Luận văn thạc sĩ về tổng hợp vật liệu 5sro 5coo 8feo 2o3gbscf5582 và khảo sát độ chọn lọc

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích công nghệ hóa học tổng hợp bao 5sro 5coo 8feo 2o3gbscf5582 bằng phương pháp đồng kết tủa và khảo, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Phạm Nguyễn Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Lê Minh Viễn
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ hóa học
• Đề tài: Tổng hợp Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3−δ (BSCF- 5582) bằng phương pháp đồng kết tủa và khảo sát độ chọn lọc của vật liệu
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu tổng hợp vật liệu 5Sr0

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu 5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ (BSCF-5582) bằng phương pháp đồng kết tủa đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu trong lĩnh vực hóa học vật liệu. Vật liệu này có tiềm năng ứng dụng cao trong các pin nhiên liệu oxit rắn (SOFCs) nhờ vào tính chất điện hóa vượt trội. Việc tìm hiểu về phương pháp tổng hợp và các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu là rất cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất của nó trong các ứng dụng thực tiễn.

1.1. Đặc điểm và ứng dụng của vật liệu 5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3 δ

Vật liệu 5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ có cấu trúc perovskite, nổi bật với khả năng dẫn điện tốt và tính chọn lọc cao trong các phản ứng điện hóa. Những đặc điểm này giúp nó trở thành một ứng cử viên lý tưởng cho catot trong pin nhiên liệu SOFCs, nơi mà hiệu suất và độ bền là rất quan trọng.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu tổng hợp vật liệu

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu 5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ không chỉ giúp cải thiện hiệu suất của pin nhiên liệu mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu catot khác. Việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp sẽ giúp giảm chi phí sản xuất và nâng cao tính khả thi trong ứng dụng thực tế.

II. Thách thức trong nghiên cứu vật liệu 5Sr0

Mặc dù vật liệu 5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ có nhiều ưu điểm, nhưng việc tổng hợp và tối ưu hóa nó vẫn gặp phải một số thách thức. Các yếu tố như nhiệt độ nung, pH của dung dịch và thời gian nung đều ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất của vật liệu. Do đó, việc nghiên cứu sâu về các yếu tố này là rất cần thiết.

2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung đến tính chất vật liệu

Nhiệt độ nung là một yếu tố quan trọng trong quá trình tổng hợp vật liệu 5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ. Nhiệt độ quá cao có thể dẫn đến sự phân hủy cấu trúc, trong khi nhiệt độ quá thấp có thể không đủ để tạo ra vật liệu với tính chất mong muốn. Việc xác định nhiệt độ tối ưu là cần thiết để đạt được vật liệu có chất lượng cao.

2.2. Tác động của pH đến quá trình tổng hợp

pH của dung dịch trong quá trình đồng kết tủa cũng ảnh hưởng lớn đến kích thước hạt và độ đồng đều của vật liệu. Nghiên cứu cho thấy rằng pH tối ưu có thể giúp cải thiện tính chất điện hóa của vật liệu, từ đó nâng cao hiệu suất trong ứng dụng thực tế.

III. Phương pháp đồng kết tủa trong tổng hợp vật liệu 5Sr0

Phương pháp đồng kết tủa là một trong những kỹ thuật hiệu quả nhất để tổng hợp vật liệu 5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ. Kỹ thuật này cho phép kiểm soát tốt kích thước hạt và cấu trúc của vật liệu, từ đó nâng cao tính chất điện hóa. Việc áp dụng phương pháp này trong nghiên cứu đã cho thấy nhiều kết quả khả quan.

3.1. Quy trình tổng hợp vật liệu bằng phương pháp đồng kết tủa

Quy trình tổng hợp vật liệu 5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ bằng phương pháp đồng kết tủa bao gồm các bước chính như chuẩn bị dung dịch, điều chỉnh pH, và nung mẫu. Mỗi bước đều cần được tối ưu hóa để đạt được vật liệu với tính chất tốt nhất.

3.2. Lợi ích của phương pháp đồng kết tủa

Phương pháp đồng kết tủa không chỉ đơn giản và tiết kiệm chi phí mà còn cho phép tạo ra vật liệu với kích thước hạt đồng đều và cấu trúc ổn định. Điều này rất quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất của vật liệu trong các ứng dụng pin nhiên liệu.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của vật liệu 5Sr0

Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu 5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ có khả năng hoạt động tốt trong các điều kiện khác nhau. Đặc biệt, vật liệu này cho thấy độ chọn lọc cao khi sử dụng trong các phản ứng điện hóa, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng sạch.

4.1. Đánh giá hiệu suất của vật liệu trong pin nhiên liệu

Vật liệu 5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ đã được thử nghiệm trong các pin nhiên liệu và cho thấy hiệu suất cao, đặc biệt là trong các điều kiện nhiệt độ thấp. Điều này chứng tỏ rằng vật liệu có thể là một lựa chọn tốt cho các ứng dụng thực tiễn.

4.2. Ứng dụng trong các hệ thống năng lượng sạch

Với tính chất vượt trội, vật liệu 5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ có thể được ứng dụng trong các hệ thống năng lượng sạch, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu vật liệu 5Sr0

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu 5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ bằng phương pháp đồng kết tủa đã mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực hóa học vật liệu. Những kết quả đạt được không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn có thể ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn. Tương lai của vật liệu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiềm năng trong các ứng dụng năng lượng sạch.

5.1. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và khám phá thêm các biến thể của vật liệu 5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ để nâng cao hiệu suất và tính ổn định.

5.2. Tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp

Vật liệu 5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, đặc biệt là trong sản xuất năng lượng sạch và các thiết bị điện tử, mở ra cơ hội mới cho sự phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Pin nhiên liệu oxit rắn (Solid Oxide Fuel Cells - SOFCs) là thiết bị chuyển đổi trực tiếp năng lƣợng hóa học thành năng lƣợng điện với hiệu suất cao. SOFCs có nhiều tiềm năng để thƣơng mại hóa và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực nhờ khả năng cung cấp năng lƣợng sạch, có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau, có hiệu suất chuyển hóa cao, cấu tạo đơn giản, phù hợp với mọi công suất và ít sinh ra khí gây ô nhiễm. Tuy nhiên, nhiệt độ hoạt động của SOFCs từ khoảng 600- 1000C, điều này gây khó khăn trong việc tìm kiếm nguyên vật liệu phù hợp, thiết kế thiết bị yêu cầu cao về kín khí và an toàn. Hạ nhiệt độ hoạt động của SOFCs là mục tiêu chính trong các nghiên cứu về SOFCs hiện nay, nó cho phép sử dụng các kim loại chuyển tiếp rẻ tiền để giảm chi phí.

Cùng với đó, các nghiên cứu cũng tập trung ứng dụng vào pin nhiên liệu oxit rắn đơn buồng (SC-SOFCs) có ƣu thế cấu tạo đơn giản, dễ thiết kế, không cần kín khí và không cần các thiết bị cung cấp khí riêng cho từng hệ khí. Để giải quyết các vấn đề đó thì cải tiến catot là một giải pháp, nhƣng catot cần đảm bảo vẫn giữ đƣợc hiệu suất cao, giảm đƣợc nhiệt độ hoạt động và có tính chọn lọc đối với hỗn hợp khí nhiên liệu. Nhiều nghiên cứu về vật liệu làm catot cho SC-SOFCs [1], trong số đó Shao và các cộng sự [2] đã nhận thấy perovskite ABO3 là một trong những vật liệu hứa hẹn cho ứng dụng là catot của pin SOFCs nhờ những đặc tính đa dạng và cơ chế xúc tác của chúng. Tính chất cũng nhƣ hoạt tính xúc tác của các hệ vật liệu này có thể thay đổi và phụ thuộc vào sự thay thế từng phần bởi các nguyên tố kim loại khác nhau vào các vị trí A hoặc vị trí B trong cấu trúc.

Hơn nữa, các perovskite còn cho độ bền nhiệt cao, cấu trúc ổn định nên có thể cải thiện đƣợc độ tin cậy và tuổi thọ của catot. Cụ thể, họ đã chỉ ra, perovskite của Barium strontium cobalt ferrite (BSCF) cho thấy sự phù hợp làm ứng dụng cho pin SOFCs. Chính vì vậy đề tài ―Tổng hợp Ba0.2O3−δ (BSCF- 5582) bằng phƣơng pháp đồng kết tủa và khảo sát độ chọn lọc của vật liệu‖ đặt mục tiêu muốn tìm phƣơng pháp đơn giản và hiệu quả để chế tạo vật liệu BSCF-5582 làm catot pin HV: Phạm Nguyễn Tuấn Page 1 Luận văn tốt nghiệp nhiên liệu SOFCs và khảo sát độ chọn lọc của vật liệu khi hoạt động với hỗn hợp nhiên liệu trong SC-SOFCs. HV: Phạm Nguyễn Tuấn Page 2 Luận văn tốt nghiệp PHẦN I: TỔNG QUAN CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU – PIN NHIÊN LIỆU OXIT RẮN (SOFCs) 1.

Giới thiệu pin nhiên liệu Pin nhiên liệu là thiết bị chuyển đổi điện, nó sản xuất ra điện từ nhiên liệu (trên anot), chất oxy hóa (trên catot) và phản ứng với sự có mặt của lớp electrolyte. Pin nhiên liệu khác với các tế bào pin điện hóa. Các tế bào pin điện hóa dự trữ dƣới dạng năng lƣợng điện hóa, năng lƣợng đó mất dần khi sử dụng, nó đại diện cho hệ thống kín. Trong khi đó, tế bào pin nhiên liệu tiêu thụ nhiên liệu từ bên ngoài, cần có sự bổ sung, nó đƣợc gọi là một hệ thống mở, có thể sản sinh ra năng lƣợng điện đƣợc duy trì vô thời hạn [3].

Chúng chuyển đổi hydro hoặc nhiên liệu có chứa hydro trực tiếp thành năng lƣợng điện cộng với nhiệt thông qua các phản ứng điện hóa của hydro và oxy vào trong nƣớc. Quá trình này là ngƣợc của quá trình điện ly. Phản ứng tổng quát : 2𝐻2(𝑘ℎí) + 𝑂2(𝑘ℎí) → 2𝐻2 𝑂 + 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦 (1.1) Pin nhiên liệu có nhiều lợi thế hơn so với động cơ nhiệt nhƣ : hiệu quả cao, không gây tiếng ồn và nếu hydro là nhiên liệu thì không có khí thải ô nhiễm. Nếu hydro đƣợc sản xuất từ các nguồn nhiên liệu tái tạo thì năng lƣợng điện đƣợc sản xuất có thể thực sự bền vững [4].

Phân loại pin nhiên liệu Các hệ thống tế bào nhiên liệu đƣợc phân loại theo nhiều cách khác nhau [5], nhƣ: o Phân loại theo nhiệt độ hoạt động o Phân theo loại các chất tham gia phản ứng o Phân loại theo điện cực o Phân theo loại các chất điện phân (là cách phân loại thông dụng ngày nay) HV: Phạm Nguyễn Tuấn Page 3 Luận văn tốt nghiệp Liệt kê dƣới đây là 6 loại tế bào nhiên liệu khác nhau, phân theo loại các chất điện phân: - AFC (Alkaline fuel cell - tế bào nhiên liệu kiềm) - PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - trao đổi hạt nhân qua màng lọc) - PAFC (Phosphoric acid fuel cell - tế bào nhiên liệu axit phosphoric) - MCFC (Molten carbonate fuel cell - tế bào nhiên liệu carbonat nóng chảy) - SOFC (Solid oxide fuel cell - tế bào nhiên liệu oxit rắn) - DMFC (Direct methanol fuel cell - tế bào nhiên liệu methanol trực tiếp) Trong các loại trên thì PEMFC có nhiều triển vọng dùng trong các loại xe. PEMFC, MCFD và SOFC đều có triển vọng ứng dụng cho các trạm phát điện. PAFC là công nghệ mới đƣợc nghiên cứu tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề kĩ thuật. DMFC có thể tạo bƣớc đột phá trong lĩnh vực thiết bị di dộng.

AFC đƣợc có thể đƣợc ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ. Nhiệt độ vận hành của những loại tế bào nhiên liệu khác nhau (nằm trong khoảng từ 60-1000C). Sự khác nhau còn nằm ở cấu trúc điện cực, sự tinh khiết của hydro ở anot (DMFC dùng methanol). 1: Các dạng khác nhau của pin nhiên liệu [6].

Các dạng pin nhiên Ion di Nhiệt độ Lĩnh vực ứng dụng liệu chuyển hoạt động Sử dụng trong tàu vũ trụ Tế bào nhiên liệu kiềm OH- 50-200C Apollo Sử dụng trong thiết bị di Màng trao đổi proton H+ 50-100C động Tế bào nhiên liệu axit Hệ thống với công suất H+ ~ 220C Photphoric 200 kW Tế bào nhiên liệu Hệ thống có công suất từ CO32- ~ 650C Cacbonat nóng chảy kW đến MW Phù hợp cho mọi công Pin nhiên liệu oxit rắn O2- 500-1000C suất, từ vài kW tới MW HV: Phạm Nguyễn Tuấn Page 4 Luận văn tốt nghiệp Hình 1. 1: Cơ chế hoạt động của một số loại pin nhiên liệu [5]. Pin nhiên liệu oxit rắn (SOFCs) Pin nhiên liệu đầu tiên đƣợc phát triển vào năm 1937 bởi Baur và Preis [7]. Kể từ đó rất nhiều quy trình đã đƣợc thực hiện để tạo ra nguyên liệu và SOFCs.

Các tế bào nhiên liệu oxit rắn (SOFCs) đƣợc coi là một công nghệ phát điện thế hệ tiếp theo vì tính linh hoạt nhiên liệu và hiệu quả tổng thể cao do khả năng sử dụng trong hệ thống đồng phát [1]. Một lợi thế của SOFCs là có thể sử dụng đƣợc khí tự nhiên làm nhiên liệu và hiệu suất phản ứng cao bởi nhiệt phản ứng tƣơng đối cao. Bởi vậy, không cần tới vật liệu xúc tác đắt tiền. Tuy nhiên, nhiệt độ hoạt động cao cũng đƣa ra những thách thức về độ tin cậy và tính ổn định lâu dài của hệ thống.

Sự thoái hóa vật liệu, sự hỏng hóc trong việc giữ kín khí và nứt do khác nhau về hệ số giãn nở nhiệt giữa các thành phần dẫn đến hiệu suất và tính ổn định thấp. Nhiệt độ hoạt động cao cũng là một hạn chế trong việc ứng dụng SOFCs trên các thiết bị điện di động. Do đó, HV: Phạm Nguyễn Tuấn Page 5 Luận văn tốt nghiệp việc giảm nhiệt độ hoạt động là một trong những thách thức chính trong nghiên cứu SOFCs. Loại pin này vận hành ở nhiệt độ khá cao (600-1000C), do đó dạng pin nhiên liệu SOFCs thƣờng ứng dụng cho các hệ thống tĩnh khá lớn và nhiệt thừa có thể tái tận dụng để tạo thêm nguồn điện bổ sung.2) mô phỏng hoạt động của một pin nhiên liệu SOFCs cơ bản.

2: Sơ đồ của pin nhiên liệu SOFCs [5]. Phân loại SOFCs Dựa vào nhiệt độ hoạt động, hình dạng, cấu tạo… mà SOFCs đƣợc chia thành nhiều loại nhƣ sau:  Theo nhiệt độ hoạt động:  Nhiệt độ hoạt động của pin nhiên liệu khoảng 550-800oC: SOFCs có nhiệt độ hoạt động trung bình (IT – SOFCs).  Nhiệt độ hoạt động của pin nhiên liệu > 800oC: SOFCs có nhiệt độ hoạt động cao (HT - SOFCs).  Dựa vào hình dạng:  Dạng phẳng: các cell đƣợc nối với nhau qua các tấm interconnect (hình 1.

 Dạng ống: dòng không khí (O2) đi phía trong ống, dòng nhiên liệu đi phía ngoài thành ống (hình 1. HV: Phạm Nguyễn Tuấn Page 6 Luận văn tốt nghiệp Hình 1. 3: Pin nhiên liệu oxit rắn SOFCs dạng tấm phẳng (a) và dạng ống (b) [5].  Dựa vào số buồng phản ứng: hai buồng (Dual – Chamber SOFCs – hình 1.4a) hay đơn buồng (Single - Chamber SOFCs- hình 1.

4: Sơ đồ pin nhiên liệu oxit rắn đa buồng (a) và đơn buồng (b) [1]. HV: Phạm Nguyễn Tuấn Page 7 Luận văn tốt nghiệp 1. Pin nhiên liệu hai buồng (DC-SOFCs) Khí đƣợc ngăn cách bởi một lớp electrolyte có độ kết khối tốt để phân tách khí cung cấp vào anot và catot thành hai ngăn riêng biệt. Chất oxy hóa đƣợc cung cấp vào cực âm và nhiên liệu đƣợc đƣa vào cực dƣơng thông qua các nguồn cung cấp khí riêng biệt mà không có bất kỳ sự trộn lẫn của hai khí dòng khí này.

Sự khác biệt trong áp lực oxy giữa hai ngăn điện cực riêng biệt dẫn đến việc thành lập một điện áp mạch mở (OCV). Do đòi hỏi hệ thống cung cấp khí riêng biệt gây khó khăn, phức tạp trong việc thiết kế, lắp ráp và thu nhỏ hệ thống. Hơn nữa, việc đòi hỏi kín khí ở nhiệt độ cao cần phải có ngăn cách hoàn toàn. Vật liệu ngăn cách thƣờng dùng là thủy tinh hoặc vật liệu gốm với lợi thế là độ cứng và độ kín khí cao.

Tuy nhiên, suy thoái theo thời gian cũng nhƣ ứng suất nhiệt trong quá trình vận hành gây ra các vết nứt. Ngoài việc ngăn cách khí chặt chẽ, lớp electrolyte cũng phải đủ dày để tránh không cho bất kỳ khí nào có thể chuyển qua lại giữa 2 ngăn catot và anot. Sự cần thiết phải tách khí có ảnh hƣởng quan trọng đến cơ khí, kháng sốc nhiệt và tính ổn định lâu dài của pin. Ngoài ra, thiết kế cồng kềnh, những khó khăn về mặt kỹ thuật và chọn lựa vật liệu góp phần làm cho chi phí chế tạo cao.

5: Mô hình pin nhiên liệu DC SOFC [8], với A, E, C lần lượt là anot, màng dẫn ion, và catot. Pin nhiên liệu đơn buồng (SC-SOFCs) Để khắc phục những trở ngại của DC-SOFCs, pin nhiên liệu SC-SOFCs đƣợc nghiên cứu và phát triển.