Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu vật liệu nano xốp Co3O4 pha tạp carbon trong xúc tác điện hóa tách nước

• Tác giả: Trần Thị Lệ Thư
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Hồng Trang
• Trường học: Trường Đại Học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật Lý Chất Rắn
• Đề tài: Nghiên Cứu Vật Liệu Nano Xốp Co3O4 Pha Tạp Carbon Cho Xúc Tác Điện Hóa Tách Nước
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Bình Định

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Lý do chọn đề tài
• 0.2. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu
• 0.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 0.4. Phương pháp nghiên cứu
• 0.5. Bố cục đề tài
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU Co3O4
• 1.1. Cấu trúc vật liệu Co3O4
• 1.2. Tính chất của vật liệu
• 1.3. Ứng dụng của vật liệu Co3O4 trong xúc tác điện hóa
• 1.4. Phương pháp tổng hợp vật liệu nano Co3O4
• 1.4.1. Các phương pháp chung tổng hợp vật liệu nano
• 1.4.2. Một số phương pháp tổng hợp vật liệu coban oxit và Co3O4
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. THIẾT BỊ CHẾ TẠO MẪU
• 2.2. CÁC DỤNG CỤ VÀ HÓA CHẤT SỬ DỤNG
• 2.3. QUY TRÌNH CHẾ TẠO VẬT LIỆU CẤU TRÚC DẠNG XỐP NANO Co3O4 PHA TẠP CACBON
• 2.3.1. Quy trình làm sạch đế niken
• 2.3.2. Quy trình chế tạo mẫu
• 2.3.3. Chuẩn bị “khuôn” cứng (tổng hợp các quả cầu PS kích thước nano)
• 2.3.4. Chế tạo vật liệu C-Co3O4 dạng xốp nano
• 2.4. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU
• 2.4.1. Phương pháp dùng kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.4.2. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
• 2.4.3. Phương pháp phổ tán xạ năng lượng tia X (EDX)
• 2.4.4. Phương pháp phổ Raman
• 2.4.5. Đo thuộc tính điện hóa tách nước với hệ điện hóa ba điện cực
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. HÌNH THÁI BỀ MẶT CỦA VẬT LIỆU
• 3.1.1. Hình thái bề mặt của các quả cầu polystryrene (PS)
• 3.1.2. Hình thái bề mặt của vật liệu Co3O4 cấu trúc nano (Co3O4 IO)
• 3.1.3. Hình thái bề mặt vật liệu Co3O4 IO pha tạp bởi cacbon (C-Co3O4 IO)
• 3.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ pha tạp cacbon lên hình thái bề mặt vật liệu C-Co3O4 IO
• 3.1.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ nung kết lên hình thái bề mặt vật liệu C-Co3O4 IO
• 3.2. THUỘC TÍNH CẤU TRÚC VẬT LIỆU
• 3.2.1. Kết quả EDX của vật liệu C-Co3O4 IO
• 3.2.2. Kết quả đo Raman của vật liệu C-Co3O4 IO
• 3.2.3. Kết quả XRD của vật liệu C-Co3O4 IO
• 3.3. KHẢO SÁT THUỘC TÍNH XÚC TÁC CHO QUÁ TRÌNH TÁCH NƯỚC ĐIỆN HÓA (OER VÀ HER) CỦA VẬT LIỆU
• 3.3.1. Đặc trưng thế quét tuyến tính (LSV) cho quá trình OER và HER của vật liệu
• 3.3.2. Đặc trưng LSV cho quá trình OER của vật liệu
• 3.3.3. Đặc trưng LSV cho quá trình HER của vật liệu
• 3.3.4. Khảo sát độ bền của vật liệu (đặc trưng I – t) trong quá trình xúc tác điện hóa
• 3.3.5. Đặc trưng thế quét vòng tuần hoàn (CV) của vật liệu
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Vật liệu nano xốp Co3O4 pha tạp carbon

Nghiên cứu tập trung vào việc tổng hợp vật liệu nano xốp Co3O4 pha tạp carbon để ứng dụng trong xúc tác điện hóa tách nước. Vật liệu nano xốp được chọn vì diện tích bề mặt lớn, tăng cường hiệu suất xúc tác. Co3O4 là oxit kim loại chuyển tiếp có tính xúc tác cao, đặc biệt trong phản ứng tiến hóa oxy (OER). Việc pha tạp carbon vào Co3O4 nhằm cải thiện độ dẫn điện và ổn định cấu trúc, đồng thời tăng cường hiệu suất cho phản ứng tiến hóa hydro (HER).

1.1. Cấu trúc và tính chất của Co3O4

Co3O4 có cấu trúc spinel thuận, gồm ion Co2+ và Co3+ phân bố trong mạng tinh thể. Vật liệu này có tính ổn định hóa học cao, không độc và giá thành thấp. Co3O4 được ứng dụng rộng rãi trong xúc tác điện hóa nhờ khả năng oxi hóa vượt trội. Cấu trúc nano xốp của Co3O4 tạo ra diện tích bề mặt lớn, tăng số lượng vị trí hoạt động xúc tác.

1.2. Vai trò của carbon trong pha tạp

Việc pha tạp carbon vào Co3O4 giúp hình thành liên kết Co-C, tăng cường hiệu suất cho HER. Carbon cải thiện độ dẫn điện và ổn định cấu trúc của vật liệu. Ngoài ra, carbon còn tạo ra các lỗ trống trong cấu trúc nano xốp, thúc đẩy quá trình vận chuyển ion và khí, tăng hiệu suất xúc tác điện hóa.

II. Xúc tác điện hóa tách nước

Nghiên cứu tập trung vào ứng dụng vật liệu nano xốp Co3O4 pha tạp carbon trong xúc tác điện hóa tách nước. Quá trình tách nước điện hóa bao gồm hai phản ứng chính: HER và OER. Co3O4 được chứng minh là chất xúc tác hiệu quả cho OER, trong khi carbon pha tạp giúp cải thiện hiệu suất HER. Việc kết hợp hai vật liệu này tạo ra chất xúc tác lưỡng tính, có khả năng thúc đẩy cả hai phản ứng.

2.1. Cơ chế phản ứng OER

Trong OER, Co3O4 tham gia vào quá trình oxi hóa, chuyển đổi ion Co2+ thành Co3+ và hình thành CoOOH. Cấu trúc nano xốp của Co3O4 tạo ra nhiều vị trí hoạt động, tăng hiệu suất phản ứng. Việc pha tạp carbon giúp ổn định cấu trúc và tăng độ dẫn điện, thúc đẩy quá trình oxi hóa.

2.2. Cơ chế phản ứng HER

HER được cải thiện nhờ sự pha tạp carbon vào Co3O4. Carbon tạo ra liên kết Co-C, tăng cường khả năng hấp thụ và giải phóng hydro. Cấu trúc nano xốp của vật liệu cũng tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình vận chuyển ion và khí, nâng cao hiệu suất HER.

III. Phương pháp tổng hợp và ứng dụng

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp vật liệu nano xốp Co3O4 pha tạp carbon dựa trên khuôn cứng từ các quả cầu polystyrene (PS). Quá trình nung kết trong khí trơ giúp tạo ra cấu trúc nano xốp ổn định. Vật liệu xúc tác này được ứng dụng trong điện hóa tách nước, mang lại hiệu suất cao và chi phí thấp so với các chất xúc tác kim loại quý.

3.1. Quy trình tổng hợp vật liệu

Quy trình tổng hợp bao gồm các bước: chuẩn bị khuôn cứng từ PS, phủ Co3O4 lên khuôn, nung kết trong khí trơ để tạo cấu trúc nano xốp, và pha tạp carbon bằng phương pháp nhiệt phân. Kết quả thu được là vật liệu nano xốp Co3O4 pha tạp carbon có diện tích bề mặt lớn và độ ổn định cao.

3.2. Ứng dụng thực tế

Vật liệu nano xốp Co3O4 pha tạp carbon được ứng dụng trong các hệ thống điện hóa tách nước, mang lại hiệu suất cao và chi phí thấp. Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển các chất xúc tác lưỡng tính, có khả năng thúc đẩy cả HER và OER, góp phần vào việc sản xuất năng lượng sạch từ nước.