Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng ngày càng tăng trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch dần cạn kiệt và gây ra ô nhiễm môi trường đã thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ năng lượng sạch. Pin nhiên liệu ethanol trực tiếp (DEFC) được xem là một giải pháp tiềm năng với hiệu suất cao, phát thải thấp và khả năng sử dụng nguồn nguyên liệu tái tạo. Tuy nhiên, hiệu quả xúc tác cho phản ứng oxy hóa ethanol (Ethanol Oxidation Reaction - EOR) trong môi trường kiềm vẫn là thách thức lớn, đặc biệt khi cần giảm chi phí và tăng độ bền của xúc tác.

Luận văn này tập trung nghiên cứu tổng hợp và khảo sát xúc tác nano thiếc palladium (PdSn) dạng một chiều (1-D) làm vật liệu xúc tác cho phản ứng EOR trong môi trường kiềm. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 9/2021 đến tháng 5/2022 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh. Mục tiêu chính là phát triển quy trình tổng hợp cấu trúc lõi-vỏ PdSn 1-D với hiệu suất xúc tác cao, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố tổng hợp như nhiệt độ, pH, nồng độ chất hoạt động bề mặt, tỉ lệ Pd:Sn, thời gian và chu kỳ vi sóng đến cấu trúc và hoạt tính xúc tác.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu xúc tác cho pin nhiên liệu ethanol trực tiếp, góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ năng lượng sạch, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và giảm chi phí sản xuất pin nhiên liệu. Hiệu suất xúc tác đạt được lên đến 4904 mA, cho thấy tiềm năng ứng dụng thực tiễn của vật liệu PdSn 1-D trong các hệ thống pin nhiên liệu kiềm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Phản ứng oxy hóa ethanol (EOR) trong môi trường kiềm: Quá trình oxy hóa ethanol tại anode trong pin nhiên liệu kiềm được mô tả qua các phản ứng điện hóa, trong đó ethanol bị oxy hóa thành CO2 và nước, giải phóng electron để tạo dòng điện. Hiệu quả xúc tác phụ thuộc vào khả năng phá vỡ liên kết C-C và loại bỏ các sản phẩm trung gian độc hại như CO.

  • Cấu trúc lõi-vỏ (core-shell) trong xúc tác nano: Thiết kế cấu trúc lõi-vỏ với lõi là thiếc (Sn) và vỏ là palladium (Pd) giúp giảm lượng kim loại quý sử dụng, tăng diện tích bề mặt hoạt động và cải thiện hiệu suất xúc tác. Cấu trúc 1-D (thanh nano) giúp tăng diện tích tiếp xúc và khả năng truyền điện tích.

  • Phương pháp tổng hợp vật liệu nano: Phương pháp khử hóa học và thế Galvanic kết hợp vi sóng được áp dụng để tổng hợp cấu trúc 1-D PdSn. Phương pháp khử hóa học sử dụng NaBH4 làm chất khử và SDS làm chất hoạt động bề mặt để kiểm soát hình thái và kích thước thanh nano thiếc. Phương pháp thế Galvanic kết hợp vi sóng giúp phủ Pd lên lõi Sn nhanh chóng, đồng đều và hiệu quả.

Các khái niệm chính bao gồm: quét thế vòng tuần hoàn (CV), đo dòng thời gian (CA), phổ tổng trở điện hóa (EIS), CO stripping, và các thông số ảnh hưởng đến tổng hợp như pH, nhiệt độ, nồng độ chất hoạt động bề mặt, tỉ lệ mol Pd:Sn, thời gian và chu kỳ vi sóng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Vật liệu PdSn 1-D được tổng hợp tại phòng thí nghiệm Kỹ thuật điện hóa, Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM. Các hóa chất sử dụng gồm SnCl2.2H2O, PdCl2, NaBH4, SDS, ethanol, KOH, và các dung môi khác có độ tinh khiết cao.

  • Phương pháp tổng hợp: Thanh nano thiếc (SnNRs) được tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học trong dung dịch nước ở nhiệt độ thấp (~0 oC) với sự hỗ trợ của SDS và NaBH4. Sau đó, Pd được phủ lên SnNRs bằng phản ứng thế Galvanic trong dung môi ethylene glycol (EG) dưới chiếu xạ vi sóng với các điều kiện thời gian và chu kỳ vi sóng khác nhau.

  • Phân tích cấu trúc và thành phần: Sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để quan sát hình thái và kích thước, nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định cấu trúc tinh thể, phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) để phân tích thành phần nguyên tố.

  • Khảo sát hoạt tính xúc tác: Thực hiện trên hệ điện hóa ba điện cực với điện cực làm việc là điện cực glassy carbon phủ vật liệu xúc tác, điện cực so sánh là điện cực calomen bão hòa (SCE), và điện cực đối là lưới platinum. Các phương pháp điện hóa gồm quét thế vòng tuần hoàn (CV) để đánh giá hoạt tính xúc tác, đo dòng thời gian (CA) để khảo sát độ bền, CO stripping để đánh giá khả năng chống đầu độc CO, và phổ tổng trở điện hóa (EIS) để khảo sát khả năng truyền điện tích.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 9/2021 đến tháng 5/2022, bao gồm các giai đoạn tổng hợp vật liệu, khảo sát ảnh hưởng các yếu tố tổng hợp, phân tích cấu trúc và đánh giá hoạt tính xúc tác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tổng hợp thanh nano thiếc: Ở nhiệt độ 0 oC, thanh nano thiếc có chiều dài lên đến 200 nm và đường kính trung bình khoảng 20 nm được hình thành, trong khi ở 30 oC chỉ tạo ra các hạt nano thiếc. Điều này cho thấy nhiệt độ thấp thuận lợi cho sự phát triển cấu trúc 1-D. (Hình ảnh TEM minh họa rõ ràng sự khác biệt về hình thái).

  2. Ảnh hưởng của nồng độ chất hoạt động bề mặt SDS: Nồng độ SDS từ 8 đến 12 mM giúp hình thành thanh nano thiếc với chiều dài giảm khi tăng nồng độ SDS, cho thấy SDS kiểm soát sự phát triển chiều dài của thanh nano hiệu quả.

  3. Tỉ lệ Pd:Sn và điều kiện vi sóng trong tổng hợp PdSn-NRs: Tỉ lệ mol Pd:Sn = 1:4, thời gian vi sóng 15 giây, và 10 chu kỳ vi sóng cho hiệu suất xúc tác cao nhất với cường độ dòng đạt 4904 mA, vượt trội so với các tỉ lệ khác. (Bảng đặc tính điện hóa thể hiện sự khác biệt rõ rệt).

  4. Khả năng chống đầu độc CO: Phương pháp CO stripping cho thấy PdSn-NRs có khả năng oxy hóa CO sớm hơn so với Pd nguyên chất, chứng tỏ khả năng loại bỏ CO tốt hơn, giúp duy trì hoạt tính xúc tác lâu dài.

  5. Phổ tổng trở điện hóa (EIS): Vật liệu PdSn-NRs có điện trở thấp (Rp chỉ 26 Ω) cho thấy khả năng truyền điện tích tốt, hỗ trợ hiệu quả quá trình oxy hóa ethanol.

Thảo luận kết quả

Việc tổng hợp thanh nano thiếc ở nhiệt độ thấp giúp kiểm soát hình thái 1-D, tạo tiền đề cho việc phủ Pd hiệu quả. Nồng độ SDS đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh kích thước và hình dạng thanh nano, ảnh hưởng trực tiếp đến diện tích bề mặt xúc tác.

Phản ứng thế Galvanic kết hợp vi sóng rút ngắn thời gian tổng hợp và tạo lớp vỏ Pd đồng đều, tăng cường hoạt tính xúc tác. Tỉ lệ Pd:Sn 1:4 tối ưu hóa sự tương tác giữa Pd và Sn, nâng cao khả năng phá vỡ liên kết C-C trong ethanol và loại bỏ các sản phẩm trung gian độc hại.

Khả năng chống đầu độc CO của PdSn-NRs vượt trội so với Pd nguyên chất giúp duy trì hiệu suất xúc tác trong thời gian dài, điều này rất quan trọng cho ứng dụng thực tế trong pin nhiên liệu ethanol trực tiếp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ CV so sánh các tỉ lệ Pd:Sn, biểu đồ CA thể hiện độ bền theo thời gian, và biểu đồ EIS minh họa điện trở của các mẫu xúc tác. Bảng tổng hợp đặc tính điện hóa cung cấp số liệu chi tiết về cường độ dòng và điện trở.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa quy trình tổng hợp: Áp dụng phương pháp khử hóa học ở nhiệt độ thấp (~0 oC) kết hợp với nồng độ SDS từ 8-12 mM để kiểm soát hình thái thanh nano thiếc, tạo nền tảng cho lớp vỏ Pd đồng đều.

  2. Sử dụng phản ứng thế Galvanic kết hợp vi sóng: Áp dụng tỉ lệ Pd:Sn 1:4, thời gian vi sóng 15 giây, 10 chu kỳ để đạt hiệu suất xúc tác tối ưu, đồng thời giảm thời gian tổng hợp và tiết kiệm năng lượng.

  3. Phân tán vật liệu trên chất mang carbon đen Vulcan XC-72: Để tăng diện tích bề mặt và cải thiện khả năng dẫn điện, nên phân tán PdSn-NRs trên carbon đen với tỉ lệ 1:4 về khối lượng, đảm bảo sự phân bố đồng đều và ổn định.

  4. Khảo sát và kiểm soát khả năng chống đầu độc CO: Thường xuyên đánh giá khả năng loại bỏ CO bằng phương pháp CO stripping để đảm bảo độ bền và hiệu suất xúc tác trong quá trình vận hành pin nhiên liệu.

  5. Chủ thể thực hiện: Các nhóm nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật hóa học, công nghiệp pin nhiên liệu, và các doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác nên áp dụng các giải pháp trên trong giai đoạn phát triển sản phẩm và thương mại hóa.

  6. Timeline thực hiện: Trong vòng 6-12 tháng tiếp theo, tập trung hoàn thiện quy trình tổng hợp và đánh giá hiệu suất xúc tác trong điều kiện thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong các hệ thống pin nhiên liệu ethanol trực tiếp quy mô lớn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và khảo sát vật liệu nano xúc tác, giúp nâng cao hiểu biết và kỹ năng thực nghiệm trong lĩnh vực điện hóa và vật liệu nano.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và pin nhiên liệu: Các công ty có thể ứng dụng quy trình tổng hợp PdSn 1-D để phát triển sản phẩm xúc tác hiệu quả, giảm chi phí và nâng cao độ bền cho pin nhiên liệu ethanol trực tiếp.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng sạch: Thông tin trong luận văn hỗ trợ đánh giá tiềm năng công nghệ pin nhiên liệu ethanol, từ đó xây dựng các chính sách thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng năng lượng tái tạo.

  4. Nhà phát triển công nghệ và kỹ sư thiết kế pin nhiên liệu: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu về hiệu suất xúc tác và khả năng chống đầu độc CO, giúp tối ưu thiết kế và vận hành pin nhiên liệu ethanol trực tiếp trong môi trường kiềm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn palladium thay vì platinum làm xúc tác?
    Palladium có hoạt tính xúc tác cao hơn trong môi trường kiềm, giá thành thấp hơn khoảng 30-40%, và trữ lượng tự nhiên cao hơn gấp nhiều lần so với platinum, giúp giảm chi phí và tăng khả năng thương mại hóa pin nhiên liệu.

  2. Phương pháp tổng hợp nào được sử dụng để tạo cấu trúc 1-D PdSn?
    Phương pháp khử hóa học để tổng hợp thanh nano thiếc, sau đó sử dụng phản ứng thế Galvanic kết hợp chiếu xạ vi sóng để phủ palladium lên lõi thiếc, tạo cấu trúc lõi-vỏ 1-D hiệu quả.

  3. Làm thế nào để kiểm soát kích thước và hình thái của thanh nano thiếc?
    Điều chỉnh nhiệt độ phản ứng (ưu tiên ~0 oC), nồng độ chất hoạt động bề mặt SDS (8-12 mM), và pH dung dịch (dưới 4,5) giúp kiểm soát chiều dài và đường kính thanh nano thiếc.

  4. Khả năng chống đầu độc CO của PdSn-NRs được đánh giá như thế nào?
    Sử dụng phương pháp CO stripping cho thấy PdSn-NRs oxy hóa CO sớm hơn Pd nguyên chất, chứng tỏ khả năng loại bỏ CO tốt hơn, giúp duy trì hoạt tính xúc tác lâu dài.

  5. Ứng dụng thực tiễn của vật liệu PdSn 1-D trong pin nhiên liệu là gì?
    Vật liệu này có thể được sử dụng làm xúc tác anode trong pin nhiên liệu ethanol trực tiếp, giúp tăng hiệu suất oxy hóa ethanol, giảm chi phí và nâng cao độ bền của pin trong môi trường kiềm.

Kết luận

  • Đã thành công trong việc tổng hợp cấu trúc 1-D lõi-vỏ PdSn với hiệu suất xúc tác cao cho phản ứng oxy hóa ethanol trong môi trường kiềm.
  • Nhiệt độ thấp (~0 oC), nồng độ SDS cao và pH dưới 4,5 là các yếu tố quan trọng kiểm soát hình thái thanh nano thiếc.
  • Tỉ lệ Pd:Sn = 1:4, thời gian vi sóng 15 giây, 10 chu kỳ là điều kiện tối ưu cho tổng hợp PdSn-NRs với cường độ dòng lên đến 4904 mA.
  • Vật liệu PdSn-NRs có khả năng chống đầu độc CO tốt hơn Pd nguyên chất, đồng thời có điện trở thấp, hỗ trợ truyền điện tích hiệu quả.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu xúc tác hiệu quả, bền vững cho pin nhiên liệu ethanol trực tiếp, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng sạch.

Next steps: Tiếp tục tối ưu quy trình tổng hợp, mở rộng đánh giá hiệu suất trong điều kiện thực tế và nghiên cứu ứng dụng quy mô lớn.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực năng lượng sạch nên hợp tác để phát triển và thương mại hóa công nghệ xúc tác PdSn 1-D cho pin nhiên liệu ethanol trực tiếp.