Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu vật liệu cấu trúc xốp nano Co3O4 biến tính bề mặt ứng dụng trong pin kẽm không khí

• Tác giả: Mai Văn Cầm
• 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 Vật Liệu Cấu Trúc Xốp Nano Co3O4 Biến Tính Bề Mặt Cho Pin Kẽm Không Khí
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Bình Định

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về vật liệu nano Co3O4
• 1.1.1. Cấu trúc tinh thể
• 1.1.2. Tính chất vật lý và hóa học
• 1.1.3. Ứng dụng vật liệu nano Co3O4 trong xúc tác điện hóa
• 1.2. Tổng quan về vật liệu Rutheni
• 1.2.1. Cấu trúc vật liệu Ru
• 1.2.2. Ứng dụng của kim loại Ru
• 1.2.3. Một số ứng dụng phổ biến của kim loại Ru
• 1.2.4. Ứng dụng của kim loại Ru trong xúc tác điện hóa
• 1.3. Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nano
• 1.3.1. Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nền
• 1.3.2. Phương pháp ―khuôn‖ mềm
• 1.3.3. Phương pháp ―khuôn‖ cứng
• 1.4. Một số phương pháp biến tính bề mặt vật liệu
• 1.4.1. Phương pháp ngâm tẩm (ngâm tẩm mao quản)
• 1.4.2. Phương pháp Polyol cấp nhiệt vi sóng
• 1.4.3. Phương pháp chiếu tia UV
• 1.5. Tổng quan về pin kẽm – không khí
• 1.5.1. Cấu tạo pin kẽm – không khí
• 1.5.2. Các quá trình xúc tác điện hóa trong pin kẽm – không khí
• 1.5.2.1. Quá trình khử oxy (ORR)
• 1.5.2.2. Quá trình khử tiến hóa oxy (OER)
• 1.5.3. Các hướng nâng cao hiệu suất pin kẽm – không khí
• 1.6. Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU
• 2.1. Thiết bị chế tạo mẫu
• 2.2. Các dụng cụ và hóa chất sử dụng
• 2.3. Quy trình chế tạo mẫu Co3O4 có cấu trúc xốp nano biến tính bề mặt bởi các hạt nano kim loại Ru
• 2.3.1. Tổng hợp Polystyrene (PS)
• 2.3.2. Tổng hợp Co3O4 có cấu trúc xốp nano
• 2.3.3. Biến tính bề mặt Co3O4 IO có cấu trúc xốp nano bởi các hạt nano kim loại Ru
• 2.4. Một số phương pháp khảo sát mẫu
• 2.4.1. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.4.2. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• 2.4.3. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis)
• 2.4.4. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.4.5. Đo thuộc tính điện hóa tách nước
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Hình thái bề mặt của vật liệu
• 3.1.1. Hình thái bề mặt các quả cầu polystyrene (PS)
• 3.1.2. Hình thái bề mặt của Co3O4 có cấu trúc xốp nano Co3O4 IO
• 3.1.3. Hình thái bề mặt vật liệu Co3O4 IO biến tính bề mặt bởi các hạt nano Ru (Ru - Co3O4 IO)
• 3.1.4. Hình thái bề mặt vật liệu Ru - Co3O4 IO biến tính bề mặt bằng phương pháp chiếu tia UV
• 3.1.5. Hình thái bề mặt vật liệu Ru - Co3O4 IO biến tính bề mặt bằng phương pháp ngâm tẩm mao quản
• 3.2. Thuộc tính cấu trúc của vật liệu
• 3.2.1. Kết quả EDX của vật liệu Ru - Co3O4 IO
• 3.2.2. Kết quả đo phổ UV-Vis
• 3.2.3. Kết quả phổ nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.3. Khảo sát thuộc tính xúc tác điện hóa của vật liệu
• 3.3.1. Đặc trưng thế quét tuyến tính (LSV) của vật liệu
• 3.3.2. Khảo sát độ bền của vật liệu (đặc trưng I – t) trong quá trình xúc tác điện hóa
• 3.3.3. Đặc trưng thế quét vòng tuần hoàn (CV) của vật liệu
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH

I. Vật liệu cấu trúc xốp nano Co3O4

Vật liệu cấu trúc xốp nano Co3O4 là trọng tâm của nghiên cứu này. Co3O4 là một oxit kim loại chuyển tiếp với cấu trúc tinh thể spinel, kết hợp giữa CoO và Co2O3. Cấu trúc xốp nano của Co3O4 mang lại diện tích bề mặt lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng điện hóa. Nghiên cứu tập trung vào việc tổng hợp và tối ưu hóa cấu trúc này để ứng dụng trong pin kẽm không khí, một loại pin năng lượng có tiềm năng cao trong tương lai.

1.1. Cấu trúc và tính chất của Co3O4

Co3O4 có cấu trúc tinh thể spinel, với các ion Co2+ và Co3+ phân bố trong các hốc tứ diện và bát diện. Tính chất điện hóa của Co3O4, đặc biệt là khả năng tạo các ion Co(IV), đóng vai trò quan trọng trong các phản ứng xúc tác như OER và ORR. Cấu trúc xốp nano giúp tăng diện tích bề mặt, tạo điều kiện cho sự khuếch tán của chất điện phân và tăng tốc độ phản ứng.

1.2. Ứng dụng trong xúc tác điện hóa

Co3O4 được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng xúc tác điện hóa nhờ tính chất đa hóa trị và độ ổn định cao. Nghiên cứu chỉ ra rằng vật liệu nano Co3O4 có thể cải thiện hiệu suất của pin kẽm không khí bằng cách tăng tốc độ phản ứng OER và ORR. Điều này giúp giảm chi phí và tăng hiệu suất của pin so với các vật liệu truyền thống như Pt.

II. Biến tính bề mặt Co3O4 bằng hạt nano kim loại

Biến tính bề mặt là một phương pháp quan trọng để cải thiện hiệu suất của vật liệu cấu trúc xốp nano Co3O4. Nghiên cứu này sử dụng các hạt nano kim loại, đặc biệt là Rutheni (Ru), để biến tính bề mặt Co3O4. Công nghệ nano được áp dụng để phân tán các hạt nano kim loại lên bề mặt vật liệu, nhằm tăng cường tính chất xúc tác và độ ổn định của vật liệu.

2.1. Phương pháp biến tính bề mặt

Các phương pháp biến tính bề mặt bao gồm ngâm tẩm mao quản và chiếu tia UV. Phương pháp ngâm tẩm mao quản sử dụng dung dịch chứa các hạt nano kim loại để thấm vào các lỗ xốp của Co3O4. Phương pháp chiếu tia UV kích hoạt các phản ứng hóa học trên bề mặt vật liệu, giúp phân tán đều các hạt nano kim loại.

2.2. Hiệu quả của biến tính bề mặt

Kết quả nghiên cứu cho thấy, biến tính bề mặt bằng các hạt nano kim loại giúp tăng cường hiệu suất pin và độ ổn định của vật liệu. Các hạt nano Ru được chứng minh là có khả năng xúc tác mạnh cho cả OER và ORR, giúp cải thiện hiệu suất của pin kẽm không khí.

III. Ứng dụng trong pin kẽm không khí

Pin kẽm không khí là một loại pin năng lượng tái tạo có tiềm năng lớn nhờ mật độ năng lượng cao và chi phí thấp. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng vật liệu cấu trúc xốp nano Co3O4 biến tính bề mặt làm điện cực trong pin kẽm không khí. Tính chất điện hóa của vật liệu được khảo sát để đánh giá hiệu suất và độ ổn định của pin.

3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Pin kẽm không khí sử dụng kẽm làm cực âm và không khí làm cực dương. Quá trình OER và ORR diễn ra trên bề mặt điện cực, quyết định hiệu suất của pin. Vật liệu cấu trúc xốp nano Co3O4 được sử dụng làm chất xúc tác để tăng tốc độ các phản ứng này.

3.2. Kết quả và đánh giá

Kết quả nghiên cứu cho thấy, vật liệu biến tính bề mặt có hiệu suất xúc tác cao hơn so với vật liệu gốc. Hiệu suất pin được cải thiện đáng kể, với mật độ dòng điện cao và độ ổn định tốt. Điều này mở ra triển vọng ứng dụng thực tế của pin kẽm không khí trong các thiết bị điện tử di động và hệ thống lưu trữ năng lượng.