Tổng hợp và đặc trưng vật liệu TiO2 m-doped hỗ trợ hạt nano bạch kim để cải thiện hiệu suất xúc tác trong pin nhiên liệu

• Tác giả: Tai Thien Huynh
• Người hướng dẫn: Assoc. Van Thi Thanh Ho
• Trường học: Vietnam National University - Ho Chi Minh City University of Technology
• Chuyên ngành: Chemical Engineering
• Đề tài: Nghiên Cứu Tổng Hợp Và Đặc Trưng Vật Liệu TiO2 m-Doped Hỗ Trợ Hạt Nano Bạch Kim Cho Hiệu Suất Xúc Tác Trong Pin Nhiên Liệu
• Loại tài liệu: Doctoral Dissertation
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

• PLEDGE
• ABSTRACT
• ACKNOWLEDGEMENTS
• 1. TABLE OF CONTENTS
• 2. LIST OF TABLES
• 3. LIST OF FIGURES
• 4. LIST OF SYMBOLS AND ABBREVIATIONS
• 5. THE MOTIVATION OF RESEARCH
• 6. INTRODUCTION AND LITERATURE REVIEW
• 6.1. Fuel cell systems
• 6.2. Overview of fuel cell technologies
• 6.3. Proton Exchange Membrane Fuel Cell
• 6.4. Direct Methanol Fuel Cell
• 6.5. Challenges and current issues of fuel cell systems
• 6.6. Non-carbon support materials
• 6.7. Tungsten trioxide (WO3) material
• 6.8. Iridium dioxide (IrO2) material
• 6.9. Titanium dioxide (TiO2) material
• 6.10. Metal-doped TiO2 materials
• 6.11. W-doped TiO2 material
• 6.12. Ir-doped TiO2 material
• 6.13. Methods for synthesizing M-doped TiO2 materials
• 6.14. Sol-gel method
• 6.15. Methods for preparing Pt-based catalyst
• 6.16. Chemical reduction method
• 6.17. Objectives of thesis research
• 7. MATERIALS AND EXPERIMENT
• 7.1. Synthesis of W-doped TiO2
• 7.2. Synthesis of 20 wt.
• 7.3. Synthesis of Ir-doped TiO2
• 7.4. Synthesis of Pt/Ti0.
• 7.5. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)
• 7.6. Scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray spectroscopy (SEM-EDX)
• 7.7. Transmission electron microscopy (TEM) and High-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM)
• 7.8. Brunauer Emmett Teller (BET) surface area analysis
• 7.9. Electrical conductivity measurements
• 7.10. Electrode preparation and electrochemical measurements
• 7.11. Electrochemical characterization techniques
• 8. HIGH CONDUCTIVITY AND SURFACE AREA OF Ti0.3O2 NANOSTRUCTURE SUPPORT FOR Pt NANOPARTICLES TOWARD ENHANCED METHANOL OXIDATION IN DMFC
• 8.1. Synthesis of Ti0.
• 8.2. Effect of reaction temperature on W-doped TiO2
• 8.3. Effect of reaction time on W-doped TiO2
• 8.4. Characterization of the novel Ti0.
• 8.5. The structure of Ti0.3O2 and un-doped TiO2
• 8.6. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of Ti0.
• 8.7. The morphology of Ti0.3O2 and un-doped TiO2
• 8.8. Elemental composition of Ti0.
• 8.9. BET surface area of the Ti0.
• 8.10. The electronic conductivity of the Ti0.
• 8.11. Synthesis of the 20 wt.
• 8.12. Electrochemical properties of the 20 wt.
• 9. NEW Ir DOPED TiO2 NANOSTRUCTURE SUPPORT FOR PLATINUM: ENHANCING CATALYTIC ACTIVITY AND DURABILITY FOR FUEL CELLS
• 9.1. Synthesis of the Ti0.
• 9.2. Effect of reaction time on Ir-doped TiO2
• 9.3. Effect of reaction temperature on Ir-doped TiO2
• 9.4. Effect of pH value on Ir-doped TiO2
• 9.5. 3O2 nanorod support prepared by a facile hydrothermal process: A promising non-carbon support for Pt in PEMFC
• 9.6. Characterization of novel Ti0.
• 9.7. Characterization of the 20 wt.
• 9.8. Electrochemical properties of the 20 wt.
• 10. Advanced nanoelectrocatalyst of Pt nanoparticles supported on robust Ti0.3O2 nanoparticles as a promising catalyst for fuel cells
• 10.1. Characterization of Ti0.
• 10.2. Characterization of the 20 wt.
• 10.3. Electrochemical properties of the 20 wt.
• 11. High conductivity of novel Ti0.1O2 support for Pt as a promising catalyst for low-temperature fuel cell applications
• 11.1. Characterization of the Ti0.
• 11.2. Characterization of the 20 wt.
• 11.3. Electrocatalytic properties of the 20 wt.
• 12. CONTRIBUTIONS OF THIS DISSERTATION
• 13. LIST OF PUBLICATIONS
• 14. LIST OF CONFERENCES
• 15. LIST OF RESEARCH PROJECTS

I. Tổng quan về nghiên cứu vật liệu TiO2 m doped cho pin nhiên liệu

Nghiên cứu về vật liệu TiO2 m-doped đang thu hút sự chú ý lớn trong lĩnh vực công nghệ pin nhiên liệu. Vật liệu này không chỉ có khả năng cải thiện hiệu suất xúc tác mà còn giúp tăng cường độ bền cho các hạt nano bạch kim. Việc sử dụng TiO2 m-doped làm chất hỗ trợ cho hạt nano bạch kim đã mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các hệ thống pin nhiên liệu hiệu quả hơn.

1.1. Đặc điểm của vật liệu TiO2 m doped

Vật liệu TiO2 m-doped được biết đến với khả năng cải thiện tính dẫn điện và hoạt tính điện hóa. Sự kết hợp giữa TiO2 và các kim loại chuyển tiếp như W và Ir đã tạo ra những đặc tính vượt trội cho vật liệu này, giúp tăng cường hiệu suất xúc tác trong pin nhiên liệu.

1.2. Vai trò của hạt nano bạch kim trong pin nhiên liệu

Hạt nano bạch kim đóng vai trò quan trọng trong quá trình xúc tác trong pin nhiên liệu. Chúng giúp tăng cường tốc độ phản ứng và cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống. Tuy nhiên, độ bền của chúng thường bị ảnh hưởng bởi sự ăn mòn và tách rời, điều này đã được giải quyết bằng cách sử dụng TiO2 m-doped.

II. Thách thức trong việc phát triển vật liệu xúc tác cho pin nhiên liệu

Mặc dù TiO2 m-doped có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc phát triển vật liệu xúc tác cho pin nhiên liệu. Các vấn đề như độ bền, khả năng dẫn điện và tương tác giữa các thành phần cần được giải quyết để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

2.1. Độ bền của hạt nano bạch kim

Độ bền của hạt nano bạch kim là một trong những vấn đề lớn nhất trong công nghệ pin nhiên liệu. Sự ăn mòn và tách rời của các hạt này có thể dẫn đến hiệu suất giảm sút. Việc sử dụng TiO2 m-doped giúp cải thiện độ bền nhờ vào khả năng tương tác mạnh mẽ giữa các thành phần.

2.2. Khả năng dẫn điện của TiO2

Khả năng dẫn điện thấp của TiO2 là một trong những trở ngại lớn trong việc ứng dụng của nó trong pin nhiên liệu. Tuy nhiên, việc m-doping với các kim loại chuyển tiếp đã chứng minh là một phương pháp hiệu quả để cải thiện tính dẫn điện của vật liệu này.

III. Phương pháp tổng hợp TiO2 m doped cho pin nhiên liệu

Có nhiều phương pháp khác nhau để tổng hợp vật liệu TiO2 m-doped, trong đó phương pháp tổng hợp một bước không sử dụng chất hoạt động bề mặt đã cho thấy hiệu quả cao. Phương pháp này không chỉ đơn giản mà còn giúp tiết kiệm thời gian và chi phí.

3.1. Phương pháp tổng hợp một bước

Phương pháp tổng hợp một bước cho phép tạo ra TiO2 m-doped mà không cần qua các bước xử lý nhiệt phức tạp. Điều này giúp giảm thiểu sự hình thành các tạp chất và cải thiện tính đồng nhất của vật liệu.

3.2. Ảnh hưởng của điều kiện tổng hợp đến tính chất vật liệu

Điều kiện tổng hợp như nhiệt độ và thời gian phản ứng có ảnh hưởng lớn đến cấu trúc và tính chất của TiO2 m-doped. Việc tối ưu hóa các điều kiện này là rất quan trọng để đạt được vật liệu với hiệu suất xúc tác tốt nhất.

IV. Kết quả nghiên cứu về hiệu suất xúc tác của TiO2 m doped

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các electrocatalysts TiO2 m-doped hỗ trợ hạt nano bạch kim có hiệu suất xúc tác vượt trội so với các vật liệu truyền thống. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng TiO2 m-doped không chỉ cải thiện hoạt tính xúc tác mà còn tăng cường độ bền cho hệ thống pin nhiên liệu.

4.1. Hiệu suất xúc tác trong quá trình oxi hóa methanol

Các electrocatalysts TiO2 m-doped cho thấy hiệu suất cao trong quá trình oxi hóa methanol, với tỷ lệ If/Ib cao hơn so với các vật liệu khác. Điều này cho thấy khả năng chống lại sự nhiễm độc CO tốt hơn của vật liệu này.

4.2. Độ bền của electrocatalysts trong điều kiện thực tế

Độ bền của electrocatalysts TiO2 m-doped đã được kiểm chứng qua các thử nghiệm chu kỳ, cho thấy khả năng duy trì hiệu suất trong thời gian dài. Điều này là một yếu tố quan trọng cho việc ứng dụng trong các hệ thống pin nhiên liệu thực tế.

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

Nghiên cứu về TiO2 m-doped hỗ trợ hạt nano bạch kim đã mở ra nhiều triển vọng cho công nghệ pin nhiên liệu. Việc cải thiện hiệu suất xúc tác và độ bền của vật liệu sẽ là chìa khóa cho sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp năng lượng.

5.1. Triển vọng ứng dụng trong công nghiệp

Với những ưu điểm vượt trội, TiO2 m-doped có thể được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống pin nhiên liệu công nghiệp, giúp giảm thiểu chi phí và tăng cường hiệu suất.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa các điều kiện tổng hợp và khám phá thêm các loại kim loại chuyển tiếp khác để cải thiện hơn nữa tính chất của TiO2 m-doped.