng nửa tế bào để lƣu trữ năng lƣợng bằng điện phân nƣớc là phản ứng tiến hóa oxy (OER) và phản ứng tiến hóa hydro (HER). Để chuyển đổi năng lƣợng, các phản ứng nửa tế bào là phản ứng khử oxy (ORR) và phản ứng oxy hóa hydro (HOR). Quá trình xúc tác điện hóa oxy hạn chế đáng kể hiệu suất năng lƣợng và khả năng phản ứng của các thiết bị năng lƣợng điện hóa do có quá nhiều năng lƣợng cần thiết để thúc đẩy phản ứng, ngay cả khi sử dụng các chất xúc tác tiên tiến nhất. Các phản ứng hiển thị đƣợc xây dựng cho các chất điện phân tính kiềm.5: Cơ chế phản ứng OER cho điều kiện kiềm.

Đƣờng màu xanh biểu thị rằng sự tiến hóa oxy liên quan đến sự hình thành chất trung gian peroxide (M–OOH). Đƣờng màu tím là phản ứng trực tiếp của hai chất trung gian oxo (M–O) liền kề để tạo ra oxy [52].6: Các biểu diễn 2D của cơ chế chuyển đổi các proton (pH = 1) và nƣớc (pH = 13) thành H2 [55].7: Phác thảo một tế bào tách nƣớc điện hóa.8: Các mức năng lƣợng trong một phản ứng điện hóa [53] .9: Thiết lập thí nghiệm cho tế bào điện hóa ba điện cực [57].1: Các thiết bị thí nghiệm đƣợc chụp tại phòng thí nghiệm vật lí chất rắn trƣờng Đại học Quy Nhơn: a) Máy rung rửa siêu âm; b) Tủ sấy 900C; c) Tủ sấy 600C; d) Máy khuấy từ có gia nhiệt; e) Máy bơm hút chân không; f) Cân phân tích.2: Các dụng cụ điển hình trong quá trình tiến hành thực nghiệm a) Ống pipet BIOHIT Proline 20 µl; b) Cốc 50 ml; .3: Các hóa chất đƣợc sử dụng trong quá trình chế tạo mẫu: a) Potasslum hydroxide KOH; b) Cobalt nitrate hexahydrate Co(NO3)2.6H2O; c) Ethanol C2H5OH; d) Iron (III) nitrate nonahydrate Fe(NO3)3.4: Quy trình tổng hợp Polystyrene (PS) .5: Sản phẩm sau khi phủ PS: a) 0,5g PS + 20ml C 2H5OH; b) Đế nickel đã đƣợc phủ PS.6: Pha hỗn hợp lƣỡng kim theo các tỉ lệ khác nhau .7: Hệ thống photphate hóa trong phòng thí nghiệm vật lí chất rắn, Trƣờng ĐH Quy Nhơn, đƣợc sử dụng để tổng hợp vật liệu .8: Các mẫu oxit lƣỡng kim trên đế nickel trƣớc và sau khi photphate hóa .9: Máy HITACHI S – 4800, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam .10: Nguyên tắc chung của chụp ảnh qua kính hiển vi điện tử quét .11: Hiện tƣợng nhiễu xạ tia X .12: Thiết bị nhiễu xạ tia X D8 advance Eco (Bruker) .13: Cấu tạo hệ đo điện hóa ba cực .14: Hệ đo điện hóa ba cực: a) Hệ đo điện hóa ba cực; b) Bình điện phân 3 cực tự thiết kế.15: Đồ thị CV điển hình của mẫu xúc tác Pt/C trong dung dịch H2SO4 0,2 M .1: Giản đồ nhiễu xạ tia X của vật liệu oxit lƣỡng kim Co1-xFexO với các tỉ lệ tiền chất Co/Fe tƣơng ứng r = 10/0, 6/4, 4/6, 0/10.2: Giản đồ nhiễu xạ của vật liệu nano photphua lƣỡng kim Co1- xFexP ứng với tỉ lệ tiền chất Co/Fe là 6/4 .3: Ảnh SEM bề mặt các cầu PS tổng hợp đƣợc .4: Ảnh SEM vật liệu Co1-xFexO trƣớc và của vật liệu Co1-xFexP sau quá trình photphate hóa tƣơng ứng với tỉ lệ tiền chất Co/Fe r = 10/0 (a, f), 8/2 (b, g), 6/4 (c, h), 4/6 (d, k), và 0/10 (e, i) .5: Đánh giá hoạt động xúc tác điện hóa đối với OER của các mẫu vật liệu photphua lƣỡng kim ứng với các tỉ lệ tiền chất Co/Fe khác nhau: (a) Đƣờng cong phân cực LSV của các chất xúc tác khác nhau thu đƣợc ở tốc độ quét 1 mV s1 trong KOH 1M. (b) Các độ dốc Tafel tƣơng ứng. (c) Phổ tổng trở - đồ thị Nyquist đƣợc đo ở quá thế 350 mV cho các điện cực khác nhau.

Hình bên trong hiển thị mạch điện tƣơng đƣơng. (d) Các đƣờng cong điện thế - thời gian của chất xúc tác photphua lƣỡng kim Co0,6Fe0,4P (tỉ lệ tiền chất Co/Fe r = 6/4) thu đƣợc ở các mật độ dòng điện khác nhau là 10, 50 và 100 mA.6: So sánh các giá trị quá thế 10 và 100 của các chất xúc tác khác nhau đối với quá trình OER.7: Đặc trƣng thế quét vòng (CV) của mẫu vật liệu photphua lƣỡng kim Co0,6Fe0,4P trong dung dịch điện phân 1M KOH, tốc độ quét 20 mV.8: Đánh giá hoạt động xúc tác điện hóa đối với HER của các mẫu vật liệu photphua lƣỡng kim ứng với các tỉ lệ tiền chất Co/Fe khác nhau: (a) Đƣờng cong phân cực LSV của các chất xúc tác khác nhau thu đƣợc ở tốc độ quét 1 mV s1 trong KOH 1M. (b) Các độ dốc Tafel tƣơng ứng.9: So sánh các giá trị quá thế 10 và 100 của các chất xúc tác khác nhau đối với quá trình HER.10: Hiệu suất tách nƣớc tổng thể của các mẫu khác nhau đƣợc thử nghiệm trong 1 M KOH. a) Đƣờng cong LSV thu đƣợc khi sử dụng 2 điện cực đƣợc thiết lập với Co1-xFexP đóng vai trò là cực âm cũng nhƣ cực dƣơng.

b) Các đƣờng cong đo điện thế - thời gian của 10/0 || 10/0, 6/4 || 6/4, 0/10 || 0/10 và Pt/C || IrO 2 làm vật liệu tham khảo chuẩn ở mật độ dòng 10 mA cm2. Ảnh chụp quang học của cấu hình hai điện cực trong phần bên trong cho thấy sự tạo ra bọt khí hydro và oxy trên cực âm và cực dƣơng.11: a) Lƣợng khí H2 và O2 và b) Hiệu suất faradic thu đƣợc khi thiết lập thiết bị điện phân với cặp điện cực Co0,6Fe0,4P (η = 540 mV) bằng phép đo với sắc ký khí GC tại mật độ dòng điện 100 mA cm-2 trong dung dịch điện phân 1 M KOH. Lí do chọn đề tài Việc có thể mở rộng lƣu trữ các nguồn năng lƣợng tái tạo dồi dào nhƣ năng lƣợng gió hoặc năng lƣợng mặt trời là yêu cầu bức thiết nhằm giảm thiểu cuộc khủng hoảng năng lƣợng toàn cầu ngày càng trầm trọng trong khi giải quyết các vấn đề môi trƣờng [1]. Chuyển đổi điện từ năng lƣợng mặt trời hoặc từ gió thành nhiên liệu hydro thông qua điện phân nƣớc (hay còn gọi là tách nƣớc điện hóa tổng thể) là một phƣơng tiện hấp dẫn để thực hiện công nghệ lƣu trữ và chuyển đổi năng lƣợng này [2,3].

Hiện tại, chủ yếu có hai phƣơng pháp điện phân nƣớc đƣợc thƣơng mại hóa bao gồm điện phân nƣớc bằng màng trao đổi proton và kiềm (PEM). Điện phân nƣớc PEM có hiệu suất năng lƣợng cao với tốc độ sản xuất hydro cao, nhƣng yêu cầu chất xúc tác bằng kim loại quý nhƣ bạch kim (Pt) hoặc iridium (Ir) [4,5], cách này không thuận lợi do vật liệu có chi phí cao và khan hiếm. Một phƣơng pháp thay thế khác là điện phân nƣớc bằng chất điện phân kiềm.