Luận văn thạc sĩ về sự hút bám điện tử của hydro trên bề mặt platinum 100

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nhiệt động lực học sự hút bám điện tử của hydro lên bề mặt platinum 100, cung cấp kiến thức chuyên sâu và ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Nguyễn Ngọc Thiện
• Người hướng dẫn: TS. Trần Thị Thu Hạnh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa học tính toán
• Đề tài: Nghiên cứu nhiệt động lực học nguyên lý ban đầu về sự hút bám điện tử của hydro lên bề mặt platinum (100)
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Pin nhiên liệu
• 2.2. Nguyên lý hoạt động
• 2.3. Phân loại và ứng dụng pin nhiên liệu
• 2.4. Ưu nhược điểm của pin nhiên liệu hydro
• 2.5. Vật liệu xúc tác – kim loại platinum
• 2.6. Bề mặt kim loại Pt(100)
• 2.7. Lý thuyết phiếm hàm mật độ
• 2.8. Định lý Hohenberg - Kohn
• 2.9. Phương pháp Kohn - Sham
• 2.10. Các xấp xỉ trong tính toán DFT
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN
• 3.1. Tính toán SIESTA
• 3.2. Các thông số cơ bản trong mô phỏng SIESTA
• 3.3. Mô hình bề mặt Pt(100)
• 3.4. Năng lượng điểm không (Zero Point Energy – ZPE)
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Phân Tử hydro
• 4.2. Vị trí hấp phụ của hydro trên bề mặt Pt(100)
• 4.3. Sự hội tụ của các thông số trong mô hình
• 4.4. Năng lượng điểm không (ZPE)
• 4.5. Năng lượng hấp phụ hydro có tính ảnh hưởng lượng tử
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu về sự hút bám điện tử của hydro lên bề mặt platinum 100 là một lĩnh vực quan trọng trong khoa học vật liệu và năng lượng. Hydro, với khả năng hấp phụ cao trên bề mặt platinum, đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng như pin nhiên liệu. Việc hiểu rõ tính chất bề mặt của platinum 100 giúp tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị điện hóa. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) để khảo sát các đặc tính hấp phụ của nguyên tử hydro trên bề mặt Pt(100). Kết quả cho thấy rằng năng lượng hấp phụ của hydro có sự phụ thuộc mạnh vào vị trí hấp phụ, với năng lượng điểm không được xác định cho từng vị trí hấp phụ khác nhau.

1.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu

Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về tương tác hóa học giữa hydro và platinum, mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các nguồn năng lượng sạch. Pin nhiên liệu sử dụng hydro có tiềm năng lớn trong việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Việc tối ưu hóa cấu trúc bề mặt của platinum 100 có thể dẫn đến việc cải thiện hiệu suất của pin nhiên liệu, từ đó thúc đẩy sự phát triển bền vững trong ngành năng lượng.

II. Tổng quan về pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu là một công nghệ hứa hẹn trong việc chuyển đổi năng lượng hóa học thành điện năng một cách hiệu quả. Hydro, với vai trò là nhiên liệu chính, khi kết hợp với platinum làm chất xúc tác, tạo ra điện mà không thải ra khí độc hại. Platinum 100 được lựa chọn vì tính chất xúc tác vượt trội của nó. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tương tác hóa học giữa hydro và platinum có thể được mô phỏng và phân tích thông qua các phương pháp lý thuyết. Việc hiểu rõ về tính chất bề mặt của platinum sẽ giúp tối ưu hóa quá trình hấp phụ, từ đó nâng cao hiệu suất của pin nhiên liệu.

2.1. Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu

Pin nhiên liệu hoạt động dựa trên phản ứng hóa học giữa hydro và oxy, tạo ra nước và điện. Quá trình này diễn ra tại các điện cực, nơi mà platinum đóng vai trò là chất xúc tác. Nghiên cứu cho thấy rằng năng lượng hấp phụ của hydro trên bề mặt platinum 100 có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của pin. Các vị trí hấp phụ khác nhau trên bề mặt platinum sẽ dẫn đến các mức năng lượng khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng sản xuất điện của pin nhiên liệu.

III. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) để mô phỏng và phân tích sự hút bám điện tử của hydro trên bề mặt platinum 100. Phương pháp này cho phép tính toán chính xác các đặc tính hấp phụ của nguyên tử hydro, bao gồm năng lượng điểm không và năng lượng hấp phụ. Kết quả cho thấy rằng vị trí hấp phụ của hydro có ảnh hưởng lớn đến tính chất bề mặt của platinum. Việc xác định các thông số này là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất của pin nhiên liệu.

3.1. Mô hình bề mặt Pt 100

Mô hình bề mặt platinum 100 được xây dựng dựa trên cấu trúc tinh thể FCC. Các vị trí hấp phụ của hydro được xác định tại các điểm khác nhau trên bề mặt, bao gồm vị trí đỉnh, cầu ngắn và cầu dài. Nghiên cứu cho thấy rằng hydro có xu hướng hấp phụ mạnh nhất tại vị trí đỉnh, với năng lượng hấp phụ cao nhất. Điều này cho thấy rằng việc tối ưu hóa vị trí hấp phụ có thể dẫn đến việc cải thiện hiệu suất của pin nhiên liệu.

IV. Kết quả và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng năng lượng hấp phụ của hydro trên bề mặt platinum 100 có sự phụ thuộc mạnh vào vị trí hấp phụ. Năng lượng điểm không được xác định cho từng vị trí hấp phụ khác nhau, với giá trị cao nhất tại vị trí đỉnh. Điều này cho thấy rằng tương tác hóa học giữa hydro và platinum là rất mạnh mẽ, ảnh hưởng đến khả năng hấp phụ và hiệu suất của pin nhiên liệu. Các kết quả này có thể được áp dụng trong việc phát triển các công nghệ năng lượng sạch hơn.

4.1. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này có giá trị thực tiễn cao trong việc phát triển các công nghệ pin nhiên liệu. Việc tối ưu hóa tính chất bề mặt của platinum 100 có thể dẫn đến việc cải thiện hiệu suất của pin nhiên liệu, từ đó thúc đẩy sự phát triển bền vững trong ngành năng lượng. Các ứng dụng của pin nhiên liệu trong giao thông vận tải và sản xuất điện có thể giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và sử dụng hiệu quả hơn các nguồn năng lượng tái tạo.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng đóng vai trò quyết định trong sự phát triển của xã hội hiện đại, trong đó phần lớn nguồn năng lượng hiện nay được cung cấp từ nhiên liệu hóa thạch như than, dầu mỏ và khí thiên nhiên. Tuy nhiên, các nguồn năng lượng này là nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm môi trường và biến đổi khí hậu toàn cầu. Theo ước tính, việc chuyển đổi sang các nguồn năng lượng thân thiện với môi trường là cấp thiết để giảm thiểu tác động tiêu cực này. Trong bối cảnh đó, pin nhiên liệu hydro nổi lên như một giải pháp năng lượng sạch với nhiều ưu điểm về hiệu suất, tính tiện lợi và thân thiện với môi trường.

Luận văn tập trung nghiên cứu nhiệt động lực học nguyên lý ban đầu về sự hút bám điện tử của nguyên tử hydro lên bề mặt platinum (100) – một vật liệu xúc tác quan trọng trong pin nhiên liệu hydro. Mục tiêu chính là khảo sát các đặc tính hấp phụ của hydro trên bề mặt Pt(100) bằng phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT), đồng thời phân tích ảnh hưởng của hiệu ứng lượng tử, cụ thể là năng lượng điểm không (Zero Point Energy – ZPE), đến quá trình hấp phụ này. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi mô phỏng cấu trúc bề mặt Pt(100) với các vị trí hấp phụ khác nhau của hydro, trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 5 năm 2020 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hiểu rõ cơ chế hấp phụ hydro trên bề mặt platinum, từ đó góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền của pin nhiên liệu hydro, hướng tới phát triển các nguồn năng lượng sạch thay thế nhiên liệu hóa thạch truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết nền tảng chính:

1. Lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory – DFT): Đây là phương pháp tính toán cấu trúc điện tử dựa trên mật độ điện tử thay vì hàm sóng nhiều hạt, giúp giảm đáng kể độ phức tạp tính toán. DFT cho phép mô phỏng chính xác các tính chất vật lý và hóa học của hệ nguyên tử với chi phí tính toán hợp lý. Trong nghiên cứu, phiếm hàm tương quan trao đổi GGA-PBE được sử dụng để đảm bảo độ chính xác cao.

2. Năng lượng điểm không (Zero Point Energy – ZPE): Đây là năng lượng tối thiểu mà một hệ lượng tử có được ngay cả ở nhiệt độ tuyệt đối 0 K, phản ánh ảnh hưởng của hiệu ứng lượng tử lên dao động nguyên tử. ZPE được tính toán dựa trên dao động điều hòa của nguyên tử hydro quanh vị trí cân bằng trên bề mặt Pt(100).

Các khái niệm chính bao gồm:

• Vị trí hấp phụ: Bao gồm vị trí đỉnh (top), cầu ngắn (short bridge – sb) và cầu dài (long bridge – lb) trên bề mặt Pt(100).
• Năng lượng hấp phụ (E_ads): Đại lượng đo độ bền của sự hấp phụ hydro trên bề mặt platinum.
• Điểm k (k-point): Các điểm trong không gian đảo dùng để tính toán hội tụ năng lượng trong mô hình tính toán DFT.
• Giả thế (pseudopotential): Xấp xỉ thay thế tương tác phức tạp của electron lõi nhằm giảm chi phí tính toán.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là kết quả mô phỏng lý thuyết dựa trên phương pháp DFT sử dụng phần mềm SIESTA, một công cụ tính toán cấu trúc điện tử và mô phỏng động lực học ab initio. Cỡ mẫu mô hình bao gồm bề mặt platinum (100) với số lớp Pt thay đổi từ 3 đến 10 lớp, nhằm khảo sát sự hội tụ của năng lượng hấp phụ hydro. Mô hình hydro hấp phụ được thiết lập với độ bao phủ 1/3 số nguyên tử lớp bề mặt.

Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng nguyên tử hydro tại ba vị trí hấp phụ chính trên bề mặt Pt(100): top, sb và lb. Các thông số tính toán được tối ưu gồm:

• Phiếm hàm tương quan trao đổi GGA-PBE.
• Bộ hàm sóng phân cực kép zeta (DZP).
• Lưới cắt (mesh-cutoff) 200 Ry.
• Điểm k được khảo sát từ (3x3x1) đến (13x13x1) để đảm bảo hội tụ năng lượng.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ ngày giao nhiệm vụ 10/02/2020 đến ngày hoàn thành 15/05/2020, với các bước chính gồm xây dựng mô hình, chạy mô phỏng, phân tích kết quả và viết báo cáo luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Năng lượng hấp phụ hydro trên bề mặt Pt(100):
   Kết quả mô phỏng cho thấy năng lượng hấp phụ hydro có giá trị âm nhất tại vị trí đỉnh (top) với khoảng -0.87 eV, tiếp theo là vị trí cầu ngắn (sb) khoảng -0.65 eV và vị trí cầu dài (lb) khoảng -0.45 eV. Điều này chứng tỏ hydro hấp phụ bền nhất tại vị trí top và kém bền nhất tại vị trí lb.

2. Ảnh hưởng của số lớp Pt và điểm k đến hội tụ năng lượng:
   Khi số lớp Pt tăng từ 3 lên 8 lớp, sự dao động của năng lượng hấp phụ giảm dần, đạt hội tụ rõ rệt từ 8 lớp trở lên. Tương tự, điểm k từ (3x3x1) đến (6x6x1) cho kết quả biến động lớn, trong khi từ (8x8x1) đến (13x13x1) năng lượng hấp phụ ổn định với sai số dưới 0.01 eV, cho thấy điểm k (8x8x1) là lựa chọn tối ưu cân bằng giữa độ chính xác và chi phí tính toán.

3. Năng lượng điểm không (ZPE) của hydro hấp phụ:
   Năng lượng ZPE được tính lần lượt là khoảng 0.284 eV tại vị trí top, 0.164 eV tại vị trí sb và 0.096 eV tại vị trí lb. Hydro dao động mạnh nhất tại vị trí top, điều này ảnh hưởng đáng kể đến tổng năng lượng hấp phụ khi tính đến hiệu ứng lượng tử.

4. Tổng năng lượng hấp phụ có tính đến hiệu ứng lượng tử:
   Khi cộng thêm năng lượng ZPE, tổng năng lượng hấp phụ hydro giảm nhẹ, làm tăng độ bền hấp phụ tại vị trí top, củng cố kết quả vị trí hấp phụ ưu tiên của hydro trên bề mặt Pt(100).

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân hydro hấp phụ bền nhất tại vị trí top có thể giải thích do cấu trúc tinh thể lập phương tâm diện (FCC) của platinum tạo ra vị trí đỉnh có mật độ electron và khả năng tương tác mạnh nhất với nguyên tử hydro. Sự dao động mạnh của hydro tại vị trí này cũng làm tăng năng lượng điểm không, phản ánh ảnh hưởng lượng tử rõ nét.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả về vị trí hấp phụ ưu tiên và giá trị năng lượng hấp phụ tương đồng, khẳng định tính chính xác của phương pháp DFT với phiếm hàm GGA-PBE và mô hình giả thế được sử dụng. Việc khảo sát hội tụ theo số lớp Pt và điểm k cũng giúp đảm bảo độ tin cậy của kết quả, tránh sai số do mô hình hóa không đầy đủ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ năng lượng hấp phụ theo vị trí hydro trên bề mặt Pt(100) và bảng tổng hợp năng lượng ZPE tại các vị trí hấp phụ, giúp trực quan hóa sự khác biệt và ảnh hưởng của hiệu ứng lượng tử.

Kết quả nghiên cứu góp phần làm rõ cơ chế hấp phụ hydro trên bề mặt platinum, từ đó hỗ trợ phát triển vật liệu xúc tác hiệu quả hơn cho pin nhiên liệu hydro, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng sạch.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường nghiên cứu mô phỏng đa vị trí hấp phụ:
   Tiến hành mở rộng mô hình với các vị trí hấp phụ khác và các mức độ bao phủ hydro khác nhau để đánh giá ảnh hưởng tương tác giữa các nguyên tử hydro, nhằm mô phỏng sát thực tế hơn.

2. Phát triển vật liệu xúc tác mới dựa trên platinum:
   Khuyến nghị nghiên cứu các hợp kim platinum hoặc vật liệu thay thế có cấu trúc tương tự để tối ưu hóa hiệu suất hấp phụ và giảm chi phí sản xuất pin nhiên liệu.

3. Ứng dụng kết quả vào thiết kế pin nhiên liệu:
   Sử dụng dữ liệu năng lượng hấp phụ và ZPE để cải tiến cấu trúc bề mặt xúc tác, nâng cao hiệu suất phản ứng oxy hóa hydro (HOR) trong pin nhiên liệu, hướng tới sản phẩm thương mại hiệu quả và bền vững.

4. Tăng cường hợp tác nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng:
   Đề xuất phối hợp với các phòng thí nghiệm vật lý tính toán và hóa học để kiểm chứng kết quả mô phỏng bằng các phương pháp thực nghiệm, từ đó hoàn thiện mô hình lý thuyết.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-2 năm tới, với sự phối hợp giữa các nhóm nghiên cứu trong và ngoài nước, đồng thời tận dụng các nguồn lực tính toán hiện đại.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu vật liệu xúc tác:
   Có thể sử dụng kết quả để phát triển và tối ưu hóa vật liệu xúc tác platinum cho pin nhiên liệu, nâng cao hiệu suất và độ bền.

2. Chuyên gia công nghệ pin nhiên liệu:
   Áp dụng kiến thức về cơ chế hấp phụ hydro để cải tiến thiết kế pin nhiên liệu hydro, giảm chi phí và tăng hiệu suất hoạt động.

3. Sinh viên và học viên cao học ngành khoa học tính toán và vật lý:
   Tham khảo phương pháp DFT và mô hình hóa bề mặt kim loại, cũng như cách tính năng lượng điểm không trong nghiên cứu vật liệu.

4. Các nhà hoạch định chính sách năng lượng sạch:
   Hiểu rõ tiềm năng và thách thức của pin nhiên liệu hydro, từ đó xây dựng chiến lược phát triển năng lượng tái tạo phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp DFT có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
   DFT cho phép mô phỏng chính xác cấu trúc điện tử và tính chất hấp phụ của nguyên tử hydro trên bề mặt platinum với chi phí tính toán hợp lý, giúp hiểu rõ cơ chế vật lý lượng tử của hệ.

2. Tại sao cần tính năng lượng điểm không (ZPE)?
   ZPE phản ánh ảnh hưởng của dao động lượng tử nguyên tử hydro, ảnh hưởng đến tổng năng lượng hấp phụ và vị trí hấp phụ ưu tiên, giúp kết quả mô phỏng sát thực tế hơn.

3. Làm thế nào để đảm bảo kết quả mô phỏng hội tụ?
   Bằng cách khảo sát sự thay đổi năng lượng hấp phụ theo số lớp Pt và điểm k, chọn giá trị đủ lớn để năng lượng không biến động đáng kể, đảm bảo độ chính xác.

4. Vị trí hấp phụ nào của hydro trên Pt(100) là ổn định nhất?
   Vị trí đỉnh (top) là vị trí hấp phụ bền nhất với năng lượng hấp phụ âm lớn nhất, phù hợp với các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng trước đây.

5. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng thực tiễn như thế nào?
   Giúp thiết kế vật liệu xúc tác hiệu quả hơn cho pin nhiên liệu hydro, nâng cao hiệu suất phản ứng và độ bền, góp phần phát triển năng lượng sạch thay thế nhiên liệu hóa thạch.

Kết luận

• Luận văn đã thành công trong việc mô phỏng và phân tích sự hấp phụ của nguyên tử hydro trên bề mặt platinum (100) bằng phương pháp DFT với phiếm hàm GGA-PBE và mô hình giả thế DZP.
• Năng lượng hấp phụ hydro bền nhất tại vị trí đỉnh (top) với giá trị khoảng -0.87 eV, vị trí cầu ngắn (sb) và cầu dài (lb) có năng lượng hấp phụ thấp hơn.
• Năng lượng điểm không (ZPE) của hydro dao động mạnh nhất tại vị trí top (~0.284 eV), ảnh hưởng đáng kể đến tổng năng lượng hấp phụ.
• Sự hội tụ năng lượng được đảm bảo khi sử dụng mô hình Pt(100) với 8 lớp Pt và điểm k (8x8x1), cân bằng giữa độ chính xác và chi phí tính toán.
• Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết về cơ chế hấp phụ hydro trên bề mặt platinum, hỗ trợ phát triển vật liệu xúc tác và pin nhiên liệu hydro hiệu quả hơn trong tương lai.

Tiếp theo, cần mở rộng nghiên cứu với các vị trí hấp phụ khác và hợp tác thực nghiệm để hoàn thiện mô hình. Đề nghị các nhà nghiên cứu và chuyên gia trong lĩnh vực năng lượng sạch tiếp cận và ứng dụng kết quả này nhằm thúc đẩy phát triển công nghệ pin nhiên liệu hydro bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU Hầu hết hiện nay các nguồn năng lượng được cung cấp từ nhiên liệu hóa thạch (than, dầu mỏ và khí thiên nhiên) là nguyên nhân chính gây ra khủng hoảng khí hậu. Vì tình trạng này, việc tìm ra các nguồn nhiên liệu thân thiện với môi trường để thay thế là rất cần thiết. Trong những năm gần đây, công nghệ pin nhiên liệu sử dụng hydro đang được phát triển mạnh bởi nhiều ưu điểm về hiệu suất, thuận tiện, thân thiện với môi trường. Hydro là nguồn năng lượng lý tưởng, có nhiệt năng riêng cao đồng thời không gây ô nhiễm môi trường.

Mặt khác, hydro có thể điều chế từ nhiều nguồn khác nhau nên không phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.1: Hình dạng của pin nhiên liệu [1]. Pin nhiên liệu là thiết bị điện hóa có khả năng biến đổi trực tiếp hóa năng thành điện năng nhờ quá trình oxy hóa khử. Về cơ bản, pin nhiên liệu hoạt động tương tự như một ắc quy, tuy nhiên ắc quy thông thường chỉ có thể cung cấp lượng điện năng giới hạn và ngừng hoạt động khi các chất hóa học được tiêu thụ hết và cần phải nạp điện lại từ nguồn cung cấp điện bên ngoài. Ngược lại pin nhiên liệu không tích trữ 1 nhiên liệu bên trong, dòng điện trong pin được tạo ra liên tục khi có nguồn nhiên liệu bên ngoài cung cấp liên tục.

Vì pin nhiên liệu chuyển hóa năng lượng từ phản ứng hóa học thành điện năng mà không xảy ra phản ứng đốt cháy nhiên liệu nên không gây ra tiếng ồn trong quá trình phản ứng sản xuất điện mà hiệu quả sinh năng lượng gấp 2, 3 lần động cơ đốt trong. Pin nhiên liệu tạo ra dòng điện sạch, không tạo ra chất thải gây ô nhiễm trong quá trình chuyển đổi từ nhiên liệu sang điện.2: Sơ đồ hoạt động của pin nhiêu liệu [1]. Giữa các hệ tương tác trong pin nhiên liệu, hydro – platium là một trong số các mô hình được nghiên cứu chuyên sâu nhất [2, 3]. Dựa trên các báo cáo về mô hình mô phỏng lý thuyết và các kết quả thực nghiệm, chúng tôi tiến hành lựa chọn cấu trúc đại diện H-Pt làm vật liệu chính để thực hiện nghiên cứu cho ứng dụng này.

2 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2. Pin nhiên liệu Pin nhiên liệu là một thiết bị tạo ra điện thông qua phản ứng hóa học điện phân ngược trong đó hydro và oxy phản ứng để tạo ra nước và điện. Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu đã được tìm ra từ năm 1802 nhưng mãi tới năm 1839 nó mới có được những bước tiến quan trọng: sử dụng các điện cực bằng platinum có cấu trúc xốp và dung dịch điện phân là acid sunfuric. Là công trình của một nhà khoa học người Anh, William Robert Grove, ông đã chế tạo thành công pin nhiên liệu đầu tiên [4].

Năm 1889, Ludwig Mond và Charles Langer đã thử nghiệm chế tạo ra pin nhiên liệu hoạt động khá tốt, sử dụng nguồn nhiên liệu là không khí và khí than đá công nghiệp. Cũng trong thời gian này, William White Jaques đã thành công với một loại pin nhiên liệu có dung dịch điện giải là acid phosphoric. Từ cuối năm 1980, pin nhiên liệu bắt đầu được mở rộng sang khu vực dân dụng và được các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu đến ngày nay. Pin nhiên liệu không thải ra khí thải carbon có hại trong không khí gây ô nhiễm và ảnh hưởng đến sự nóng lên toàn cầu.

Quá trình hóa học liên quan đến đốt cháy hydro, nó thải ra nước, nhiệt và các khí thải khác chứ không phải carbon. Phản ứng hóa học giữa hydro và oxy không tạo ra ô nhiễm mà thay vào đó, giải phóng điện được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau. Hydro là nguyên tố phong phú nhất trong vũ trụ. Do đó, nó trở thành một trong những nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời đến từ mặt trời.

Không giống như các nguồn năng lượng hạn chế như nhiên liệu hóa thạch và dự trữ năng lượng hạt nhân, năng lượng đến từ hydro trở thành một năng lượng thay thế rất thiết thực và quan trọng. Pin nhiêu liệu có thể liên tục sản sinh ra điện khi nguyên liệu oxy và hydro vẫn còn. Pin nhiên liệu không xảy ra phản ứng đốt cháy nhiên liệu, hầu như không gây ra tiếng ồn trong quá trình phản ứng sản xuất điện, và hiệu quả sinh naăng lượng gấp 2, 3 lần động cơ đốt trong. Với các thùng chứa đủ lớn, các trạm sản xuất hydro có thể sản xuất hydro sạch và lưu trữ nhiên liệu đó nhiều tuần thậm chí nhiều tháng.

Đây sẽ là một lựa chọn tốt cho việc lưu trữ năng lượng để tối đa giá trị sử dụng và loại bỏ được nhiều thách thức đối với năng lượng tái tạo. Cấu tạo Hình 2.1 Cấu tạo của một pin nhiên liệu [5]. Pin nhiên liệu có cấu tạo đơn giản bao gồm ba lớp nằm trên nhau: - Lớp thứ nhất là điện cực nhiên liệu - anode. - Lớp thứ hai là chất điện giải dẫn proton - màng.

- Lớp thứ ba là điện cực khí oxy - cathode. Hai điện cực được làm bằng chất dẫn điện (kim loại, than chì,. Trên bề mặt các điện cực có phủ một lớp chất xúc tác. Chất xúc tác làm bằng bột platinum, phủ rất 4 mỏng lên giấy than hoặc vải than, rất nhám và rỗ với những lỗ rất nhỏ.

Mặt nhám tiếp xúc với khí hydro và oxy, mặt phẳng mềm tiếp xúc với tác nhân hóa học. Chất điện giải được dùng từ nhiều chất khác nhau tùy thuộc vào loại của pin: có loại ở thể rắn, có loại ở thể lỏng và có cấu trúc màng. Nguyên lý hoạt động Hình 2.2 Cơ chế hoạt động của pin nhiên liệu hydro [5]. Về phương diện hóa học, pin nhiên liệu là phản ứng ngược lại của sự điện phân.

Trong quá trình điện phân, nước bị tách ra thành khí hydro và oxy nhờ vào năng lượng điện. Pin nhiên liệu lấy hai chất này biến đổi chúng thành nước và tạo ra dòng điện ở mạch ngoài. Nhiên liệu (khí H2) được dẫn liên tục vào điện cực anode; còn chất oxy hóa, thông thường là oxy, được đưa vào cathode. H2 đi qua màng xúc tác dưới tác dụng của áp suất.

Khi một phân tử H2 đến tiếp xúc Pt, sẽ bị phân tách thành 2H+ và 2e-. Phản ứng tại anode: H! → 2H ! + 2e! .1) 5 Các proton H+ di chuyển trong chất điện giải xuyên qua màng đi đến cathode. Các điện tử được giải phóng đi từ anode qua mạch bên ngoài về cathode kết hợp với khí oxy và các ion H+ sinh ra nước đồng thời tạo ra dòng điện ở mạch ngoài. Phản ứng tại cathode: O! + 4H ! + 4e! → 2H! O.2) Phản ứng tổng quát trong pin nhiên liệu: 2H! + O! → 2H! O.3) Ta thấy quá trình chuyển hóa năng lượng từ phản ứng hóa học sang điện năng là trực tiếp, không có sự trao đổi giữa hai nguồn nên pin nhiên liệu không được xem là một loại động cơ nhiệt.

Điều này đồng nghĩa với việc hiệu suất của pin nhiên liệu không bị giới hạn bởi các định luật nhiệt động lực học dành cho động cơ nhiệt thông thường. Phân loại và ứng dụng pin nhiên liệu Một số tiêu chí để phân loại pin nhiên liệu: - Phân loại theo nhiệt độ hoạt động. - Phân loại theo các chất tham gia phản ứng - Phân loại theo điện cực. - Phân loại theo chất điện giải.

Đây là cách phân loại thông dụng ngày nay. Với các loại pin như sau: 2. Pin nhiên liệu dùng màng polymer rắn làm chất điện giải (PEMFC) PEMFC sử dụng màng polymer rắn làm chất điện giải nên giảm sự ăn mòn và dễ bảo dưỡng. Nhiệt độ hoạt động 500 - 8000C.

Loại pin này được sản xuất nhiều nhất để sử dụng cho các phương tiện vận tải vì công suất lớn, nhiệt độ vận hành thấp và ổn định. Tuy nhiên, sản phẩm tham gia phản ứng phải có độ tinh khiết cao.3 Pin nhiên liệu dùng màng polymer rắn làm chất điện giải [6]. Pin nhiên liệu dùng axit phosphoric (PAFC) Loại pin nhiên liệu này dùng acid phosphoric, có rất nhiều hứa hẹn sẽ thành công trong thị trường nhỏ như máy phát điện tư nhân. Loại này chỉ hoạt động với nhiệt độ 1500 - 20000C cao hơn PEMFC cho nên phải tốn nhiều thời gian hâm nóng.

Vì vậy, nó sử dụng nhiều nhiên liệu hơn và không thể đưa vào thị trường xe ô tô.4 Pin nhiên liệu dùng acid phosphoric [7]. Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFC) Năng suất SOFC tương đối cao, có thể sử dụng hơi nước với sức ép cao nạp vào turbin sản xuất thêm điện năng. SOFC không bị nhiễm độc bởi CO do không sử dụng chất xúc tác Pt. Ở nhiệt độ cao, quá trình tách hydro ra khỏi nhiên liệu xảy ra dễ dàng.

Yêu cầu về sự tinh khiết đối với nhiên liệu thấp. Loại pin nhiên liệu này rất thích hợp cho những công nghệ lớn như nhà máy phát điện.5 Pin nhiên liệu oxit rắn[8]. Tuy nhiên, việc thiết kế pin phức tạp, yêu cầu bảo dưỡng nhiều hơn. Hoạt động ở nhiệt độ quá cao khoảng 7000 - 10000C nên độ tin cậy trong suốt quá trình này không được đảm bảo.

Vì lý do an toàn mà SOFC không thể đưa vào thị trường. Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (MCFC) Loại pin nhiên liệu này cũng giống như SOFC, chỉ hoạt động ở nhiệt độ cao, khoảng 6000 – 65000C. MCFC thích hợp cho công nghệ lớn như nhà máy phát điện, sử dụng hơi nước để chạy turbin. Với tầm hoạt động trong nhiệt độ tương đối thấp, MCFC sử dụng ít chất liệu hóa học khác lạ và giá thiết kế thấp hơn SOFC.

Tuy nhiên, tính bền của pin không cao. Pin hoạt động ở nhiệt độ cao nên dễ bị ăn mòn và sự đánh thủng các thành phần nhanh dần.6 Pin nhiên liệu oxit rắn[9]. Pin nhiên liệu kiềm (AFC) Đây là loại pin nhiên liệu sử dụng chất điện giải là kiềm được dùng trong chương trình Không Gian Hoa Kỳ (NASA) từ năm 1960. Năng suất của AFC sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều nếu ô nhiễm.

Do đó, AFC cần phải có hydro và oxy tinh khiết. Nhiệt độ hoạt động 600 – 9000C. Ngoài ra, thiết kế loại pin này rất tốn kém cho nên không thể nào tung ra thị trường cạnh tranh với các loại pin nhiên liệu khác. Hiệu suất pin cao.7 Pin nhiên liệu oxit rắn[10].

Pin nhiên liệu dung methanol trực tiếp (DMFC) DMFC sử dụng nhiên liệu là methanol, hoạt động ở nhiệt độ 300 – 13000C, không đòi hỏi một bộ chuyển đổi nhiên liệu bên ngoài. DMFC có hiện tượng methanol bị thấm qua màng nên hiệu suất bị giảm. Bao gồm hai loại: pin nhiên liệu kiềm và pin nhiên liệu acid.8 Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp[11].