MỞ ĐẦU 1.1 Giới thiệu Sự phát triển của xã hội và công nghiệp làm tăng nhu cầu tiêu thụ về năng lượng. Ngày nay, hầu hết năng lượng được cung cấp bằng cách đốt nhiên liệu hóa thạch. Điều này dẫn đến tình trạng ô nhiễm không khí và ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Các động cơ đốt trong thải ra khí CO2, gây hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng dần lên.
Hơn nữa, nhiên liệu hóa thạch cũng đang dần cạn kiệt. Vì vậy, nhu cầu tìm kiếm một công nghệ để chuyển đổi và tạo ra năng lượng mới là rất cấp thiết. Gần đây, pin nhiên liệu được coi là công nghệ chuyển đổi năng lượng tiềm năng và đầy hứa hẹn. Pin nhiên liệu chỉ thải ra rất ít chất thải, chẳng hạn pin hydro chỉ thải ra không khí và nước trong khi pin nhiên liệu cồn chỉ thải ra một ít CO2, ít hơn nhiều so với các công nghệ chuyển đổi năng lượng truyền thống.
Ngoài ra, pin nhiên liệu còn các ưu điểm như: sử dụng nguồn năng lượng sạch, hiệu suất cao, mật độ năng lượng lớn, thiết kế nhỏ gọn, không gây tiếng ồn,… [1] mang nhiều hiệu quả về mặt năng lượng. Trong những thập kỷ gần đây, quá trình oxy hóa methanol đã nhận được sự quan tâm lớn nhờ khả năng ứng dụng trong pin nhiên liệu methanol trực tiếp (DMFC), cho thấy tiềm năng to lớn như một nguồn điện hiệu quả cao, ít phát thải. Tuy nhiên, methanol không được ưa dùng như ethanol vì độc tính cao. Methanol có thể làm tổn thương hệ thần kinh trung ương, dẫn đến mù lòa.
Mặt khác, ethanol có nhiều lợi ích hơn methanol, chẳng hạn như tạo ra nguồn điện sạch, hiệu suất cao và có thể sử dụng rộng rãi. Bên cạnh đó, lĩnh vực nông nghiệp hiện đại cũng có thể sản xuất một lượng lớn ethanol, cho phép cung cấp liên tục và chi phí tài nguyên thấp hơn. Do sự tương đồng của ethanol với methanol, pin nhiên liệu ethanol trực tiếp (DEFC) đã được xác định có khả năng cung cấp năng lượng tương tự hệ thống DMFCs [2]. Song song với đó, chất xúc tác điện hóa trên cơ sở platinum (Pt) cho quá trình oxy hóa methanol trong dung dịch axit đã được nghiên cứu rộng rãi [3].
Tuy nhiên, việc thương mại hóa các pin nhiên liệu này gặp vấn đề về chi phí cao và nguồn cung 2 hạn chế, không cho phép sử dụng Pt ở cấp độ thương mại [4]. Thêm vào đó, chất xúc tác điện hóa dựa trên Pt, nói chung sẽ trải qua quá trình khử hoạt tính/ngộ độc bởi chất trung gian của phản ứng, đặc biệt bởi chất trung gian như CO trong môi trường axit, nhưng chất xúc tác palladium (Pd) và Pd/C có thể khắc phục hiệu ứng ngộ độc CO [5]. Do đó, nhiều nhà nghiên cứu đã chuyển hướng nghiên cứu của họ đến Pd. Nó là một kim loại nằm trong nhóm tương tự với platinum.
Một số nghiên cứu đã phát hiện ra rằng Pd được coi là sự thay phù hợp cho Pt trong DAFCs [2]. Dù Pd là chất xúc tác ít phản ứng trong môi trường axit, nhưng Pd thể hiện hiệu suất vượt trội trong môi trường kiềm so với Pt. Việc bổ sung chất xúc tác kim loại hoặc oxit kim loại có thể giúp tăng cường hoạt tính xúc tác Pd [6, 7]. Vì vậy, một số quan tâm gần đây đã tập trung vào việc lựa chọn các xúc tác kim loại trên cơ sở Pd bởi vì nó có hoạt tính điện cực lớn đối với quá trình oxy hóa methanol và ethanol trong môi trường kiềm.
Cấu trúc nano lõi vỏ là một cách hữu ích để cải thiện hiệu quả sử dụng của các chất xúc tác điện hóa kim loại quý. Thay thế lõi của chất xúc tác quý với các kim loại ít giá trị hơn bằng cách tạo ra lớp vỏ Pd bao bọc bên ngoài với tỷ lệ diện tích bề mặt cao, hoạt tính xúc tác cao và hiệu suất sử dụng của chất xúc tác điện hóa Pd cũng được nâng cao hơn [8].2 Mục đích của nghiên cứu Nghiên cứu này nhằm mục đích tổng hợp thành công cấu trúc 1-D nano trang trí/vỏ-lõi PdSn trên chất mang carbon đen, tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành cấu trúc 1-D thiếc và cấu trúc 1-D trang trí/vỏ-lõi PdSn nhằm tìm ra thông số phản ứng tối ưu cho quá trình tổng hợp. Nghiên cứu này bao gồm 2 phần sau: Phần 1: Tổng hợp xúc tác Sn 1-D bằng phương pháp khử hóa học Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình tổng hợp Khảo sát ảnh hưởng của giá trị pH đến quá trình tổng hợp Khảo sát ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt đến quá trình tổng hợp 3 Phần 2: - Tổng hợp xúc tác 1-D PdSn bằng phương pháp Galvanic kết hợp vi sóng Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ Pd:Sn đến quá trình tổng hợp Khảo sát ảnh hưởng của thời gian vi sóng đến quá trình tổng hợp Khảo sát ảnh hưởng của chu kì vi sóng đến quá trình tổng hợp - Đánh giá hoạt tính điện hóa của vật liệu cho quá trình oxy hóa ethanol trong môi trường kiềm Đánh giá khả năng điện hóa của vật liệu cấu trúc 1-D PdSn Đánh giá khả năng chống đầu độc bởi CO 4 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2.1 Pin nhiên liệu 2.1 Tổng quan về pin nhiên liệu Một cách tổng quát, pin nhiên liệu được định nghĩa là một thiết bị tạo ra năng lượng điện trực tiếp từ nhiên liệu thông qua các quá trình điện hóa. Mặt khác, hoạt động này tương tự như pin bình thường ngoại trừ các chất phản ứng được lưu trữ bên ngoài viên pin.
Do đó, hiệu suất của thiết bị chỉ bị giới hạn bởi nguồn nhiên liệu và nguồn cung cấp oxy thay vì phụ thuộc vào thiết kế của thiết bị. Pin nhiên liệu là một phát minh vĩ đại của Wiliam Grove vào năm 1838. Có rất nhiều loại pin nhiên liệu khác nhau nhưng tất cả chúng đều được vận hành bởi 3 yếu tố chính là anode (+), cathode (-) và chất điện phân. Việc tạo ra một pin nhiên liệu thực sự đòi hỏi rất nhiều vấn đề khác nhau cần được giải quyết.
Tuy nhiên, bỏ qua chi phí sản xuất và nguyên liệu, hai vấn đề kỹ thuật cơ bản và lớn nhất mà pin nhiên liệu cần phải quan tâm hiện nay là: • Tốc độ phản ứng chậm. Đặc biệt là đối với các phản ứng oxy hóa khử, dẫn đến dòng điện và công suất thấp. • Trên thực tế, hydro không phải là một loại nhiên liệu có sẵn. Để giải quyết những vấn đề này, nhiều loại pin nhiên liệu đang được nghiên cứu và phát triển.
Tất cả được phân biệt bởi chất điện phân được sử dụng và nhiệt độ hoạt động, mặc dù có những yếu tố phân biệt khác [9]. Một số pin nhiên liệu được phân loại theo chất điện phân được sử dụng [10]: Pin nhiên liệu kiềm - Alkaline Fuel Cell (AFC) Pin nhiên liệu màng trao đổi proton - Proton Exchange Fuel Cell (PEFMC) Pin nhiên liệu axit photphoric - Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) Pin nhiên liệu carbonat nóng chảy - Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC) Pin nhiên liệu oxit rắn - Solid Oxyde Fuel Cell (SOFC) Pin nhiên liệu cồn trực tiếp - Direct Alcohol Fuel Cell (DAFC).2 Pin nhiên liệu dùng ethanol trực tiếp DEFC là một thiết bị điện hóa chuyển đổi trực tiếp năng lượng hóa học được lưu trữ trong ethanol thành điện năng. Có 2 loại DEFC dựa trên chất điện ly được sử dụng: DEFC trong môi trường axit và DEFC trong môi trường kiềm. Do có một số khác biệt giữa DEFC có tính axit và kiềm, một số điểm cho thấy ưu điểm của loại kiềm so với loại axit DEFC [11].
Có rất nhiều nghiên cứu về DEFC trong môi trường axit vì nó dễ biểu hiện và hiệu suất khá tốt. Tuy nhiên, do hoạt động trong môi trường axit nên khả năng bị ăn mòn rất cao. Do đó, việc sử dụng các chất xúc tác dựa trên Pt là rất phổ biến đối với các DEFC có tính axit. Mặt khác, Pt là một vật liệu tương đối hiếm và đắt tiền.
Vì thế, việc sử dụng DEFC trong môi trường kiềm có thể thay thế bằng chất xúc tác Pd. Nguyên tắc vận hành của pin nhiên liệu trong môi trường kiềm DEFC được cấu tạo giống như các loại pin cồn trực tiếp khác. Nó cũng bao gồm ba thành phần chính: cực dương, cực âm và chất điện phân. Bên cạnh đó, có một màng điện phân polymer để ngăn cách và ngăn chặn các điện tử đi qua nó [12].
Trong DEFC, ethanol có thể tồn tại ở dạng khan, được pha loãng với nước hoặc ở dạng hơi để đưa trực tiếp vào anode. Và không khí sẽ được cung cấp cho cathode. Quá trình tổng thể có thể được thể hiện như sau [9].1 Nguyên tắc vận hành pin nhiên liệu trong môi trường kiềm Tóm tắt các quá trình xảy ra trong pin kiềm ethanol trực tiếp như sau: Quá trình oxy hóa ethanol xảy ra ở anode: C2H5OH + 12 OH- → 2 CO2 + 9 H2O + 12 e- (2.1) Quá trình khử xảy ra ở cathode: 3O2 + 12 e- + 6 H2O → 12 OH- (2.2) Phản ứng tổng quát: C2H5OH + 3 O2 → 3 H2O + 2 CO2 (2.3 Ứng dụng của pin nhiên liệu Ethanol, như một loại nhiên liệu lỏng, có mật độ năng lượng cao và đã được sản xuất với số lượng lớn từ đường mía, lúa mì, ngô và sinh khối cấp thấp. Cơ sở hạ tầng cho giao thông vận tải và kho bãi của nó đã tồn tại hoặc một cơ sở hạ tầng mới có thể được xây dựng một cách nhanh chóng.
Do đó, so với các loại pin nhiên liệu khác, DEFC rất hấp dẫn đối với một số ứng dụng bao gồm nguồn điện di động, nguồn điện khu vực xa mạng lưới cung cấp điện, giao thông vận tải và sản xuất điện ổn định. Hơn nữa, ethanol gần như dễ biến đổi hơn do cấu trúc phân tử đơn giản hơn, và khả năng tương thích của nó với công nghệ sử dụng xăng hiện nay [13]. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn đang ở giai đoạn phát triển ban đầu với các nghiên cứu được thực hiện 7 trên hệ thống quy mô nhỏ trong các phòng thí nghiệm và việc thương mại hóa vẫn còn là một tương lai xa. Hiện nay một số sản phẩm của pin nhiên liệu đã được nghiên cứu sản xuất trong các lĩnh vực như giao thông vận tải, quân sự, thiết bị điện tử sinh hoạt gia đình.
Công ty H2Fly tách ra từ Viện Kỹ thuật Nhiệt động lực học DLR để vận hành và chứng nhận máy bay hydro 4 chỗ mang tên HY4.