Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit cho điện cực siêu tụ điện

• Tác giả: Ngô Văn Hoành
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trán Hùng
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ Quân sự
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu vật liệu compozit cacbon coban ferrit và mxene ti3c2 cho điện cực siêu tụ điện
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về siêu tụ điện
• 1.2. Vật liệu điện cực ứng dụng trong siêu tụ điện
• 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị thí nghiệm
• 2.1.1. Hóa chất thí nghiệm
• 2.1.2. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm
• 2.2. Phương pháp chế tạo vật liệu
• 2.2.1. Quy trình chế tạo cacbon aerogel
• 2.2.2. Quy trình chế tạo rGO aerogel
• 2.2.3. Quy trình chế tạo vật liệu compozit rGO aerogel và CoFe2O4
• 2.2.4. Quy trình chế tạo MXene Ti3C2
• 2.2.5. Quy trình chế tạo vật liệu compozit rGO-MXene và CoFe2O4
• 2.3. Phương pháp khảo sát đặc trưng vật liệu
• 2.4. Phương pháp đánh giá đặc tính điện hóa của vật liệu
• 2.4.1. Phương pháp chế tạo điện cực
• 2.4.2. Phương pháp lắp ghép siêu tụ điện
• 2.4.3. Phương pháp quét thể tuần hoàn
• 2.4.4. Phương pháp phóng nạp dòng không đổi
• 2.4.5. Phương pháp phân tán trở
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Đặc trưng và đặc tính điện hóa của cacbon xốp
• 3.1.1. Đặc trưng vật liệu và đặc tính điện hóa của cacbon aerogel
• 3.1.2. Đặc trưng và đặc tính điện hóa của rGO aerogel
• 3.2. Đặc trưng và đặc tính điện hóa của vật liệu compozit rGO/CoFe2O4
• 3.2.1. Ảnh hưởng của nồng độ muối
• 3.2.2. Ảnh hưởng của pH dung dịch
• 3.3. Đặc trưng và đặc tính điện hóa của vật liệu MXene Ti3C2
• 3.3.1. Đặc trưng vật liệu MXene Ti3C2
• 3.3.2. Đặc tính điện hóa vật liệu MXene Ti3C2
• 3.4. Đặc trưng và đặc tính điện hóa của vật liệu rGO@MXene/CoFe2O4
• 3.4.1. Đặc trưng vật liệu rGO@MX/CoFe2O4
• 3.4.2. Đặc tính điện hóa của vật liệu rGO@MX/CoFe2O4
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về siêu tụ điện

Siêu tụ điện (supercapacitor) là thiết bị tích trữ và chuyển hóa năng lượng, nổi bật với khả năng tích trữ năng lượng lớn và tốc độ phóng nạp nhanh. Các thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như ô tô, xe máy, và các thiết bị điện gia dụng. Vật liệu sử dụng cho chế tạo điện cực siêu tụ điện rất đa dạng, bao gồm vật liệu lớp kép, oxit kim loại chuyển tiếp, và vật liệu compozit. Mỗi loại vật liệu đều có ưu và nhược điểm riêng. Vật liệu cacbon, với diện tích bề mặt lớn và độ xốp cao, rất phù hợp cho việc chế tạo điện cực. Tuy nhiên, điện cực cacbon hoạt động theo nguyên lý lớp kép thường có điện dung riêng thấp. Cobalt ferrite, với hoạt tính oxy hóa cao, có thể cung cấp năng lượng lớn cho bề mặt điện cực cacbon, từ đó tăng điện dung và tốc độ phóng nạp. MXene Ti3C2, với cấu trúc 2D, không chỉ hoạt động như vật liệu lớp kép mà còn có các phân tử dẫn điện trên bề mặt, giúp tăng cường điện dung và độ bền phóng nạp cho điện cực cacbon.

1.1. Lịch sử phát triển của siêu tụ điện

Siêu tụ điện đã được nghiên cứu từ giữa thế kỷ 19, với Helmholtz là người đầu tiên phát hiện ra hiện tượng phân ly điện tích trên bề mặt điện cực. Năm 1957, Howard Becker công bố sáng chế đầu tiên về thiết bị tích trữ năng lượng với điện cực từ than hoạt tính. Tuy nhiên, nghiên cứu này chưa giải thích rõ ràng về cơ chế tích trữ và giải phóng năng lượng. Các nghiên cứu sau đó đã chỉ ra rằng siêu tụ điện có thể tích trữ năng lượng bằng cách hấp phụ ion trên bề mặt điện cực, tạo ra điện dung lớn hơn so với các nguồn điện hóa học khác.

II. Vật liệu điện cực trong siêu tụ điện

Vật liệu điện cực trong siêu tụ điện có thể chia thành ba loại chính: vật liệu lớp kép, vật liệu dẫn điện, và vật liệu compozit. Vật liệu lớp kép, như cacbon, có diện tích bề mặt lớn và khả năng hấp phụ ion tốt, nhưng thường có điện dung riêng thấp. Vật liệu dẫn điện như oxit kim loại chuyển tiếp có khả năng cung cấp điện dung cao hơn, nhưng lại có nhược điểm về độ bền và khả năng phóng nạp. Vật liệu compozit, kết hợp giữa cacbon và các vật liệu khác như cobalt ferrite và MXene, có tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu suất điện cực. Việc nghiên cứu và phát triển các vật liệu này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất của siêu tụ điện mà còn mở ra hướng đi mới cho các ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng.

2.1. Vật liệu cacbon

Vật liệu cacbon, đặc biệt là cacbon aerogel và rGO (graphene oxit khử), đã được chứng minh là có đặc tính điện hóa tốt. Cacbon aerogel có diện tích bề mặt riêng lớn, giúp tăng cường khả năng tích trữ điện năng. Tuy nhiên, điện dung riêng của cacbon aerogel vẫn còn hạn chế. RGO, với cấu trúc 2D, có thể cải thiện đáng kể điện dung và tốc độ phóng nạp. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa cấu trúc và điều kiện chế tạo có thể dẫn đến những cải tiến đáng kể trong hiệu suất của vật liệu cacbon.

III. Nghiên cứu chế tạo và đánh giá vật liệu compozit

Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit từ cacbon, cobalt ferrite và MXene Ti3C2 đã chỉ ra rằng sự kết hợp này có thể tạo ra các điện cực siêu tụ điện với hiệu suất vượt trội. Các phương pháp chế tạo như đúc đông lạnh và kết hợp hóa học đã được áp dụng để tạo ra các vật liệu compozit với cấu trúc tối ưu. Kết quả cho thấy rằng điện cực compozit không chỉ có điện dung cao mà còn có độ bền phóng nạp tốt. Việc nghiên cứu sâu về các điều kiện chế tạo và tính chất điện hóa của vật liệu compozit sẽ mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các thiết bị tích trữ năng lượng hiệu quả hơn.

3.1. Đặc tính điện hóa của vật liệu compozit

Đặc tính điện hóa của vật liệu compozit được đánh giá thông qua các phương pháp như quét voltammetry tuần hoàn (CV) và phóng nạp dòng không đổi (GCD). Kết quả cho thấy rằng vật liệu compozit rGO@MXene/CoFe2O4 có điện dung riêng cao hơn so với các vật liệu đơn lẻ. Điều này chứng tỏ rằng sự kết hợp giữa các vật liệu khác nhau có thể tạo ra hiệu ứng cộng hưởng, giúp nâng cao hiệu suất điện cực. Các nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc tối ưu hóa tỷ lệ các thành phần trong vật liệu compozit để đạt được hiệu suất tối ưu nhất.