Nghiên cứu điều chế và đặc trưng tính chất xúc tác pt graphene biến tính ứng dụng trong pin nhiên liệu

Nghiên cứu điều chế và đặc trưng tính chất xúc tác pt graphene biến tính cho ứng dụng trong pin nhiên liệu, mở ra hướng đi mới cho năng lượng sạch.

• Tác giả: Nguyễn Tiến Hoàng
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hồng Liên
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Hóa học
• Đề tài: Nghiên cứu điều chế và đặc trưng tính chất xúc tác Pt/Graphene biến tính ứng dụng trong pin nhiên liệu
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Pin nhiên liệu
• 1.2. Pin nhiên liệu kiềm – AFC
• 1.3. Pin nhiên liệu muối cacbonat nóng chảy – MCFC
• 1.4. Pin nhiên liệu axit phosphoric – PAFC
• 1.5. Pin nhiên liệu màng trao đổi proton – PEMFC
• 1.6. Pin nhiên liệu oxit rắn – SOFC
• 1.7. Pin nhiên liệu ancol trực tiếp – DAFC
• 1.8. Xúc tác cơ sở Pt cho các phản ứng oxy hóa điện hóa ứng dụng trong pin DAFCs
• 1.9. Quá trình oxy hóa điện hóa methanol/ ethanol trong pin DAFCs
• 1.10. Xúc tác trên cơ sở Pt cho phản ứng oxy hóa điện hóa methanol/ethanol trong pin DAFC
• 1.11. Xúc tác trên cơ sở Au-Pt/Graphene trong phản ứng oxy hóa điện hóa methanol/ethanol trong pin DAFCs
• 1.12. Phương pháp tổng hợp xúc tác cơ sở Au-Pt/rGO
• 1.13. Phương pháp vật lí tổng hợp các hạt nano Pt
• 1.14. Phương pháp điện hóa tổng hợp các hạt nano Pt
• 1.15. Phương pháp hóa học
• 1.16. Nguyên liệu và hóa chất
• 1.17. Tổng hợp chất xúc tác
• 1.18. Các phương pháp đặc trưng tính chất hóa lý của xúc tác
• 1.19. Đánh giá hoạt tính điện hóa của xúc tác
• 2. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 2.1. Khảo sát sơ bộ xúc tác AuPt/rGO với hàm lượng kim loại khác nhau
• 2.2. Kết quả đặc trưng tính chất xúc tác Au2Pt5/rGO
• 2.3. Kết quả đặc trưng XRD
• 2.4. Kết quả đặc trưng SEM
• 2.5. Kết quả đặc trưng EDX
• 2.6. Kết quả đặc trưng TEM
• 2.7. Hoạt tính oxy hóa điện hóa ethanol của xúc tác
• 2.8. Hoạt tính oxy hóa điện hóa methanol của xúc tác
• 3. KẾT LUẬN & ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Xúc Tác Pt Graphene Biến Tính Cho Pin Nhiên Liệu

Nhu cầu năng lượng toàn cầu ngày càng tăng, thúc đẩy tìm kiếm các nguồn năng lượng sạch và tái tạo. Pin nhiên liệu nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn, đặc biệt là pin nhiên liệu sử dụng ancol trực tiếp (DAFCs). Ưu điểm của DAFCs bao gồm hiệu suất cao, thân thiện với môi trường và khả năng sử dụng các nhiên liệu lỏng như methanol và ethanol. Tuy nhiên, hiệu suất của DAFCs phụ thuộc lớn vào vật liệu xúc tác sử dụng trong phản ứng oxi hóa điện hóa tại anode. Các kim loại quý như Pt, Pd, Ru thể hiện hiệu quả xúc tác cao, nhưng giá thành cao và dễ bị ngộ độc bởi các sản phẩm trung gian. Do đó, nghiên cứu tập trung vào việc phát triển các chất xúc tác hiệu quả hơn, sử dụng ít kim loại quý hơn và có độ bền cao hơn. Nghiên cứu này tập trung vào xúc tác Pt/Graphene biến tính, một hướng đi đầy tiềm năng để giải quyết các thách thức hiện tại.

1.1. Ưu điểm của Pin Nhiên Liệu Ancol Trực Tiếp DAFCs

Pin nhiên liệu ancol trực tiếp (DAFCs) sử dụng methanol hoặc ethanol làm nhiên liệu, mang lại nhiều ưu điểm so với các loại pin nhiên liệu khác. Chúng có hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, mật độ năng lượng lớn và dễ dàng lưu trữ, vận chuyển. Đặc biệt, pin nhiên liệu ethanol trực tiếp (DEFCs) sử dụng ethanol, một nhiên liệu tái tạo, ít độc hại và thân thiện với môi trường. Theo tài liệu, ethanol có độ an toàn cao và dễ bảo quản hơn so với hydro truyền thống. Tuy nhiên, việc ứng dụng DEFCs còn gặp nhiều khó khăn do khả năng cắt liên kết C-C trong ethanol thấp và sự hình thành các hợp chất trung gian gây ngộ độc chất xúc tác.

1.2. Vai trò của Xúc tác trong Pin Nhiên Liệu DAFCs

Vật liệu xúc tác đóng vai trò then chốt trong hiệu suất của pin nhiên liệu DAFCs. Chúng xúc tác phản ứng oxi hóa điện hóa methanol (MOR) hoặc ethanol (EOR) tại anode. Các kim loại quý như Pt, Pd, Ru thể hiện hiệu quả xúc tác cao, đặc biệt là Pt. Tuy nhiên, giá thành cao và khả năng dễ bị ngộ độc bởi các sản phẩm trung gian là những hạn chế lớn. Do đó, cần thiết kế các chất xúc tác với pha hoạt tính phân tán trên chất mang, hàm lượng kim loại thấp và hiệu quả sử dụng kim loại cao. Nghiên cứu này tập trung vào xúc tác Pt/Graphene biến tính, một hướng đi đầy tiềm năng để giải quyết các thách thức hiện tại.

II. Thách Thức Độ Bền và Giá Thành Xúc Tác Pt Truyền Thống

Mặc dù xúc tác Pt thể hiện hoạt tính cao trong phản ứng oxi hóa điện hóa, ứng dụng thương mại của chúng bị cản trở bởi trữ lượng khan hiếm, giá thành cao và khả năng dễ bị ngộ độc bởi sự hấp phụ các sản phẩm trung gian. Các sản phẩm trung gian này, như CO, có thể bám vào bề mặt xúc tác, làm giảm số lượng các tâm hoạt tính và làm giảm hiệu suất của pin nhiên liệu. Để vượt qua những thách thức này, cần có một thiết kế hợp lý của các chất xúc tác, bao gồm pha hoạt tính phân tán trên chất mang, với hàm lượng kim loại thấp và hiệu quả sử dụng kim loại cao. Việc tìm kiếm các vật liệu thay thế hoặc cải tiến xúc tác Pt truyền thống là vô cùng quan trọng.

2.1. Ngộ độc CO và Giảm Hoạt Tính Xúc Tác Pt

Một trong những vấn đề lớn nhất đối với xúc tác Pt là khả năng bị ngộ độc bởi CO, một sản phẩm trung gian của phản ứng oxi hóa điện hóa. CO bám chặt vào bề mặt xúc tác, ngăn chặn các phân tử nhiên liệu tiếp cận các tâm hoạt tính. Điều này làm giảm đáng kể hoạt tính và hiệu suất của xúc tác. Các phương pháp để giảm thiểu ngộ độc CO bao gồm sử dụng hợp kim Pt với các kim loại khác, hoặc biến tính bề mặt xúc tác để tăng khả năng loại bỏ CO.

2.2. Yêu cầu về hiệu quả sử dụng kim loại và giảm giá thành

Trữ lượng Pt khan hiếm và giá thành cao là những rào cản lớn đối với việc thương mại hóa pin nhiên liệu. Do đó, cần phát triển các chất xúc tác sử dụng ít Pt hơn mà vẫn duy trì được hoạt tính cao. Một cách tiếp cận là phân tán Pt trên chất mang có diện tích bề mặt lớn, như graphene, để tăng hiệu quả sử dụng kim loại. Ngoài ra, việc sử dụng các kim loại rẻ tiền hơn để thay thế một phần Pt cũng là một hướng đi tiềm năng. Theo tài liệu, việc sử dụng hợp kim Au-Pt có thể cải thiện hiệu suất và độ ổn định của chất xúc tác.

III. Giải Pháp Xúc Tác Pt Graphene Biến Tính Hướng Đi Mới

Xúc tác Pt/Graphene biến tính nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn để giải quyết các thách thức của xúc tác Pt truyền thống. Graphene có diện tích bề mặt lớn, độ dẫn điện cao và tính ổn định hóa học tốt, là một chất mang lý tưởng cho xúc tác Pt. Việc biến tính graphene bằng các kim loại khác, như Au, có thể cải thiện hoạt tính và độ bền của xúc tác Pt. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển xúc tác Pt/Graphene biến tính với hàm lượng Pt thấp và hoạt tính cao, hướng tới ứng dụng trong pin nhiên liệu DAFCs.

3.1. Ưu điểm của Graphene làm chất mang xúc tác

Graphene là một vật liệu hai chiều với cấu trúc mạng tinh thể lục giác, có diện tích bề mặt lý thuyết rất lớn (2630 m²/g). Điều này cho phép phân tán các hạt nano Pt một cách hiệu quả, tăng diện tích tiếp xúc giữa xúc tác và nhiên liệu. Ngoài ra, graphene có độ dẫn điện cao, giúp tăng cường quá trình truyền điện tử trong phản ứng oxi hóa điện hóa. Tính ổn định hóa học tốt của graphene cũng giúp tăng độ bền của xúc tác.

3.2. Biến tính Graphene để cải thiện hoạt tính và độ bền

Việc biến tính graphene bằng các kim loại khác, như Au, có thể cải thiện hoạt tính và độ bền của xúc tác Pt. Au có thể tạo ra hiệu ứng hiệp trợ với Pt, tăng cường khả năng oxi hóa CO và các sản phẩm trung gian khác. Ngoài ra, Au có thể bảo vệ Pt khỏi bị ăn mòn và oxy hóa, tăng độ bền của xúc tác. Theo tài liệu, cấu trúc nano Au-Pt đã được báo cáo là có hiệu ứng hiệp trở rất tốt trong các quá trình điện hóa.

3.3. Phương pháp tổng hợp xúc tác Pt Graphene biến tính

Có nhiều phương pháp để tổng hợp xúc tác Pt/Graphene biến tính, bao gồm phương pháp khử hóa học, phương pháp điện hóa và phương pháp vật lý. Phương pháp khử hóa học là một phương pháp đơn giản và hiệu quả để tạo ra các hạt nano Pt phân tán trên graphene. Phương pháp điện hóa có thể kiểm soát kích thước và hình dạng của các hạt nano Pt. Phương pháp vật lý, như phún xạ, có thể tạo ra các lớp màng mỏng Pt trên graphene.

IV. Nghiên Cứu Điều Chế và Đánh Giá Xúc Tác AuPt rGO Cho DEFCs

Luận văn này tập trung vào việc điều chế và đánh giá xúc tác AuPt/rGO (vật liệu graphene oxit khử) cho ứng dụng trong pin nhiên liệu ethanol trực tiếp (DEFCs). Mục tiêu là phát triển một chất xúc tác có hoạt tính cao, độ bền tốt và sử dụng ít Pt hơn so với xúc tác Pt truyền thống. Các phương pháp sử dụng bao gồm SEM, TEM, XRD và EDX để đặc trưng tính chất vật liệu. Hoạt tính xúc tác được đánh giá trong phản ứng oxi hóa điện hóa ethanol bằng các phép đo điện hóa đặc trưng.

4.1. Tổng hợp xúc tác AuPt rGO với kích thước hạt nano đồng đều

Luận văn đã tổng hợp thành công xúc tác AuPt/rGO, với các tiểu phân pha hoạt tính xúc tác có kích thước trung bình 3 nm, phân bố đồng đều trên chất mang rGO. Hiện tượng xúc tác co cụm được giảm đi đáng kể. Theo tài liệu, việc giảm kích thước hạt nano và phân bố đồng đều trên chất mang có thể tăng diện tích bề mặt hoạt động và cải thiện hoạt tính xúc tác.

4.2. Đánh giá hoạt tính xúc tác trong phản ứng oxi hóa điện hóa ethanol

Luận văn đã đánh giá hoạt tính của xúc tác PtAu/rGO trong phản ứng oxi hóa điện hóa ethanol và methanol. Kết quả cho thấy xúc tác PtAu/rGO có hoạt tính cao trong môi trường bazơ, đồng thời có độ ổn định hoạt tính tương đối tốt trong phản ứng oxi hóa điện hóa ethanol và methanol. Các kết quả này phù hợp với mục tiêu đã đặt ra.

4.3. So sánh hiệu suất với xúc tác Pt rGO không biến tính

Nghiên cứu so sánh hiệu suất của xúc tác AuPt/rGO với xúc tác Pt/rGO không biến tính. Kết quả cho thấy xúc tác AuPt/rGO có hoạt tính và độ bền cao hơn so với xúc tác Pt/rGO. Điều này chứng tỏ vai trò quan trọng của việc biến tính graphene bằng Au trong việc cải thiện hiệu suất xúc tác.

V. Kết Luận Tiềm Năng Ứng Dụng và Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo

Nghiên cứu này đã thành công trong việc phát triển xúc tác AuPt/Graphene biến tính có hoạt tính cao và độ bền tốt cho ứng dụng trong pin nhiên liệu DAFCs. Kết quả cho thấy việc biến tính graphene bằng Au có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của xúc tác Pt. Nghiên cứu này mở ra tiềm năng phát triển các vật liệu tiên tiến trên cơ sở Pt trên chất mang graphene, ứng dụng làm chất xúc tác điện hóa cho pin nhiên liệu cũng như các phản ứng khác với hiệu quả cao, chi phí thấp. Định hướng sử dụng nguồn năng lượng mới, an toàn và thân thiện với môi trường từ phản ứng oxi hóa điện hóa ethanol trong pin DAFC đang ngày càng được quan tâm nghiên cứu, phát triển.

5.1. Ứng dụng thực tế của xúc tác AuPt Graphene biến tính

Việc điều chế được xúc tác AuPt/Graphene biến tính có hoạt tính tốt, ứng dụng làm chất mang xúc tác phủ điện cực anốt trong pin nhiên liệu ancol trực tiếp (DAFC) có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao đối với xu hướng hiện nay. Nguồn nguyên liệu methanol, ethanol này có độ an toàn cao, dễ bảo quản hơn so với phương pháp lưu trữ hydrogen truyền thống trước đây.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo để tối ưu hóa xúc tác

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc tối ưu hóa thành phần và cấu trúc của xúc tác AuPt/Graphene biến tính để tăng hoạt tính và độ bền. Nghiên cứu về cơ chế phản ứng trên bề mặt xúc tác cũng rất quan trọng để hiểu rõ hơn về vai trò của Au và graphene trong việc cải thiện hiệu suất xúc tác. Ngoài ra, việc phát triển các phương pháp tổng hợp xúc tác quy mô lớn và chi phí thấp là cần thiết để thương mại hóa xúc tác AuPt/Graphene biến tính.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng toàn cầu ngày càng tăng trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch có hạn và tác động tiêu cực đến môi trường. Pin nhiên liệu ancol trực tiếp (Direct Alcohol Fuel Cells - DAFCs) nổi lên như một giải pháp năng lượng sạch, hiệu quả và thân thiện với môi trường. Methanol và ethanol là hai nhiên liệu chính được sử dụng trong DAFCs, trong đó ethanol được đánh giá cao nhờ tính tái tạo và ít độc hại. Tuy nhiên, hiệu suất của pin nhiên liệu ethanol trực tiếp (DEFCs) còn hạn chế do phản ứng cắt liên kết C-C trong ethanol khó khăn và sự hình thành các hợp chất trung gian gây ngộ độc xúc tác.

Luận văn tập trung nghiên cứu điều chế và đặc trưng tính chất xúc tác Pt/Graphene biến tính với sự pha tạp Au, nhằm nâng cao hiệu suất và độ bền của xúc tác trong phản ứng oxy hóa điện hóa ethanol và methanol, hướng tới ứng dụng trong pin nhiên liệu DAFCs. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm tại Đại học Bách Khoa Hà Nội, với thời gian thực hiện đến năm 2023. Việc phát triển xúc tác PtAu/rGO có kích thước tiểu phân trung bình khoảng 3 nm, phân bố đồng đều trên chất mang graphene oxit khử (rGO), giảm thiểu hiện tượng kết tụ, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng kim loại quý và giảm chi phí sản xuất.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn quan trọng, mở ra hướng phát triển các vật liệu xúc tác tiên tiến cho pin nhiên liệu ancol trực tiếp, đồng thời góp phần thúc đẩy ứng dụng nguồn năng lượng tái tạo, an toàn và thân thiện với môi trường.

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 xúc tác điện hóa trên bề mặt kim loại quý: Giải thích cơ chế hấp phụ và oxy hóa các phân tử methanol, ethanol trên bề mặt Pt, bao gồm các bước tạo hợp chất trung gian và quá trình giải hấp CO để tái tạo tâm hoạt tính.
• Mô hình hiệu ứng hiệp trợ (synergistic effect) trong hợp kim Pt-Au: Au giúp cải thiện độ bền và khả năng chống ngộ độc CO của Pt thông qua hiệu ứng điện tử và chuyển điện tích, nâng cao hiệu suất xúc tác.
• Khái niệm vật liệu graphene và graphene oxit khử (rGO): Graphene với cấu trúc mạng tổ ong 2D, có diện tích bề mặt riêng lớn, độ dẫn điện cao, giúp phân tán và ổn định các tiểu phân kim loại nano, tăng hiệu quả xúc tác.
• Phương pháp tổng hợp và kiểm soát kích thước hạt nano: Kiểm soát quá trình tạo mầm và phát triển hạt nano Pt/Au để đạt kích thước tiểu phân nhỏ, phân bố đồng đều, giảm kết tụ, từ đó tăng diện tích bề mặt hoạt động điện hóa (ECSA).
• Phương pháp đánh giá hoạt tính xúc tác điện hóa: Sử dụng kỹ thuật quét thế tuần hoàn (CV), đo mật độ dòng điện cực đại (IF), tỷ số IF/IB để đánh giá hoạt tính và khả năng chống ngộ độc của xúc tác.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực nghiệm thu thập tại phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ lọc, hóa dầu, Đại học Bách Khoa Hà Nội, kết hợp với tài liệu khoa học quốc tế liên quan.
• Phương pháp tổng hợp xúc tác: Sử dụng phương pháp hóa học ướt kết hợp siêu âm và đun hồi lưu để tổng hợp xúc tác AuPt/rGO với hàm lượng Pt và Au được điều chỉnh theo lý thuyết (Pt 5-20%, Au 2-4%). Mẫu Pt/rGO được tổng hợp tương tự nhưng không có Au.
• Phương pháp đặc trưng tính chất: Sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), kính hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia X (XRD) và phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) để xác định kích thước, phân bố tiểu phân, cấu trúc tinh thể và thành phần nguyên tố của xúc tác.
• Phương pháp đánh giá hoạt tính điện hóa: Đo quét thế tuần hoàn (CV) trong dung dịch ethanol 1 M + NaOH 0,5 M và methanol 1 M + NaOH 0,5 M, xác định mật độ dòng điện cực đại (IF), mật độ dòng nghịch (IB), tỷ số IF/IB, diện tích bề mặt hoạt động điện hóa (ECSA). Đánh giá độ bền xúc tác qua phép đo chronoamperometry (CA) tại thế cố định trong 4000 giây và thử nghiệm 1200 vòng quét CV liên tục.
• Timeline nghiên cứu: Tổng hợp và đặc trưng xúc tác trong vòng 6 tháng, đánh giá hoạt tính điện hóa trong 3 tháng tiếp theo, phân tích dữ liệu và hoàn thiện luận văn trong 3 tháng cuối năm 2022 đến đầu 2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tổng hợp thành công xúc tác AuPt/rGO với kích thước tiểu phân trung bình khoảng 3 nm: Quan sát TEM cho thấy các tiểu phân Pt và Au phân bố đồng đều trên bề mặt rGO, giảm thiểu hiện tượng kết tụ so với xúc tác Pt/rGO không có Au. Kích thước tiểu phân giảm khi hàm lượng Pt giảm, giúp tăng hiệu quả sử dụng kim loại.

2. Hoạt tính oxy hóa điện hóa ethanol cao hơn rõ rệt ở xúc tác AuPt/rGO so với Pt/rGO: Mẫu Au2Pt5/rGO đạt mật độ dòng cực đại IF = 13195 mA mgPt-1, cao hơn 26% so với Pt5/rGO (10465 mA mgPt-1). Tỷ số IF/IB của Au2Pt5/rGO là 4,04, thể hiện khả năng chống ngộ độc tốt, dù thấp hơn Pt5/rGO (5,44) do lượng hợp chất trung gian sinh ra nhiều hơn khi hoạt tính tăng.

3. Ảnh hưởng hàm lượng kim loại đến hoạt tính xúc tác: Với xúc tác Pt/rGO, mật độ dòng IF giảm khi hàm lượng Pt tăng (từ 10465 mA mgPt-1 ở 5% Pt xuống 8248 mA mgPt-1 ở 20% Pt), cho thấy hiệu quả sử dụng Pt giảm khi hàm lượng cao. Ở xúc tác AuPt/rGO, hoạt tính cao nhất đạt được ở mẫu có 5% Pt và 2% Au.

4. Độ bền hoạt tính xúc tác được cải thiện nhờ sự có mặt của Au: Phép đo CA cho thấy xúc tác AuPt/rGO duy trì mật độ dòng cao hơn sau 4000 giây so với Pt/rGO, chứng tỏ Au giúp tăng khả năng chống ngộ độc và ổn định hoạt tính trong phản ứng oxy hóa ethanol và methanol.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy sự pha tạp Au vào xúc tác Pt/rGO không chỉ giúp kiểm soát kích thước tiểu phân nano mà còn tạo hiệu ứng hiệp trợ, nâng cao hoạt tính và độ bền xúc tác. Hiệu ứng này được giải thích bởi khả năng Au hấp phụ OH^- và hỗ trợ loại bỏ CO trung gian trên bề mặt Pt, làm giảm ngộ độc xúc tác và tăng diện tích bề mặt hoạt động điện hóa (ECSA).

So với các nghiên cứu trước đây, hàm lượng kim loại trong xúc tác AuPt/rGO được giảm xuống còn khoảng 7% tổng khối lượng (5% Pt, 2% Au), thấp hơn nhiều so với các công trình có hàm lượng từ 20% đến 75%, giúp giảm chi phí mà vẫn duy trì hiệu suất cao. Kết quả này phù hợp với xu hướng phát triển xúc tác Pt lưỡng kim hàm lượng thấp, hiệu quả cao.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh mật độ dòng cực đại IF và tỷ số IF/IB giữa các mẫu xúc tác, cũng như bảng tổng hợp kích thước tiểu phân nano và diện tích bề mặt hoạt động ECSA. Biểu đồ chronoamperometry minh họa độ bền hoạt tính theo thời gian cũng làm nổi bật ưu thế của xúc tác AuPt/rGO.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa tỷ lệ Pt và Au trong xúc tác: Tiếp tục nghiên cứu điều chỉnh hàm lượng Pt và Au để đạt hiệu suất xúc tác tối ưu, giảm chi phí nguyên liệu, trong vòng 12 tháng, do nhóm nghiên cứu tại phòng thí nghiệm trọng điểm Công nghệ lọc, hóa dầu thực hiện.

2. Phát triển quy trình tổng hợp xúc tác quy mô lớn: Áp dụng phương pháp hóa học ướt kết hợp siêu âm và đun hồi lưu để sản xuất xúc tác AuPt/rGO với kích thước tiểu phân đồng đều, đảm bảo tính tái lập và ổn định, trong 18 tháng, phối hợp với các đơn vị công nghiệp.

3. Nghiên cứu ứng dụng xúc tác trong pin nhiên liệu DAFC thực tế: Lắp đặt và thử nghiệm pin nhiên liệu ethanol trực tiếp sử dụng xúc tác AuPt/rGO để đánh giá hiệu suất và độ bền trong điều kiện vận hành thực tế, trong 24 tháng, phối hợp với các trung tâm nghiên cứu năng lượng sạch.

4. Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và điều kiện vận hành: Nghiên cứu tác động của pH, nhiệt độ, nồng độ ethanol và các tạp chất đến hoạt tính và độ bền xúc tác nhằm tối ưu hóa điều kiện vận hành pin nhiên liệu, trong 12 tháng, do nhóm nghiên cứu thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Hóa học và Kỹ thuật Hóa học: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và đặc trưng xúc tác nano Pt/Au trên graphene, phương pháp đánh giá hoạt tính điện hóa, phù hợp cho nghiên cứu phát triển vật liệu xúc tác mới.

2. Chuyên gia phát triển công nghệ pin nhiên liệu: Các kết quả về xúc tác PtAu/rGO có thể ứng dụng trong thiết kế và cải tiến pin nhiên liệu ancol trực tiếp, giúp nâng cao hiệu suất và độ bền sản phẩm.

3. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu xúc tác và pin nhiên liệu: Thông tin về quy trình tổng hợp xúc tác hiệu quả, chi phí thấp và khả năng ứng dụng thực tế hỗ trợ phát triển sản phẩm thương mại.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng sạch: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học cho việc thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng công nghệ pin nhiên liệu thân thiện môi trường, góp phần giảm phát thải khí nhà kính.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần pha tạp Au vào xúc tác Pt trên graphene?
   Pha tạp Au giúp cải thiện độ bền và khả năng chống ngộ độc CO của Pt nhờ hiệu ứng hiệp trợ, tăng hiệu suất xúc tác và giảm chi phí do giảm hàm lượng Pt cần thiết.

2. Kích thước tiểu phân nano ảnh hưởng thế nào đến hoạt tính xúc tác?
   Kích thước tiểu phân nhỏ hơn làm tăng diện tích bề mặt hoạt động điện hóa (ECSA), nâng cao hiệu quả sử dụng nguyên tử Pt, từ đó tăng hoạt tính xúc tác.

3. Phương pháp tổng hợp xúc tác AuPt/rGO được sử dụng là gì?
   Phương pháp hóa học ướt kết hợp siêu âm và đun hồi lưu, cho phép kiểm soát kích thước tiểu phân và phân bố đồng đều trên chất mang graphene oxit khử.

4. Làm thế nào đánh giá hoạt tính và độ bền của xúc tác?
   Sử dụng kỹ thuật quét thế tuần hoàn (CV) để đo mật độ dòng cực đại (IF) và tỷ số IF/IB, đồng thời đo chronoamperometry (CA) tại thế cố định để đánh giá độ bền hoạt tính theo thời gian.

5. Ứng dụng thực tế của xúc tác PtAu/rGO trong pin nhiên liệu là gì?
   Xúc tác được sử dụng làm chất xúc tác anốt trong pin nhiên liệu ethanol trực tiếp (DEFCs), giúp tăng hiệu suất chuyển hóa năng lượng và kéo dài tuổi thọ pin.

Kết luận

• Đã tổng hợp thành công xúc tác Pt/Graphene biến tính AuPt/rGO với kích thước tiểu phân trung bình khoảng 3 nm, phân bố đồng đều, giảm kết tụ.
• Xúc tác AuPt/rGO thể hiện hoạt tính oxy hóa điện hóa ethanol và methanol cao hơn so với xúc tác Pt/rGO không có Au, với mật độ dòng cực đại IF đạt 13195 mA mgPt-1.
• Sự có mặt của Au giúp tăng độ bền hoạt tính xúc tác, giảm ngộ độc CO và nâng cao hiệu quả sử dụng kim loại quý.
• Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển xúc tác Pt lưỡng kim hàm lượng thấp, chi phí thấp, hiệu suất cao cho pin nhiên liệu ancol trực tiếp.
• Đề xuất tiếp tục tối ưu hóa thành phần xúc tác, phát triển quy trình tổng hợp quy mô lớn và ứng dụng trong pin nhiên liệu thực tế.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác phát triển xúc tác và pin nhiên liệu ethanol trực tiếp, góp phần thúc đẩy năng lượng sạch và bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, nhu cầu năng lượng trên thế giới ngày càng tăng. Trước thách thức về trữ lượng nhiên liệu hóa thạch có hạn cùng với tình trạng ô nhiễm môi trường do khí thải độc hại từ quá trình tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch, việc tìm kiếm/sản xuất các nguồn năng lượng sạch, năng lượng tái tạo để từng bước thay thế nhiên liệu hóa thạch truyền thống luôn nhận được những mối quan tâm lớn. Nhờ vào những ưu điểm như hiệu quả tốt và thân thiện với môi trường, pin nhiên liệu ancol trực tiếp (DAFCs) luôn thu hút được sự chú ý rộng rãi trong nghiên cứu khoa học và trong công nghiệp. Là một nguồn năng lượng chủ chốt trong pin nhiên liệu, methanol hoặc ethanol sở hữu rất nhiều ưu điểm vượt trội như chuyển đổi năng lượng hiệu quả, mật độ năng lượng cao, lưu trữ và vận chuyển dễ dàng.

Trong số các pin nhiên liệu ancol, pin nhiên liệu ethanol trực tiếp (DEFCs) có ưu điểm nổi bật là sử dụng nhiên liệu tái tạo ethanol, ít độc hại và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, việc ứng dụng DEFCs vẫn gặp nhiều trở ngại do khả năng phản ứng cắt liên kết C-C trong ethanol thấp hơn methanol rất nhiều và đồng thời sự hình thành các hợp chất trung gian gây ngộ độc cho các tâm hoạt tính của chất xúc tác. Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của pin nhiên liệu DAFCs chính là vật liệu xúc tác cho phản ứng oxi hóa điện hóa methanol (Methanol Oxidation Reaction – MOR), hoặc ethanol (Ethanol Oxidation Reaction – EOR), diễn ra tại anốt. Trong các phản ứng điện hóa nói chung, các kim loại quý Pt, Pd, Ru thể hiện hiệu quả xúc tác vượt trội, trong đó Pt là xúc tác thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu nhất.

Tuy nhiên, ứng dụng thương mại của các chất xúc tác trên cơ sở các kim loại quý này bị cản trở bởi trữ lượng khan hiếm, giá thành cao và khả năng dễ bị ngộ độc của chúng bởi sự hấp phụ các sản phẩm trung gian của phản ứng. Để vượt qua thách thức này, một thiết kế hợp lý của các chất xúc tác, gồm pha hoạt tính phân tán trên chất mang, với hàm lượng kim loại thấp và hiệu quả sử dụng kim loại cao là cần thiết. Trong số các hợp kim Pt, cấu trúc nano Au-Pt đã được báo cáo là có hiệu ứng hiệp trở rất tốt trong các quá trình điện hóa nói chung. Au có ưu điểm như ổn định cho các kim loại chống lại sự ăn mòn oxy hóa nhờ sự chuyển điện tích và hiệu 1 ứng điện tử, giúp cải thiện hiệu suất và độ ổn định hoạt tính của chất xúc tác trong điều kiện khắc nghiệt.

Liên quan trực tiếp đến hướng nghiên cứu về chất xúc tác trên cơ sở Au-Pt cho pin nhiên liệu ancol, đã có một số công bố khoa học về kết quả nghiên cứu hoạt tính của chất xúc tác trên cơ sở hợp kim Au-Pt phân tán trên aerogel (vật liệu 3D) graphene oxit khử trong phản ứng oxy hóa điện hóa của methanol, ứng dụng trong pin nhiên liệu methanol trực tiếp (DMFCs), hay quá trình tổng hợp xúc tác trên cơ sở các hạt nano Au-Pt được phân tán trên rGO, bằng phương pháp khử hóa học trực tiếp, ứng dụng cho quá trình oxy hóa điện hóa methanol. Tuy nhiên, hàm lượng tổng của Pt và Au trong các chất xúc tác trên là rất cao, từ 20% - 75% khối lượng, làm cho hiệu quả sử dụng kim loại chưa cao. Mặt khác, hiệu suất cao của các chất xúc tác Pt-Au/ rGO chưa được báo cáo cho các ứng dụng oxy hóa điện hóa của ethanol. Xuất phát từ những nhận định trên, đề tài khoa học “Nghiên cứu điều chế và đặc trưng tính chất xúc tác Pt/Graphene biến tính, ứng dụng trong pin nhiên liệu”, đã được lựa chọn cho luận văn Thạc sĩ này.

Mục tiêu cụ thể của đề tài luận văn là nghiên cứu phát triển chất xúc tác trên cơ sở Pt/graphene, với hàm lượng Pt thấp, được biến tính bởi Au, nhằm nâng cao độ ổn định hoạt tính của chất xúc tác trong phản ứng oxy hóa điện hóa ancol nói chung và ethanol nói riêng, hướng tới ứng dụng trong pin nhiên liệu DAFCs. Với những đóng góp mới mang tính khoa học và thực tiễn, hy vọng rằng, kết quả của luận văn sẽ mở ra tiềm năng phát triển các vật liệu tiên tiến trên cơ sở Pt trên chất mang graphene, ứng dụng làm chất xúc tác điện hóa cho pin nhiên liệu ancol cũng như các phản ứng khác với hiệu quả cao, chi phí thấp. Pin nhiên liệu Pin nhiên liệu là thiết bị tạo ra điện năng thông qua phản ứng điện hóa [1]. Không giống như ắc quy, pin nhiên liệu có thể tạo ra dòng điện liên tục khi có một nguồn nhiên liệu cung cấp cho nó, trong khi đó, ắc quy cần phải được nạp điện lại (sạc) từ một nguồn bên ngoài, sau một thời gian sử dụng.

Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu được trình bày trong hình I. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của các loại pin nhiên liệu Pin nhiên liệu là một công nghệ năng lượng có nhiều ưu điểm trong thiết kế, triển khai và xây dựng. Bên cạnh đó nếu so sánh với một số công nghệ năng lượng khác thì hiệu suất của pin nhiên liệu là cao hơn hẳn. Ví dụ đối với các hệ thống phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch thì hiệu suất đạt khoảng 35%, trong khi đó các hệ thống phát điện sử dụng công nghệ pin nhiên liệu có thể đạt hiệu suất cao hơn, khoảng 47%, hoặc cao hơn nữa trong trường hợp kết hợp pin nhiên liệu với một tuabin hoạt động nhờ vào sản phẩm phụ của pin nhiên liệu là nhiệt và hơi nước.

Với tỷ lệ phát thải các chất gây ô nhiễm môi trường như nitrogen oxit (NOx), sunfua oxit (SOx), và đặc biệt là carbon dioxit (CO2) khá thấp, pin nhiên liệu thu hút sự quan tâm của các nhà hoạch định phát triển năng lượng của các quốc gia trên thế giới. Đây là một ưu điểm tuyệt đối của công nghệ pin nhiên liệu so với hệ thống phát điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch. 3 Độ khả dụng của công nghệ pin nhiên liệu cũng là một ưu điểm so với các hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo như gió hoặc năng lượng mặt trời. Các hệ thống này phụ thuộc rất nhiều vào cường độ gió và số ngày nắng trong năm.

Do đó với ưu điểm là sự chủ động về nguồn nhiên liệu đầu vào nên pin nhiên liệu khá phù hợp với nhu cầu về cung cấp điện năng cho các phụ tải qui mô trung bình như bệnh viện, khách sạn, trường học hoặc nhà máy v. Khả năng phát triển của các loại pin nhiên liệu thông dụng được trình bày chi tiết dưới đây. Pin nhiên liệu kiềm – AFC Pin AFC (Alkaline Fuel Cell) vận hành với khí hydro nén và oxy, sử dụng dung dịch kiềm KOH làm chất điện ly. Hiệu suất của pin đạt khoảng 70%, và hoạt động ở khoảng nhiệt độ từ 90oC đến 100oC.

Phản ứng trên anot: 2H2 + 4OH- → 4 H2O + 4e- Phản ứng trên catot: O2 + 2 H2O + 4e- → 4 OH- Công suất đầu ra của pin AFC khoảng từ 300 W đến 5 kW. Loại pin này có kích thước nhỏ, nhẹ, hiệu suất cao nên phần lớn loại pin nhiên liệu kiềm này thường được sử dụng trong các phương tiện xe cộ, giao thông. Pin nhiên liệu kiềm đã từng được NASA chọn sử dụng trong các chương trình không gian như đội tàu Con Thoi và các phi thuyền Apollo, chủ yếu nhờ hiệu suất cao của nó. Với ứng dụng này, pin AFC không chỉ cung cấp năng lượng dưới dạng điện năng mà còn cung cấp nước uống cho các phi hành gia.

Tuy nhiên, pin AFC đòi hỏi sử dụng nhiên liệu hydro tinh khiết và xúc tác điện cực platin (Pt). Vì thế pin AFC vẫn còn khá đắt đỏ để thương mại hóa cho các ứng dụng thông thường. Pin nhiên liệu muối cacbonat nóng chảy – MCFC MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) dùng các muối carbonat của Na và Mg ở nhiệt độ cao làm chất điện ly. Hiệu suất pin đạt từ 60 đến 80%, vận hành ở nhiệt độ khoảng 650ºC.

4 Phản ứng trên anot: CO32- + H2 → H2O + CO2 + 2e- Phản ứng trên catot: CO2 + 1/2 O2 + 2e- → CO32- MCFC sử dụng chất xúc tác điện cực Ni (nikel) nên rẻ hơn so với xúc tác điện cực Pt của AFC. Tuy nhiên, điều kiện làm việc ở nhiệt độ cao thường không an toàn và đòi hỏi chất lượng vật liệu tốt, mặt khác ion carbonat từ chất điện phân sẽ bị sử dụng hết trong phản ứng, đòi hỏi phải tiếp thêm khí carbonic bù vào. Do đó, loại pin này chưa được sử dụng rộng rãi mà chủ yếu ứng dụng cho các nhà máy, trạm phát điện lớn (ứng dụng tĩnh). Pin nhiên liệu axit phosphoric – PAFC Pin PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) sử dụng acid phosphoric làm chất điện ly.

Hiệu suất pin có thể đạt từ 40 đến 80%, nhiệt độ vận hành nằm trong khoảng 150ºC đến 200ºC. Các pin nhiên liệu PAFC có công suất đến 200 kW, và thậm chí 11 MW đã được thử nghiệm. PAFC có thể chịu được nồng độ CO khoảng 1,5%, do đó mở rộng khoảng chọn lựa loại nhiên liệu mà chúng có thể sử dụng. PAFC đòi hỏi điện cực Pt, và các bộ phận bên trong phải chịu được ăn mòn acid.

Được phát triển và kiểm tra thực nghiệm từ giữa thập kỉ 60 và 70 của thế kỉ 20 và là dạng pin nhiên liệu đầu tiên được thương mại hóa trên thị trường, đến nay PAFC đã có những cải tiến đáng kể về giá thành, tính ổn định và chất lượng hoạt động. Hệ thống PAFC thường được lắp đặt cho các tòa nhà, khách sạn, bệnh viện, các thiết bị điện (các ứng dụng tĩnh công suất tương đối lớn). Pin PAFC được ứng dụng phổ biến ở Nhật Bản, châu Âu và Hoa Kỳ. Pin nhiên liệu màng trao đổi proton – PEMFC Pin PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell hay Polyme Electrolyte Membrane Fuel Cell) hoạt động với một màng điện phân bằng plastic mỏng.

Hiệu suất pin từ 40 đến 50% và pin vận hành ở nhiệt độ 80ºC. Công suất dòng ra tương đối linh hoạt vì có thể chỉ điểu chỉnh ở 2 kW cho các ứng dụng nhỏ, di động và cả trong khoảng từ 50 đến 250 kW cho các ứng dụng tĩnh lớn hơn. Tuy nhiên, nhiên liệu cung cấp cho PEM đòi hỏi phải được tinh sạch (không lẫn nhiều tạp chất) và PEMFC cũng yêu cầu xúc tác Pt đắt tiền ở cả hai mặt màng điện phân dẫn đến giá thành còn khá cao.