Nghiên Cứu Vật Liệu Nano Tio.7Wo30 Bằng Phương Pháp Solvothermal Nhiệt Độ Thấp

Khảo sát điều kiện tổng hợp vật liệu Ti0.7W0.3O2 bằng phương pháp solvothermal ở nhiệt độ thấp trong luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học.

• Tác giả: Phạm Quốc Hậu
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trường Sơn
• Trường học: Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Vật Liệu Nano Tio.7Wo30 Bằng Phương Pháp Solvothermal Nhiệt Độ Thấp
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Giới thiệu về PIN NHIÊN LIỆU
• 1.2. Lịch sử hình thành và phát triển của pin nhiên liệu
• 1.3. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của pin nhiên liệu
• 1.4. Ưu điểm của pin nhiên liệu
• 1.5. Phân loại pin nhiên liệu
• 1.6. Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC)
• 1.6.1. Cấu tạo của pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC)
• 1.6.2. Nguyên tắc hoạt động của pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC)
• 1.7. Vật liệu nền trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC)
• 1.8. Những thách thức của vật liệu nền hiện nay trong pin PEMFC
• 1.9. Vật liệu nền xúc tác NON-CARBON
• 1.9.1. Vật liệu Magneli-phase (Tin2n-1)
• 1.9.2. Vật liệu Titanium dioxide (TiO2)
• 1.9.3. Vật liệu M-doped TiO2
• 1.10. Các phương pháp tổng hợp vật liệu TiO2 và vật liệu M-doped TiO2
• 1.10.1. Phương pháp tổng hợp sol-gel
• 1.10.2. Phương pháp hydrothermal
• 1.10.3. Phương pháp solvothermal
• 1.10.4. Một số phương pháp khác
• 1.11. Tình hình nghiên cứu vật liệu W-doped TiO2
• 1.12. Các phương pháp đánh giá vật liệu nano
• 1.12.1. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 1.12.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 1.12.3. Phương pháp phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)
• 1.12.4. Phương pháp đo diện tích bề mặt riêng (BET)
• 1.12.5. Phương pháp đo độ dẫn điện bốn mũi dò tiêu chuẩn
• 1.13. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.14. Nội dung nghiên cứu
• 1.15. Phương pháp thực hiện
• 1.16. Phương pháp phân tích đánh giá vật liệu TiO2
• 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Hóa chất và thiết bị sử dụng trong nghiên cứu
• 2.2. Quy trình thực nghiệm
• 2.2.1. Quy trình tổng hợp vật liệu cấu trúc nano Ti₉₇Wo₃₀₂
• 2.2.2. Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ lên quá trình tổng hợp
• 2.2.3. Khảo sát thời gian phản ứng
• 2.2.4. Thử nghiệm quy trình tổng hợp vật liệu xúc tác Pt/TiO₂-WO₃
• 2.3. Ký hiệu mẫu đã được tổng hợp
• 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ lên quá trình tổng hợp vật liệu
• 3.2. Màu sắc của vật liệu thu được ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau
• 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của mẫu ở các nhiệt độ khảo sát khác nhau
• 3.4. Ảnh TEM của các mẫu ở điều kiện nhiệt độ khảo sát khác nhau
• 3.5. Khảo sát thời gian phản ứng lên quá trình tổng hợp vật liệu
• 3.6. Màu sắc của dung dịch ở thời gian phản ứng khác nhau
• 3.7. Giản đồ XRD của mẫu ở thời gian phản ứng khác nhau
• 3.8. Ảnh TEM của mẫu ở thời gian phản ứng khác nhau
• 3.9. Tính chất đặc trưng của mẫu WTO_200_10
• 3.9.1. Giản đồ XRD của mẫu WTO_200_10
• 3.9.2. Ảnh TEM của mẫu WTO_200_10
• 3.9.3. Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) của mẫu WTO_200_10
• 3.9.4. Xác định diện tích bề mặt riêng (BET) của mẫu WTO_200_10
• 3.9.5. Xác định độ dẫn điện của mẫu WTO_200_10
• 3.10. Thử nghiệm sơ bộ quy trình gắn platinum lên vật liệu nền TiO₂-WO₃
• 3.10.1. Giản đồ XRD của mẫu Pt/WTO_200_10
• 3.10.2. Ảnh TEM của mẫu Pt/WTO_200_10
• 3.10.3. Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX) của mẫu Pt/WTO_200_10
• 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Vật Liệu Nano Tio

Nghiên cứu về vật liệu nano Tio.7Wo30 bằng phương pháp solvothermal nhiệt độ thấp đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học. Vật liệu này có tiềm năng ứng dụng cao trong các lĩnh vực như năng lượng và môi trường. Việc tổng hợp thành công vật liệu này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.

1.1. Đặc Điểm Của Vật Liệu Nano Tio.7Wo30

Vật liệu Tio.7Wo30 có cấu trúc nano đặc biệt, giúp tăng cường tính chất điện hóa và khả năng dẫn điện. Đặc điểm này làm cho nó trở thành ứng cử viên lý tưởng cho các ứng dụng trong pin nhiên liệu và xúc tác.

1.2. Lịch Sử Nghiên Cứu Về Vật Liệu Nano

Lịch sử nghiên cứu về vật liệu nano bắt đầu từ những năm 1980, với sự phát triển của các phương pháp tổng hợp mới. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng vật liệu nano có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của các thiết bị điện tử và năng lượng.

II. Thách Thức Trong Nghiên Cứu Vật Liệu Nano Tio

Mặc dù có nhiều tiềm năng, việc nghiên cứu và phát triển vật liệu nano Tio.7Wo30 cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ ổn định, khả năng dẫn điện và chi phí sản xuất vẫn cần được giải quyết để đảm bảo tính khả thi trong ứng dụng thực tế.

2.1. Vấn Đề Độ Ổn Định Của Vật Liệu

Độ ổn định của vật liệu nano Tio.7Wo30 trong môi trường hoạt động là một yếu tố quan trọng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc cải thiện độ ổn định có thể giúp tăng cường hiệu suất của vật liệu trong các ứng dụng thực tế.

2.2. Chi Phí Sản Xuất Vật Liệu Nano

Chi phí sản xuất vật liệu nano Tio.7Wo30 vẫn còn cao so với các vật liệu truyền thống. Việc tìm kiếm các phương pháp tổng hợp hiệu quả và tiết kiệm chi phí là cần thiết để thúc đẩy ứng dụng của vật liệu này.

III. Phương Pháp Solvothermal Nhiệt Độ Thấp Trong Nghiên Cứu

Phương pháp solvothermal nhiệt độ thấp đã được áp dụng để tổng hợp vật liệu nano Tio.7Wo30. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt hơn các điều kiện tổng hợp, từ đó tạo ra các sản phẩm có chất lượng cao hơn.

3.1. Quy Trình Tổng Hợp Vật Liệu Nano

Quy trình tổng hợp vật liệu nano Tio.7Wo30 bao gồm các bước như chuẩn bị dung dịch, điều chỉnh nhiệt độ và thời gian phản ứng. Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc và tính chất của vật liệu.

3.2. Ưu Điểm Của Phương Pháp Solvothermal

Phương pháp solvothermal mang lại nhiều ưu điểm như khả năng tạo ra các hạt nano đồng nhất và kiểm soát kích thước tốt. Điều này giúp cải thiện tính chất điện hóa của vật liệu nano Tio.7Wo30.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Vật Liệu Nano Tio

Vật liệu nano Tio.7Wo30 có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như năng lượng và môi trường. Đặc biệt, nó có thể được sử dụng làm vật liệu xúc tác trong pin nhiên liệu, giúp cải thiện hiệu suất và độ bền của thiết bị.

4.1. Ứng Dụng Trong Pin Nhiên Liệu

Vật liệu Tio.7Wo30 có thể được sử dụng làm vật liệu xúc tác trong pin nhiên liệu, giúp tăng cường hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng vật liệu này có thể giảm thiểu phát thải khí nhà kính.

4.2. Ứng Dụng Trong Công Nghệ Môi Trường

Ngoài ứng dụng trong pin nhiên liệu, vật liệu nano Tio.7Wo30 còn có thể được sử dụng trong các công nghệ xử lý nước thải và làm sạch không khí, góp phần bảo vệ môi trường.

V. Kết Luận Về Nghiên Cứu Vật Liệu Nano Tio

Nghiên cứu về vật liệu nano Tio.7Wo30 bằng phương pháp solvothermal nhiệt độ thấp đã mở ra nhiều hướng đi mới trong lĩnh vực vật liệu. Những kết quả đạt được cho thấy tiềm năng ứng dụng cao của vật liệu này trong các lĩnh vực năng lượng và môi trường.

5.1. Tương Lai Của Vật Liệu Nano Tio.7Wo30

Tương lai của vật liệu nano Tio.7Wo30 rất hứa hẹn, với nhiều nghiên cứu đang được tiến hành để cải thiện tính chất và ứng dụng của nó. Việc phát triển các phương pháp tổng hợp mới sẽ giúp mở rộng khả năng ứng dụng của vật liệu này.

5.2. Đề Xuất Nghiên Cứu Tiếp Theo

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình tổng hợp và đánh giá tính chất của vật liệu nano Tio.7Wo30 trong các ứng dụng thực tế. Điều này sẽ giúp thúc đẩy sự phát triển của công nghệ và ứng dụng vật liệu này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Biến đổi khí hậu do việc sử dụng quá mức nhiên liệu hóa thạch đã trở thành thách thức nghiêm trọng đối với sự phát triển bền vững toàn cầu. Theo ước tính, lượng khí nhà kính như CO₂, NOx, SOx phát thải từ các nguồn năng lượng truyền thống đang gây ra các hiện tượng thiên tai như hạn hán, lũ lụt và băng tan, đe dọa sự sống của con người và sinh vật. Trong bối cảnh đó, việc phát triển các nguồn năng lượng sạch, tái tạo như năng lượng mặt trời, gió, địa nhiệt và pin nhiên liệu trở nên cấp thiết. Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) nổi bật với hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao (40-60%), nhiệt độ vận hành thấp (50-100 °C) và thời gian khởi động nhanh, được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử và phương tiện giao thông hiện đại.

Tuy nhiên, vật liệu nền carbon truyền thống trong PEMFC, đặc biệt là carbon đen Vulcan-XC72, gặp phải vấn đề ăn mòn nghiêm trọng trong môi trường điện hóa, làm giảm diện tích bề mặt hoạt hóa của xúc tác và suy giảm hiệu suất pin. Do đó, nghiên cứu phát triển vật liệu nền không carbon có độ bền cao, khả năng dẫn điện tốt và cấu trúc lỗ xốp ổn định là mục tiêu quan trọng nhằm nâng cao hiệu suất và độ bền của PEMFC.

Luận văn tập trung khảo sát các điều kiện tổng hợp vật liệu mesoporous Ti₀.₇W₀.₃O₂ bằng phương pháp solvothermal nhiệt độ thấp, không sử dụng chất hoạt động bề mặt hay chất ổn định. Mục tiêu là tối ưu hóa cấu trúc nano, diện tích bề mặt riêng và độ dẫn điện của vật liệu nhằm ứng dụng làm vật liệu nền xúc tác Pt trong PEMFC. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, TP. Hồ Chí Minh trong năm 2017 với phạm vi khảo sát nhiệt độ từ 180 đến 220 °C và thời gian phản ứng từ 4 đến 10 giờ. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu nền thay thế carbon, góp phần nâng cao hiệu suất và độ bền của pin nhiên liệu màng trao đổi proton.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Lý thuyết về pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC): Mô tả nguyên lý hoạt động của PEMFC, trong đó hydrogen được oxy hóa tại anode, proton di chuyển qua màng điện giải Nafion, electron đi qua mạch ngoài tạo dòng điện, và oxygen được khử tại cathode tạo thành nước. Hiệu suất và độ bền của PEMFC phụ thuộc lớn vào vật liệu nền xúc tác và cấu trúc điện cực.

• Mô hình vật liệu nền xúc tác: Vật liệu nền phải có độ bền hóa học và điện hóa cao, lực liên kết mạnh với hạt nano xúc tác kim loại Pt, độ dẫn điện tốt và cấu trúc lỗ xốp ổn định để duy trì diện tích bề mặt hoạt hóa (ECSA) và ngăn ngừa hiện tượng kết tụ hạt.

• Khái niệm vật liệu M-doped TiO₂: Việc pha tạp kim loại chuyển tiếp (M) vào cấu trúc TiO₂ nhằm tăng độ dẫn điện và cải thiện tính ổn định hóa học, điện hóa của vật liệu. Các vật liệu như Nb-doped, Ru-doped, Mo-doped TiO₂ đã chứng minh khả năng thay thế vật liệu nền carbon truyền thống trong PEMFC.

• Phương pháp solvothermal: Phương pháp tổng hợp vật liệu nano trong dung môi hữu cơ ở nhiệt độ và áp suất thấp, cho phép kiểm soát kích thước hạt, cấu trúc tinh thể và diện tích bề mặt riêng của vật liệu.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các mẫu vật liệu Ti₀.₇W₀.₃O₂ tổng hợp trong phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Các mẫu được khảo sát ở nhiều điều kiện nhiệt độ (180 °C, 200 °C, 220 °C) và thời gian phản ứng (4, 6, 8, 10 giờ).

• Phương pháp tổng hợp: Vật liệu mesoporous Ti₀.₇W₀.₃O₂ được tổng hợp bằng phương pháp solvothermal một bước, không sử dụng chất hoạt động bề mặt hay chất ổn định, nhằm hạn chế hiện tượng kết tụ hạt và tăng diện tích bề mặt riêng.

• Phương pháp phân tích:

  • Nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định cấu trúc tinh thể anatase của vật liệu và sự hình thành dung dịch rắn đồng nhất.
  • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM): Quan sát hình thái hạt nano, kích thước hạt và phân bố hạt nano Pt trên vật liệu nền.
  • Phân tích phổ năng lượng tia X (EDX): Xác định thành phần nguyên tố và tỷ lệ pha tạp W trong vật liệu.
  • Đo diện tích bề mặt riêng (BET): Đánh giá diện tích bề mặt riêng của vật liệu, với giá trị lên đến 201,461 m²/g.
  • Đo độ dẫn điện: Sử dụng hệ thống bốn mũi dò tiêu chuẩn để đo độ dẫn điện của vật liệu, kết quả đạt 0,022 S/cm, cao hơn đáng kể so với TiO₂ không pha tạp (1,37×10⁻⁶ S/cm).

• Timeline nghiên cứu:

  • Giao nhiệm vụ: 10/07/2017
  • Thực hiện tổng hợp và phân tích mẫu: 07/2017 - 11/2017
  • Hoàn thành luận văn và bảo vệ: 12/2017 - 01/2018

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên cấu trúc vật liệu:
   Vật liệu Ti₀.₇W₀.₃O₂ tổng hợp ở 200 °C trong 10 giờ tạo thành dung dịch rắn đồng nhất với cấu trúc mesoporous anatase-TiO₂. Ở nhiệt độ thấp hơn (180 °C) hoặc cao hơn (220 °C), cấu trúc tinh thể kém đồng nhất hơn, kích thước hạt lớn hơn và hiện tượng kết tụ hạt xuất hiện rõ rệt.

2. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng:
   Thời gian phản ứng 10 giờ tại 200 °C cho vật liệu có kích thước hạt nano đồng nhất khoảng 10 nm, hình cầu đều, và kích thước lỗ xốp trung bình 2,02 nm. Thời gian ngắn hơn dẫn đến kích thước hạt không đồng đều và diện tích bề mặt riêng thấp hơn.

3. Diện tích bề mặt riêng và độ dẫn điện:
   Vật liệu mesoporous Ti₀.₇W₀.₃O₂ đạt diện tích bề mặt riêng cao đến 201,461 m²/g, vượt trội so với các vật liệu TiO₂ không pha tạp và nhiều vật liệu nền carbon truyền thống. Độ dẫn điện đo được là 0,022 S/cm, cao hơn nhiều so với TiO₂ không pha tạp (1,37×10⁻⁶ S/cm), cho thấy sự cải thiện đáng kể về khả năng dẫn điện nhờ pha tạp W.

4. Tính chất xúc tác của vật liệu Pt/Ti₀.₇W₀.₃O₂:
   Hạt nano Pt phân bố đều trên bề mặt vật liệu nền, không bị kết tụ như trong các nghiên cứu trước. Điều này giúp duy trì diện tích bề mặt hoạt hóa cao, tăng hiệu suất xúc tác cho phản ứng khử oxygen (ORR) trong PEMFC. So với vật liệu Pt/C truyền thống, Pt/Ti₀.₇W₀.₃O₂ có khả năng chịu đầu độc CO tốt hơn và độ bền cao hơn trong môi trường axit và oxy hóa.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp solvothermal nhiệt độ thấp là hiệu quả trong việc tổng hợp vật liệu mesoporous Ti₀.₇W₀.₃O₂ với cấu trúc anatase đồng nhất, kích thước hạt nano nhỏ và diện tích bề mặt riêng lớn. Việc không sử dụng chất hoạt động bề mặt hay chất ổn định giúp hạn chế hiện tượng kết tụ hạt, một nhược điểm phổ biến trong các nghiên cứu trước đây.

Sự pha tạp W vào cấu trúc TiO₂ làm tăng đáng kể độ dẫn điện của vật liệu, từ 1,37×10⁻⁶ S/cm lên 0,022 S/cm, tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền electron trong lớp xúc tác, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của PEMFC. Diện tích bề mặt riêng lớn cũng giúp tăng khả năng neo đậu hạt nano Pt, giảm hiện tượng kết tụ và mất mát xúc tác.

So sánh với các nghiên cứu về vật liệu M-doped TiO₂ khác như Nb-doped, Ru-doped hay Mo-doped TiO₂, vật liệu Ti₀.₇W₀.₃O₂ trong nghiên cứu này có ưu thế về diện tích bề mặt và độ dẫn điện, đồng thời quy trình tổng hợp đơn giản, không cần chất hoạt động bề mặt, phù hợp cho ứng dụng công nghiệp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ XRD thể hiện sự hình thành pha anatase, ảnh TEM minh họa kích thước hạt và phân bố hạt Pt, biểu đồ BET cho diện tích bề mặt riêng và đồ thị đo độ dẫn điện so sánh giữa các mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng vật liệu Ti₀.₇W₀.₃O₂ làm vật liệu nền xúc tác trong PEMFC:
   Khuyến nghị các nhà sản xuất pin nhiên liệu áp dụng vật liệu này để thay thế carbon đen truyền thống, nhằm tăng độ bền và hiệu suất hoạt động của pin. Thời gian triển khai dự kiến 1-2 năm để thử nghiệm quy mô pilot.

2. Nâng cao quy trình tổng hợp:
   Đề xuất nghiên cứu mở rộng điều kiện tổng hợp solvothermal, tối ưu hóa nhiệt độ và thời gian để tăng diện tích bề mặt và độ dẫn điện hơn nữa. Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm nghiên cứu vật liệu trong 6-12 tháng.

3. Phát triển vật liệu xúc tác Pt/Ti₀.₇W₀.₃O₂ với tỷ lệ Pt tối ưu:
   Khuyến nghị nghiên cứu tỷ lệ khối lượng Pt trên vật liệu nền để cân bằng giữa hiệu suất xúc tác và chi phí, tiến hành thử nghiệm điện hóa chi tiết. Thời gian thực hiện 12 tháng.

4. Mở rộng ứng dụng sang các loại pin nhiên liệu khác:
   Đề xuất khảo sát khả năng ứng dụng vật liệu Ti₀.₇W₀.₃O₂ trong pin nhiên liệu kiềm (AFC) hoặc pin nhiên liệu methanol trực tiếp (DMFC) để đa dạng hóa ứng dụng. Chủ thể thực hiện là các trung tâm nghiên cứu năng lượng sạch trong 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và phát triển vật liệu năng lượng:
   Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển vật liệu nền xúc tác mới, nâng cao hiệu suất và độ bền của pin nhiên liệu màng trao đổi proton.

2. Doanh nghiệp sản xuất pin nhiên liệu:
   Tham khảo để cải tiến vật liệu nền xúc tác, giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ sản phẩm, từ đó nâng cao tính cạnh tranh trên thị trường.

3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng:
   Sử dụng thông tin để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ pin nhiên liệu sạch, thúc đẩy chuyển đổi năng lượng bền vững.

4. Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Vật liệu:
   Là tài liệu tham khảo học thuật, giúp hiểu rõ về phương pháp tổng hợp vật liệu nano, ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp solvothermal có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   Phương pháp solvothermal cho phép tổng hợp vật liệu nano đồng nhất, kiểm soát tốt kích thước hạt và cấu trúc tinh thể ở nhiệt độ thấp, không cần chất hoạt động bề mặt, giảm hiện tượng kết tụ hạt, phù hợp cho sản xuất quy mô lớn.

2. Tại sao vật liệu Ti₀.₇W₀.₃O₂ lại có độ dẫn điện cao hơn TiO₂ thông thường?
   Việc pha tạp W vào cấu trúc TiO₂ tạo ra các trạng thái điện tử mới, làm tăng mật độ các hạt tải điện và cải thiện khả năng dẫn điện, từ đó nâng cao hiệu suất truyền electron trong lớp xúc tác.

3. Diện tích bề mặt riêng lớn có tác động như thế nào đến hiệu suất pin nhiên liệu?
   Diện tích bề mặt riêng lớn giúp tăng diện tích tiếp xúc giữa vật liệu nền và hạt nano xúc tác Pt, nâng cao diện tích bề mặt hoạt hóa (ECSA), từ đó tăng hiệu suất phản ứng khử oxygen và cải thiện hiệu suất pin.

4. Hiện tượng kết tụ hạt nano Pt ảnh hưởng thế nào đến hoạt động của PEMFC?
   Kết tụ hạt nano Pt làm giảm diện tích bề mặt xúc tác, giảm hiệu suất phản ứng điện hóa, đồng thời làm tăng sự suy giảm hoạt tính và tuổi thọ của pin nhiên liệu.

5. Vật liệu Ti₀.₇W₀.₃O₂ có thể ứng dụng trong các loại pin nhiên liệu khác ngoài PEMFC không?
   Có thể, vật liệu này có tính ổn định hóa học và điện hóa cao, phù hợp cho các loại pin nhiên liệu khác như pin kiềm (AFC) hoặc pin methanol trực tiếp (DMFC), tuy nhiên cần nghiên cứu thêm để tối ưu hóa cho từng loại pin.

Kết luận

• Vật liệu mesoporous Ti₀.₇W₀.₃O₂ được tổng hợp thành công bằng phương pháp solvothermal nhiệt độ thấp, không sử dụng chất hoạt động bề mặt, với cấu trúc anatase đồng nhất và kích thước hạt nano khoảng 10 nm.
• Diện tích bề mặt riêng đạt 201,461 m²/g và độ dẫn điện 0,022 S/cm, cải thiện đáng kể so với TiO₂ không pha tạp và vật liệu nền carbon truyền thống.
• Vật liệu nền Ti₀.₇W₀.₃O₂ hỗ trợ phân bố đều hạt nano Pt, giảm hiện tượng kết tụ, nâng cao hiệu suất xúc tác và độ bền của PEMFC.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu nền không carbon thay thế carbon đen trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và tăng hiệu quả năng lượng.
• Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu hóa quy trình tổng hợp, nghiên cứu tỷ lệ Pt tối ưu và mở rộng ứng dụng sang các loại pin nhiên liệu khác, nhằm thúc đẩy ứng dụng thực tiễn và thương mại hóa.

Hành động khuyến nghị: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực pin nhiên liệu nên phối hợp triển khai thử nghiệm quy mô lớn vật liệu Ti₀.₇W₀.₃O₂ để đánh giá hiệu quả thực tế và phát triển sản phẩm thương mại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HOC QUOC GIA THÀNH PHO HO CHÍ MINH TRUONG DAI HOC BACH KHOA calls PHAM QUOC HAU KHAO SAT CAC DIEU KIEN TONG HOP VAT LIEU Tig. 7Wo30; BẰNG PHƯƠNG PHÁP SOLVOTHERMAL NHIET DO THAP CHUYEN NGANH: KY THUAT HOA HOC MA SO: 60 52 03 01 TP. HO CHI MINH, năm 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRUONG ĐẠI HOC BACH KHOA - ĐHQG TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS.

Nguyễn Trường Sơn Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: PGS. Hồ Thị Thanh Vân Cán bộ cham nhận xét 1: PGS. Nguyễn Dinh Thành Cán bộ cham nhận xét 2: TS. Nguyễn Tuan Anh Luan văn Thạc sĩ được bảo vệ tai Trường Dai học Bách Khoa, DHQG TP.HCM, ngày 20 thang 01 năm 2018.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn Thạc sĩ gồm: 1. Nguyễn Quang Long 2. Nguyễn Dinh Thành 3. Nguyễn Tuan Anh 4.

Lê Minh Viễn 5. Đoàn Văn Thuan Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn va Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUOC GIA TP.HCM CONG HÒA XÃ HOI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIEM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phạm Quốc Hậu MSHV: 1670190 Ngày. thang, năm sinh: 17-06-1993 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số: 60 52 03 01 L TÊN DE TÀI: “Khao sát các điều kiện tổng hợp vật liệu Tip 7Wo302 bang phương pháp solvothermal nhiệt độ thấp” Il.

NHIEM VU VÀ NỘI DUNG: > Nghiên cứu anh hưởng của nhiệt độ và thời gian lên quá trình tổng hợp vật liệu câu trúc nano Tig. 7Wo 302 bang phương pháp solvothermal nhiệt độ thấp. > Khảo sát câu trúc, hình thái, thành phan nguyén t6, dién tich bé mat riéng va do dẫn điện của vật liệu cau trúc nano Tio.7Wo30> tối ưu tong hop được bang phương pháp solvothermal nhiệt độ thấp. > Thử nghiệm tong hợp sơ bộ vật liệu xúc tác PƯTIoWoaO; băng phương pháp khử NaBH, kết hợp Ethylene glycol.

> Đánh giá các tính chất của vật liệu xúc tác Pt/Tip.7Wo302 như cau trúc, kích thước hình thái và tỷ lệ khối lượng của hạt nano Pt trên vật liệu nên TiozWoaO¿. NGÀY GIAO NHIỆM VU: 10/07/2017 IV. NGAY HOAN THANH NHIEM VU: 03/12/2017 v. CÁN BỘ HUONG DAN: Cán bộ hướng dẫn 1: TS.

Nguyễn Trường Sơn Cán bộ hướng dẫn 2: PGS. Hồ Thị Thanh Vân TP. HCM, ngày 03 tháng 12 năm 2017 CÁN BỘ HƯỚNG DÂN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TRUONG KHOA (Ho tên và chữ ky) LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập ở trường Dai Học Bách Khoa — TP. HCM, tôi đã được trang bị thêm những kiến thức, kinh nghiệm quý báu từ các Thầy Cô, được học hỏi và nhận được sự giúp đỡ từ những người bạn thân thiết.

Ngày hôm nay, khi hoàn thành xong đề tài luận văn thạc sĩ, tôi xin dành những lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến những người đã hết lòng giúp đỡ và động viên tôi trong suốt thời gian qua. Đầu tiên, con xin cảm ơn Ba Mẹ, người đã sinh thành và nuôi dưỡng để con có ngày hôm nay. Con cảm ơn Ba Mẹ luôn động viên, lo lắng, giúp đỡ con trong những lúc khó khăn nhất. Tôi xin dành lời cảm ơn sâu sắc nhất đến Thầy TS.

Nguyễn Trường Sơn và Cô PGS. Hỗ Thị Thanh Vân đã tận tâm định hướng và truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn thạc sĩ này. Tôi cũng xin chân thành cảm on tất cả quý Thay Cô khoa Kỹ Thuật Hóa Học đặc biệt là các Thây Cô thuộc bộ môn Công Nghệ Hóa V6 Co đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt nhất luận văn này. Tôi trân trọng xin gửi lời cảm ơn tới Thầy ThS.

Huỳnh Thiên Tài, trưởng phòng Hóa Lý trường Dai Học Tài Nguyên và Môi Trường — TP. HCM và bạn Nguyễn Văn At là sinh viên trường Đại Học Bách Khoa — TP. HCM đã hỗ trợ rất nhiều cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Xin trân trọng cảm ơn và kính chúc sức khỏe đến tất cả quý Thay Cô, gia đình và bạn bè! TP.

HCM, ngay 03 thang 12 năm 2017 Phạm Quốc Hậu ii ABSTRACT The climate change, resulting from the excessive utilization of fossil fuel is threatening the existence of human life and others organism worldwide. To solve this problem, many types of alternative energies have been explored including solar energy, wind energy, geothermal energy and so on. Fuel cells, special Proton-exchange membrane fuel cells (PEMFCs), exhibiting outstanding advantages such as high energy production efficiency, low-temperature operation (50 °C— 100 °C) and fast start-up time can create multiple power levels for a variety of devices in life. At present, the carbon black is widely used as catalyst support in PEMFCs due to its high surface area and high activity for the oxygen reduction reaction (ORR) at the cathode.

Nevertheless, the durability of carbon-support materials in the operational environment is a critical hurdle to commercialization. Non-carbon materials are the latest front to tackle the problem of carbon-support materials. Among non-carbon materials, M-doped TiO, have been attracted significant attention due to its high stability in the operational conditions. Furthermore, M-doped TiO, materials have higher dramatically electrical conductivity compared to that of undoped TiO, which promising for electrocatalyst in PEMFCs.

Many types of M-doped TiO, have been investigated such as TioyMooaOs; Tio.7RUp 302; Nb-doped TiO, Ta-doped TiO, show higher CO-tolerance than carbon- based supports. However, to the best of our knowledge, Tip 7Wo30>2 catalyst supports have been rarely studied as a catalyst support material for PEMFCs. In this thesis, mesoporous Tig.7Wo302 materials were synthesized by the one-step low-temperature solvothermal process without using surfactants or stabilizers. As a result, Tip 7Wo302 synthesized at 200 °C for 10 hours, formed a homogenous solid solution with mesoporous anatase-TiO, structure.

Moreover, mesoporous Tip 7Wo3O02 materials have uniformly spherical nanoparticles morphology of 10 nm diameter and pore size is 2. Importantly, the agglomeration phenomena of Tig. 7Wo302, which lil is reported in the previous research, was prevented in this thesis, resulting in the high surface area up to 201.461 m'/g that could facilitate the anchoring efficiency of Pt nanoparticles on the surface Tio 7W 302. Interesting, the high electrical conductivity of mesoporous TioWosO»; materials in our thesis was 0.022 S/cm, exhibiting much higher compared to that of undoped-TiO, nanoparticles (1.

These results suggested that mesoporous Ti97Wo302 materials are promising catalyst support to alternative carbon-support materials for Proton-exchange membrane fuel cells. IV TÓM TAT Biến đổi khí hậu là kết quả của việc sử dụng quá mức nguồn nhiên liệu hóa thạch đang đe dọa sự sống của con người và các loài sinh vật sống trên thế giới. Để giải quyết van dé này, nhiều nguồn năng lượng thay thé được nghiên cứu như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt,. Pin nhiên liệu, đặc biệt là pin nhiên liệu màng trao đối proton (PEMFC) cho một số ưu điểm nhất định như hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, nhiệt độ vận hành thấp (50 °C — 100 °C), thời gian khởi động nhanh cũng như có thể tạo ra nhiều mức năng lượng cho các thiết bị.

Hiện nay, carbon đen được sử dụng rộng rãi như vật liệu nên trong pin PEMFC do diện tích bề mặt riêng cao và hoạt tính xúc tác cho phản ứng khử oxyen ở cathode cao. Tuy nhiên, độ bền của vật liệu nền carbon là rào cản chính dé thương mại hóa pin PEMFC. Các vật liệu non-carbon là hướng nghiên cứu gan đây dé giải quyết các van dé của vật liệu nên carbon. Trong số vật liệu non-carbon, vật liệu M-doped TiO, thu hút được sự quan tâm hơn do độ bền trong môi trường hoạt động cua pin PEMFC.

Hơn nữa, độ dẫn điện của nó cao đáng kế so với vật liệu TiO, là ưu điểm để ứng dụng trong PEMFC. Nhiều vật liệu M-doped TiO, đã được nghiên cứu Tio;MooaO»; Tio;RuoaOs; Nb-doped TIO›, Ta-doped TiO; cho thay khả năng chống CO cao hon so với vật liệu nền carbon. Tuy nhiên, theo sự hiểu biết của chúng tôi, vật liệu nên xúc tác Tig. 7Wo302 van rat it duoc nghiên cứu cho pin PEMFC.

Trong luận văn này, vat liệu mesoporous Tip 7Wo30 được tong hop bang phuong pháp đơn giản solvothermal nhiệt độ thấp mà không sử dụng chất hoạt động bề mặt hoặc chất ôn định. Kết quả cho thay, vật liệu Tio7Wo30> tổng hợp ở điều kiện 200 °C trong 10 giờ cho thay sự hình thành dung dịch rắn đồng nhất với cau trúc mesoporous anatase-TiO,. Hơn nữa, vật liệu mesoporous Tig7Wo302 có dạng nano gần như hình cầu đồng nhất với kích thước khoảng 10 nm, và kích thước 16 xốp khoảng 2,02 nm. Quan trọng hơn, hiện tượng các hạt kết tụ trong các nghiên cứu trước được ngăn chặn trong luận văn này, dẫn tới diện tích bé mặt riéng cao lên tới 201 481 m/ g dẫn tới các hạt nano Pt dé dàng bám trên bề mặt của TioWoaOs.

Đặc biệt, độ dẫn điện của vật liệu mesoporous Tig7Wo302 trong luận văn là 0,022 S/cm cao hon dang kế so với vật liệu undoped-TiO, (1,37. Những kết quả này cho thấy rang vật liệu mesoporous THlozWo2O¿ là vật liệu nên xúc tác day htra hen dé thay thé vật liệu nền carbon cho pin nhiên liệu mang trao đôi proton. VỊ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan răng những kết quả trong luận văn này do chính tôi thực hiện tại phòng Thí Nghiệm Hóa Đại Cương — Trường Đại Học Tài Nguyên và Môi Trường TP. HCM dưới sự hướng dẫn của Thay TS.

Nguyễn Trường Sơn và Cô PGS. Hỗ Thi Thanh Vân cùng với sự giúp đỡ của Thầy Th. Huỳnh Thiên Tài và ban sinh viên Nguyễn Văn At. Các kết quả nghiên cứu trình bày trong luận văn là các số liệu trung thực, các ý tưởng tham khảo và những kết quả trích dẫn từ các công trình khác đều được nêur trong luận văn.

HCM, ngay 03 thang 12 năm 2017 Pham Quốc Hậu Vil MUC LUC LỜI CAM ƠN. [Von hievong::tattt'tttdddddddiddd'Ÿ. iv LỜI CAM DOAN. tt HH Hi vi DANH SÁCH HÌNH ANH .cecsssesssssessssesseesncesesueesncensesneessesusesucsanesueeneecusenneeneenneenneenees X DANH SÁCH BẢNG.

+ tt tt HH2. xiii DANH MỤC CAC KY HIỆU CHU VIET TẮTT.-- 6s E2 £EsE+E£E+E£EEeEseserxei XỈV 08. TONG QUAN VỀ DE TAL. Giới thiệu về PIN NHIEN NEU.

Lich sử hình thành và phat triển của pin nhiên liệu. Cấu tạo và nguyên tác hoạt động của pin nhiên liệu. Ưu điểm của pin nhiên liỆU. Phân loại pin nhiên lIỆU.

Pin nhiên liệu mang trao đối proton (PEMEC). Câu tạo của pin nhiên liệu màng trao đối proton (PEMEC). Nguyên tắc hoạt động của pin nhiên liệu màng trao đôi proton (PEMFC). Vật liệu nền trong pin nhiên liệu màng trao đôi proton (PEMEC)).

Những thách thức của vật liệu nên hiện nay trong pin PEMFC. Vật liệu nền xúc tác NON-CArbON oo. Vật liệu Magneli-phase (IÏ1n2n_). Vật liệu Titanium dioxide (12).

Vật liệu M-doped “TÏIO. Cac phuong phap tong hop vật liệu TiO, và vật liệu M-doped 'T1O;. Phương pháp tổng hợp sOl-gel.