Tổng quan luận án

Pin nhiên liệu nhiệt độ thấp, đặc biệt là pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) và pin nhiên liệu methanol trực tiếp (DMFC), thu hút sự quan tâm lớn trong nghiên cứu năng lượng nhờ hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, vận hành êm ái và mức độ phát thải gần như bằng không, mở ra tiềm năng thay thế các nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Trong cấu trúc pin nhiên liệu, các chất xúc tác điện hóa tại điện cực anode và cathode đóng vai trò quyết định đến hiệu năng tổng thể của toàn bộ hệ thống.

Hiện nay, hệ xúc tác hạt nano Platinum trên chất mang carbon (Pt/C) được sử dụng rộng rãi nhất. Tuy nhiên, hệ vật liệu này đối mặt với các giới hạn nghiêm trọng:

  • Hiện tượng ăn mòn chất mang carbon trong môi trường điện hóa có tính axit và thế oxy hóa cao ($\sim 1,23\text{ V}$ so với điện cực hydro tiêu chuẩn - SHE), đặc biệt trong các điều kiện chu kỳ khởi động và dừng của pin nhiên liệu.
  • Quá trình ăn mòn carbon dẫn đến sự phân rã liên kết, làm cho các hạt nano Pt bị thiêu kết, kết tụ hoặc bong tróc khỏi chất mang.
  • Hiện tượng hòa tan các hạt nano Pt vào chất điện phân theo các cân bằng nhiệt động ($\text{Pt} \rightarrow \text{Pt}^{2+} + 2\text{e}^-$, $\text{Pt} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{PtO} + 2\text{H}^+ + 2\text{e}^-$, $\text{PtO} + 2\text{H}^+ \rightarrow \text{Pt}^{2+} + \text{H}_2\text{O} + 2\text{e}^-$) và quá trình chín Ostwald (Ostwald ripening).
  • Động học phản ứng oxy hóa nhiên liệu tại cực dương (MOR) và phản ứng khử oxy tại cực âm (ORR) diễn ra chậm.
  • Hiện tượng ngộ độc CO tại các tâm hoạt tính của Platinum ngay cả ở nồng độ CO rất thấp ($< 5\text{ ppm}$), gây suy giảm mạnh diện tích bề mặt điện hóa (ECSA) và làm giảm độ bền hoạt động lâu dài.

Để giải quyết các vấn đề trên, việc nghiên cứu các vật liệu phi carbon có độ bền hóa học và điện hóa cao trong môi trường axit đã trở thành một hướng tiếp cận chính. Trong số các oxit kim loại, titan dioxit ($\text{TiO}_2$) được chú ý nhờ độ ổn định điện hóa cao, giá thành hợp lý, không độc hại và khả năng tạo tương tác mạnh kim loại - chất mang (SMSI) với hạt nano Pt. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất của $\text{TiO}_2$ nguyên chất là độ dẫn điện nội tại rất thấp ($\sim 10^{-6}\text{ S}\cdot\text{cm}^{-1}$). Các nghiên cứu trước đây về pha tạp kim loại chuyển tiếp vào $\text{TiO}_2$ thường sử dụng phương pháp sol-gel nhiều giai đoạn kết hợp xử lý nhiệt độ cao và dùng chất hoạt động bề mặt, dẫn đến hiện tượng kết tụ hạt và làm giảm diện tích bề mặt riêng. Đồng thời, vật liệu $\text{TiO}_2$ pha tạp Iridium ($\text{Ir-doped TiO}_2$) làm chất mang xúc tác cho pin nhiên liệu chưa từng được khảo sát trước đó.

Từ khoảng trống nghiên cứu trên, luận án xác định các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể:

  1. Nghiên cứu tổng hợp vật liệu $\text{TiO}_2$ pha tạp kim loại chuyển tiếp $\text{M-doped TiO}_2$ ($\text{M} = \text{W, Ir}$) với cấu trúc nano có độ dẫn điện cao và diện tích bề mặt riêng lớn thông qua phương pháp một bình (one-pot) thủy nhiệt hoặc polyol hỗ trợ vi sóng, không sử dụng chất hoạt động bề mặt hay xử lý nhiệt độ cao sau tổng hợp.
  2. Chế tạo xúc tác nano Pt tải trên các chất mang $\text{M-doped TiO}_2$ đã tổng hợp (với hàm lượng tải cố định $20\text{ wt.}% \text{ Pt}$) bằng phương pháp khử hóa học cải tiến hoặc polyol hỗ trợ vi sóng nhằm tạo độ phân tán đồng đều của hạt nano Pt kích thước khoảng $3\text{ nm}$.
  3. Phân tích đặc trưng cấu trúc pha, hình thái học, thành phần hóa học và trạng thái liên kết điện tử của vật liệu; đánh giá hoạt tính điện hóa và độ bền xúc tác đối với phản ứng oxy hóa methanol (MOR) và phản ứng khử oxy (ORR) trong môi trường acid so sánh với xúc tác thương mại $20\text{ wt.}% \text{ Pt/C}$ (E-TEK).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các vật liệu chất mang $\text{TiO}_2$ pha tạp Wolfram ($\text{W-doped TiO}_2$, ký hiệu WTO) và $\text{TiO}_2$ pha tạp Iridium ($\text{Ir-doped TiO}_2$, ký hiệu TIO) ở các hình thái thanh nano (nanorods) và hạt nano (nanoparticles); hệ xúc tác điện hóa $20\text{ wt.}% \text{ Pt/M-doped TiO}_2$.
  • Phạm vi nghiên cứu: Đề tài thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học (mã số 62520301), thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh cùng các phòng thí nghiệm phối hợp (MANAR, HCMUNRE, HCMUS); phạm vi ứng dụng tập trung vào các phản ứng điện cực trong pin nhiên liệu nhiệt độ thấp (PEMFC và DMFC).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Khái niệm về pin nhiên liệu được khởi xướng từ thế kỷ XIX qua các nghiên cứu của Humphry Davy và Christian Friedrich Schönbein, trước khi William Grove (1839) thực hiện chuỗi thí nghiệm chứng minh nguyên lý tạo ra dòng điện từ phản ứng điện hóa giữa hydro và oxy trên xúc tác Platinum (được ông gọi là pin volta thể khí). Dựa trên chất điện phân và nhiệt độ vận hành, các hệ thống pin nhiên liệu được phân loại thành nhiều dạng chính:

Loại pin nhiên liệu Chất điện phân Nhiệt độ vận hành Chất mang điện tích Xúc tác chính Ứng dụng tiêu biểu
PEMFC Màng polymer trao đổi ion $80^\circ\text{C}$ ($50-100^\circ\text{C}$) $\text{H}^+$ Platinum Thiết bị di động, xe cơ giới, APU
DMFC Màng polymer trao đổi ion $60-130^\circ\text{C}$ $\text{H}^+$ Pt, Pt-Ru Thiết bị cầm tay, phương tiện nhỏ
AFC Dung dịch KOH cố định/lỏng $65-220^\circ\text{C}$ $\text{OH}^-$ Platinum Hàng không vũ trụ
PAFC Axit Phosphoric lỏng $205^\circ\text{C}$ $\text{H}^+$ Platinum Trạm phát điện phân tán
MCFC Muối Carbonate nóng chảy $650^\circ\text{C}$ $\text{CO}_3^{2-}$ Nickel Trạm phát điện công suất lớn
ITSOFC / TSOFC Gốm oxit rắn $600-1000^\circ\text{C}$ $\text{O}^{2-}$ Perovskites Trạm phát điện quy mô lưới

Về cơ chế suy thoái của xúc tác truyền thống, nhóm tác giả Meier (2014) đã chứng minh bằng hình ảnh hiển vi điện tử truyền qua (TEM) rằng sau 3600 chu kỳ đo, chất mang carbon bị oxy hóa dẫn đến hiện tượng bong tróc và kết tụ hạt nano Pt. Sự hòa tan ion $\text{Pt}^{2+}$ cùng quá trình Ostwald ripening làm suy giảm nghiêm trọng diện tích bề mặt điện hóa. Các cấu trúc carbon mới như ống nano carbon (CNT), graphene hay carbon 3D dù có cải thiện về độ bền nhưng bản chất vẫn là carbon nên vẫn bị ăn mòn ở điện thế cao khi vận hành dài hạn.

Để thay thế chất mang carbon, nhiều hệ vật liệu phi carbon đã được nghiên cứu:

  • Pha Magnéli ($\text{Ti}n\text{O}{2n-1}$): Ioroi và cộng sự, Son Truong Nguyen và cộng sự, Krishnam và cộng sự, Geng và cộng sự đã chứng minh độ bền vượt trội của $\text{Ti}_4\text{O}_7$ và $\text{Ti}n\text{O}{2n-1}$ trong môi trường kiềm và axit so với carbon black, tuy nhiên vật liệu này có diện tích bề mặt riêng thấp.
  • Oxit Wolfram ($\text{WO}_3$): Chhina và cộng sự, Rajesh và cộng sự, Cui và cộng sự, Micoud và cộng sự, Ganesan và Lee, Barczuk và cộng sự đã ghi nhận khả năng tăng tính kháng ngộ độc CO cho Pt và hỗ trợ phản ứng MOR/ORR, nhưng $\text{WO}_3$ vẫn bị hòa tan một phần trong môi trường axit. Nghiên cứu pha tạp Ti vào $\text{WO}_3$ của Raghuveer và Viswanathan giúp cải thiện độ bền nhưng lại làm giảm độ dẫn điện.
  • Oxit Iridium ($\text{IrO}_2$): Các nghiên cứu của Kong và cộng sự về $\text{Pt/Ir}_x(\text{IrO}2){10-x}$ cho thấy sự cải thiện độ dẫn và hoạt tính ORR nhờ tương tác giữa hạt Ir và $\text{IrO}_2$, tuy nhiên giá thành cao và độ bền ngắn hạn là trở ngại.
  • Titan dioxit ($\text{TiO}_2$): Xu và cộng sự đã khảo sát cơ chế chuyển pha từ tiền chất ống nano H-titanate thành hạt anatase hình thoi ở $\text{pH} \ge 1$ hoặc thanh nano rutile ở $\text{pH} \le 0$ qua phương pháp thủy nhiệt. Armstrong và cộng sự chế tạo anatase-$\text{TiO}_2$ qua phương pháp sol-gel đạt diện tích bề mặt $200\text{ m}^2/\text{g}$. Huang và cộng sự so sánh độ bền của $\text{Pt/TiO}_2$ và $\text{Pt/C}$ ở thế $1,2\text{ V}$ qua 80 giờ: kích thước hạt nano Pt trên carbon tăng từ $2,5\text{ nm}$ lên $11,5\text{ nm}$ (tăng gần 4 lần), ECSA giảm từ $53,1\text{ m}^2/\text{g}$ xuống $3,8\text{ m}^2/\text{g}$; trong khi đó trên $\text{TiO}_2$, kích thước hạt Pt chỉ tăng nhẹ từ $6,2\text{ nm}$ lên $7,8\text{ nm}$ và ECSA duy trì từ $13,8\text{ m}^2/\text{g}$ còn $11,0\text{ m}^2/\text{g}$. Chun-Jern Pan và cộng sự chứng minh hiệu ứng SMSI giúp dịch chuyển điện tử từ $\text{TiO}_2$ sang Pt, làm suy yếu liên kết của CO trên bề mặt Pt.
  • Pha tạp kim loại chuyển tiếp vào $\text{TiO}_2$: Park và cộng sự, Son Truong Nguyen và cộng sự nghiên cứu $\text{Nb-doped TiO}2$; Hass và cộng sự, Wang và cộng sự nghiên cứu $\text{Ru-doped TiO}2$; Van Thi Thanh Ho và cộng sự nghiên cứu $\text{Ti}{0.7}\text{Ru}{0.3}\text{O}_2$ phát hiện cơ chế chuyển dịch điện tử; Abha Bharti và cộng sự nghiên cứu $\text{V-doped TiO}2$; Sangkhun và cộng sự, Tian và cộng sự, Oseghe và cộng sự, Xiao và cộng sự nghiên cứu $\text{W-doped TiO}2$ cho quang xúc tác và pin mặt trời; Deli Wang và cộng sự, Subban và cộng sự nghiên cứu $\text{Ti}{0.7}\text{W}{0.3}\text{O}_2$ cho pin nhiên liệu nhưng phải dùng quy trình sol-gel phức tạp và xử lý nhiệt; Victor M. Menensez và cộng sự nghiên cứu $\text{Ir-doped brookite TiO}_2$ cho quang xúc tác phân hủy khí độc.
  • Tại Việt Nam: Nghiên cứu pin DMFC tập trung vào chế tạo màng thẩm thấu carbon dẫn điện của nhóm TS. Tuấn (Viện Vật lý); chế tạo hợp kim nano Pt-M ($\text{M} = \text{Co, Fe}$) của Nguyễn Mậu Cử và cộng sự. Chưa có công trình trong nước nào công bố về vật liệu chất mang $\text{M-doped TiO}_2$ ($\text{M} = \text{W, Ir}$) cho pin nhiên liệu.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn là: Thiết lập quy trình tổng hợp một bình không cần chất phân tán và không xử lý nhiệt độ cao để tạo ra các chất mang $\text{W-doped TiO}_2$ và $\text{Ir-doped TiO}_2$ có diện tích bề mặt lớn, độ dẫn điện cao, đồng thời lần đầu tiên khảo sát chi tiết $\text{Ir-doped TiO}_2$ làm chất mang cho hạt nano Pt trong cả phản ứng MOR và ORR.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Hoạt động của pin nhiên liệu dựa trên các phản ứng điện hóa dị thể tại bề mặt phân chia pha giữa chất xúc tác, chất điện phân và chất phản ứng:

  • Trong PEMFC:
    • Cực Anode (HOR): $\text{H}_2 \rightarrow 2\text{H}^+ + 2\text{e}^-$ ($E^\circ = 0\text{ V}$)
    • Cực Cathode (ORR): $\text{O}_2 + 4\text{H}^+ + 4\text{e}^- \rightarrow 2\text{H}_2\text{O}$ ($E^\circ = 1,229\text{ V}$)
    • Phản ứng tổng quát: $\text{H}_2 + \frac{1}{2}\text{O}_2 \rightarrow \text{H}_2\text{O}$
  • Trong DMFC:
    • Cực Anode (MOR): $\text{CH}_3\text{OH} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO}_2 + 6\text{H}^+ + 6\text{e}^-$
    • Quá trình MOR diễn ra qua chuỗi hấp phụ và phân tách giải phóng proton: $\text{Pt} + \text{CH}3\text{OH} \rightarrow \text{Pt-(CH}3\text{OH)}{\text{ads}} \rightarrow \dots \rightarrow \text{Pt-(CO)}{\text{ads}} + 4\text{H}^+ + 4\text{e}^-$. Phân tử nước hấp phụ trên tâm kim loại $\text{M}$ tạo nhóm chứa oxy: $\text{M} + \text{H}2\text{O} \rightarrow \text{M-(H}2\text{O)}{\text{ads}} \rightarrow \text{M-(OH)}{\text{ads}} + \text{H}^+ + \text{e}^-$. Giai đoạn loại bỏ CO diễn ra theo cơ chế lưỡng chức năng: $\text{Pt-(CO)}_{\text{ads}} + \text{M-(H}2\text{O)}{\text{ads}} \rightarrow \text{Pt} + \text{M} + \text{CO}_2 + 2\text{H}^+ + 2\text{e}^-$.
    • Cực Cathode (ORR): $\frac{3}{2}\text{O}_2 + 6\text{H}^+ + 6\text{e}^- \rightarrow 3\text{H}_2\text{O}$
    • Phản ứng tổng quát DMFC: $\text{CH}_3\text{OH} + \frac{3}{2}\text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + 2\text{H}_2\text{O}$

Luận án vận dụng lý thuyết tương tác mạnh kim loại - chất mang (SMSI) và cơ chế chuyển dịch điện tử (electronic transfer mechanism): việc đưa các cation kim loại chuyển tiếp ($\text{W}^{6+}/\text{W}^{5+}$, $\text{Ir}^{4+}/\text{Ir}^{3+}$) vào mạng lưới tinh thể $\text{TiO}2$ làm biến dạng mạng tinh thể, tạo ra các khuyết tật mạng và giải phóng điện tử tự do vào dải dẫn, làm tăng mạnh độ dẫn điện tử của chất mang. Đồng thời, sự dịch chuyển mật độ điện tử từ chất mang sang các hạt nano Pt làm thay đổi cấu trúc vùng d-band của Pt, làm yếu liên kết hấp phụ giữa Pt và các hợp chất trung gian dạng carbon monoxide ($\text{CO}{\text{ads}}$), từ đó giải phóng tâm hoạt tính và nâng cao hoạt tính cũng như độ bền xúc tác.

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích

Luận án áp dụng kết hợp các phương pháp tổng hợp hóa học và kỹ thuật phân tích hóa lý, điện hóa hiện đại:

  • Phương pháp tổng hợp chất mang:
    • Phương pháp một bình thủy nhiệt (one-pot hydrothermal) trong bình phản ứng lót Teflon (nhiệt độ $170-220^\circ\text{C}$, thời gian $2-12$ giờ, điều chỉnh $\text{pH}$ từ $0$ đến $2$) để điều khiển hình thái thanh nano hoặc hạt nano.
    • Phương pháp polyol hỗ trợ vi sóng (microwave-assisted polyol route) với dung môi đa chức (ethylene glycol) để tổng hợp nhanh chất mang có cấu trúc xốp trung bình (mesoporous).
  • Phương pháp gắn hạt nano Pt:
    • Phương pháp polyol vi sóng và phương pháp khử hóa học cải tiến sử dụng chất khử natri borohydride ($\text{NaBH}_4$) trong môi trường kiềm nhằm khử tiền chất muối Pt thành các hạt nano kim loại có kích thước kiểm soát đồng đều ($\sim 3\text{ nm}$) phân tán bám chắc trên bề mặt chất mang oxide.
  • Kỹ thuật phân tích đặc trưng cấu trúc và hình thái:
    • Nhiễu xạ tia X (XRD): Xác định thành phần pha tinh thể, độ kết tinh và thông số mạng.
    • Quang phổ quang điện tử tia X (XPS): Xác định trạng thái hóa trị, mức năng lượng liên kết của các nguyên tố ($\text{Ti } 2p, \text{Pt } 4f, \text{W } 4f, \text{Ir } 4f, \text{O } 1s$) và kiểm chứng sự dịch chuyển điện tử.
    • Kính hiển vi điện tử quét kết hợp phổ tán sắc năng lượng tia X (SEM-EDX), huỳnh quang tia X (XRF) và bản đồ nguyên tố (elemental mapping): Khảo sát hình thái bề mặt, thành phần và độ phân bố không gian của các nguyên tố.
    • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và truyền qua phân giải cao (HR-TEM): Xác định kích thước hạt nano Pt, khoảng cách mặt mạng tinh thể và độ phân tán trên chất mang.
    • Phương pháp đo đẳng nhiệt hấp phụ/khử hấp phụ Nitơ (BET và BJH): Đo diện tích bề mặt riêng và phân bố kích thước lỗ xốp.
    • Đo độ dẫn điện: Sử dụng phương pháp bốn mũi dò trên các mẫu bột được ép viên.
  • Phương pháp đo đạc điện hóa:
    • Sử dụng hệ điện hóa ba điện cực: điện cực làm việc đĩa quay glassy carbon (RDE), điện cực đối (CE) và điện cực so sánh (RE/NHE).
    • Quét thế vòng tuần hoàn (CV) trong dung dịch $0,5\text{ M }\text{H}_2\text{SO}_4$ sục khí $\text{N}_2$ ở các tốc độ quét $25-50\text{ mV}\cdot\text{s}^{-1}$ để tính toán diện tích bề mặt điện hóa (ECSA) dựa trên vùng giải hấp phụ hydro ($Q_H$).
    • Đo hoạt tính oxy hóa methanol (MOR) trong dung dịch $10\text{ v/v }% \text{ CH}_3\text{OH} / 0,5\text{ M }\text{H}_2\text{SO}_4$, xác định mật độ dòng đỉnh thuận ($I_f$), mật độ dòng đỉnh nghịch ($I_b$), tỷ số $I_f/I_b$ và thế bắt đầu oxy hóa (onset potential).
    • Đo hoạt tính khử oxy (ORR) trong dung dịch $0,5\text{ M }\text{H}_2\text{SO}_4$ bão hòa $\text{O}_2$ trên điện cực đĩa quay với tốc độ quét $1\text{ mV}\cdot\text{s}^{-1}$.
    • Phép đo dòng - thời gian (Chronoamperometry - CA) tại thế oxy hóa cố định để đánh giá độ bền dòng và độ ổn định lâu dài.
    • Thử nghiệm chu kỳ thế lặp lại (CV cycling test từ 2000 đến 5000 chu kỳ) để đánh giá độ suy giảm hoạt tính và sự biến đổi hình thái hạt xúc tác trước và sau thử nghiệm độ bền.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan và giới thiệu tài liệu (Introduction and Literature Review)

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết và tình hình nghiên cứu về các hệ thống pin nhiên liệu nhiệt độ thấp, tập trung vào cấu tạo, nguyên lý vận hành, nhiệt động học phản ứng của PEMFC và DMFC. Luận án phân tích chi tiết các nguyên nhân gây suy giảm hiệu năng của xúc tác điện hóa $\text{Pt/C}$ truyền thống gồm: sự ăn mòn điện hóa của chất mang carbon ở điện thế cao, sự hòa tan và kết tụ của các hạt nano Pt, cùng hiện tượng ngộ độc tâm hoạt tính do các hợp chất trung gian chứa carbon.

Chương này điểm luận các nhóm vật liệu phi carbon thay thế, bao gồm oxit titan pha Magnéli ($\text{Ti}n\text{O}{2n-1}$), oxit wolfram ($\text{WO}_3$), oxit iridium ($\text{IrO}_2$) và titan dioxit ($\text{TiO}_2$). Luận điểm trọng tâm được tác giả đưa ra là chiến lược pha tạp các kim loại chuyển tiếp (chẳng hạn như Nb, Ru, V, W, Ir) vào mạng tinh thể $\text{TiO}_2$ nhằm khắc phục nhược điểm độ dẫn điện kém, đồng thời khai thác hiệu ứng tương tác mạnh kim loại - chất mang (SMSI) và cơ chế chuyển dịch điện tử. Chương 1 cũng so sánh ưu - nhược điểm của các phương pháp tổng hợp chất mang (sol-gel, thủy nhiệt, solvothermal, kết tủa) và các phương pháp lắng đọng nano Pt (polyol, khử hóa học).

Chương 2: Vật liệu và phương pháp thực nghiệm (Materials and Experiment)

Chương 2 trình bày chi tiết danh mục hóa chất, tiền chất và các quy trình thực nghiệm tổng hợp mẫu:

  • Quy trình tổng hợp chất mang $\text{W-doped TiO}_2$ và $\text{Ir-doped TiO}_2$ bằng phương pháp thủy nhiệt và polyol hỗ trợ vi sóng.
  • Quy trình lắng đọng $20\text{ wt.}% \text{ Pt}$ lên bề mặt các chất mang đã chế tạo thông qua phản ứng khử ion Pt.
  • Thông số vận hành của các thiết bị phân tích vật lý và hóa học: nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ quang điện tử tia X (XPS), kính hiển vi điện tử quét kết hợp phổ tán sắc năng lượng tia X (SEM-EDX), kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HR-TEM), phân tích diện tích bề mặt BET, và phép đo độ dẫn điện bốn tiếp điểm.
  • Quy trình chuẩn bị mực xúc tác phủ lên điện cực làm việc, cấu hình bình điện hóa ba điện cực, các thông số đo quét thế vòng tuần hoàn (CV), đo đường phân cực phản ứng ORR trên điện cực đĩa quay (RDE), đo phản ứng MOR, phép đo dòng - thời gian chronoamperometry và thử nghiệm độ bền chu kỳ quét thế.

Chương 3: Cấu trúc nano Ti0.3O2 có độ dẫn điện và diện tích bề mặt cao làm chất mang cho hạt nano Pt nâng cao phản ứng oxy hóa methanol trong DMFC (High Conductivity and Surface Area of Ti0.3O2 Nanostructure Support for Pt Nanoparticles Toward Enhanced Methanol Oxidation in DMFC)

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm chế tạo và tối ưu hóa chất mang $\text{Ti}{0.7}\text{W}{0.3}\text{O}2$ (ký hiệu $\text{Ti}{0.3}\text{O}2$ / WTO) và xúc tác $20\text{ wt.}% \text{ Pt/Ti}{0.3}\text{O}_2$:

  • Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng ($180^\circ\text{C}, 200^\circ\text{C}, 220^\circ\text{C}$) và thời gian phản ứng ($2, 4, 6, 8, 10$ giờ) đến cấu trúc pha tinh thể và hình thái học của vật liệu. Mẫu tối ưu được xác định ở điều kiện $200^\circ\text{C}$ trong $10$ giờ (mẫu WTO_200_10).
  • Kết quả phân tích XRD và XPS xác nhận sự kết hợp thành công của ion W vào mạng lưới tinh thể $\text{TiO}_2$, thể hiện qua sự dịch chuyển góc nhiễu xạ và các mức năng lượng liên kết đặc trưng của $\text{Ti } 2p$ và $\text{W } 4f$.
  • Chất mang $\text{Ti}_{0.3}\text{O}_2$ có cấu trúc xốp trung bình (mesoporous), diện tích bề mặt riêng BET đạt giá trị $201\text{ m}^2\cdot\text{g}^{-1}$ và độ dẫn điện tử đạt khoảng $2\text{ S}\cdot\text{cm}^{-1}$, cao hơn nhiều so với $\text{TiO}_2$ không pha tạp.
  • Hạt nano Pt hình cầu kích thước đồng đều khoảng $3\text{ nm}$ được neo giữ phân tán đều trên bề mặt chất mang thông qua quy trình polyol hỗ trợ vi sóng.
  • Kết quả đo điện hóa ghi nhận: Diện tích bề mặt điện hóa (ECSA) của xúc tác $20\text{ wt.}% \text{ Pt/Ti}_{0.3}\text{O}_2$ đạt $\sim 90\text{ m}^2\cdot\text{g}^{-1}\text{Pt}$, vượt trội so với mẫu xúc tác thương mại $20\text{ wt.}% \text{ Pt/C}$.
  • Đối với phản ứng oxy hóa methanol (MOR), tỷ số dòng đỉnh thuận trên dòng đỉnh nghịch ($I_f/I_b$) của xúc tác $20\text{ wt.}% \text{ Pt/Ti}_{0.3}\text{O}_2$ cao gấp khoảng $2,5$ lần so với mẫu $\text{Pt/C}$ thương mại. Kết quả đo dòng - thời gian chronoamperometry và thử nghiệm lặp lại 2000 chu kỳ CV khẳng định độ bền cao hơn và khả năng kháng ngộ độc CO vượt trội của xúc tác nhờ hiệu ứng SMSI làm yếu liên kết hấp phụ của các chất trung gian chứa carbon trên tâm hoạt tính Pt.

Chương 4: Cấu trúc nano TiO2 pha tạp Ir mới làm chất mang cho Platinum: Nâng cao hoạt tính xúc tác và độ bền cho pin nhiên liệu (New Ir Doped TiO2 Nanostructure Support for Platinum: Enhancing Catalytic Activity and Durability for Fuel Cells)

Chương 4 khảo sát hệ thống vật liệu $\text{TiO}_2$ pha tạp Iridium với các hình thái và nồng độ pha tạp khác nhau:

  • Khảo sát các thông số tổng hợp thủy nhiệt: nhiệt độ phản ứng ($170^\circ\text{C}, 190^\circ\text{C}, 210^\circ\text{C}$), thời gian phản ứng ($6, 8, 10, 12$ giờ) và giá trị $\text{pH}$ ($0, 1, 2$) tác động đến sự chuyển hóa pha và hình thái của $\text{Ir-doped TiO}_2$.
  • Dạng thanh nano $\text{Ti}{0.7}\text{Ir}{0.3}\text{O}2$ ($\text{Ti}{0.3}\text{O}2$ NRs): Được tổng hợp ở điều kiện $210^\circ\text{C}$ và $\text{pH} = 0$. Vật liệu có độ dẫn điện cao, xúc tác $20\text{ wt.}% \text{ Pt/Ti}{0.3}\text{O}_2$ NRs có ECSA đạt $\sim 96\text{ m}^2\cdot\text{g}^{-1}\text{Pt}$. Sau 2000 chu kỳ quét thế trong dung dịch $0,5\text{ M }\text{H}_2\text{SO}_4$, ảnh TEM cho thấy hạt nano Pt duy trì độ phân tán tốt, không bị kết tụ mạnh như ở mẫu $\text{Pt/C}$ thương mại.
  • Dạng hạt nano $\text{Ti}{0.7}\text{Ir}{0.3}\text{O}2$ ($\text{Ti}{0.3}\text{O}_2$ NPs): Thể hiện hoạt tính cao đối với cả phản ứng MOR và ORR. Trong phản ứng MOR, xúc tác có mật độ dòng oxy hóa tăng gấp $0,5$ lần và tỷ số $I_f/I_b$ cao hơn $\sim 1,87$ lần so với $\text{Pt/C}$ (E-TEK). Trong phản ứng ORR, thế bắt đầu (onset potential) dịch chuyển dương khoảng $90\text{ mV}$ và duy trì độ ổn định sau 5000 chu kỳ quét thế. Phổ XPS xác nhận cơ chế chuyển dịch điện tử từ chất mang sang Pt.
  • Dạng hạt nano $\text{Ti}{0.9}\text{Ir}{0.1}\text{O}2$ ($\text{Ti}{0.1}\text{O}_2$ NPs): Với hàm lượng pha tạp Ir thấp, chất mang vẫn đạt độ dẫn điện tử $1\text{ S}\cdot\text{cm}^{-1}$, cao gấp $\sim 10^5$ lần so với $\text{TiO}2$ nguyên chất ($\sim 10^{-6}\text{ S}\cdot\text{cm}^{-1}$). Xúc tác $20\text{ wt.}% \text{ Pt/Ti}{0.1}\text{O}_2$ chế tạo bằng phương pháp khử hóa học cải tiến cho kích thước hạt Pt đồng đều khoảng $3\text{ nm}$, diện tích ECSA đạt $\sim 85\text{ m}^2\cdot\text{g}^{-1}\text{Pt}$. Trong phản ứng MOR, xúc tác đạt mật độ dòng oxy hóa cao ($\sim 28,8\text{ mA}\cdot\text{cm}^{-2}$), thế bắt đầu thấp ($\sim 0,12\text{ V}$), tỷ số $I_f/I_b$ cao và đường đo chronoamperometry chứng minh độ suy giảm dòng thấp hơn nhiều so với mẫu $\text{Pt/C}$ thương mại.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn

  1. Về phương pháp tổng hợp vật liệu: Luận án phát triển thành công quy trình một bình (one-pot) thủy nhiệt và phương pháp polyol hỗ trợ vi sóng để chế tạo các chất mang nano $\text{TiO}_2$ pha tạp kim loại chuyển tiếp ($\text{W, Ir}$) có độ dẫn điện tử cao và diện tích bề mặt riêng lớn mà không cần sử dụng chất hoạt động bề mặt hay công đoạn xử lý nhiệt độ cao sau phản ứng.
  2. Về làm sáng tỏ cơ chế nâng cao hoạt tính: Luận án chứng minh sự thâm nhập của ion kim loại pha tạp vào mạng lưới tinh thể $\text{TiO}_2$, làm tăng độ dẫn điện tử lên đến $10^5$ lần so với $\text{TiO}_2$ nguyên chất. Luận án làm sáng tỏ thực nghiệm về cơ chế chuyển dịch điện tử và hiệu ứng tương tác mạnh kim loại - chất mang (SMSI) giữa chất mang $\text{M-doped TiO}_2$ và hạt nano Pt, giải thích nguyên nhân làm giảm năng lượng hấp phụ của các chất trung gian dạng CO, nâng cao khả năng kháng ngộ độc và độ ổn định điện hóa.
  3. Về hiệu năng xúc tác điện hóa: Các hệ xúc tác nano chế tạo được ($20\text{ wt.}% \text{ Pt/Ti}_{0.3}\text{O}2$, $20\text{ wt.}% \text{ Pt/Ti}{0.3}\text{O}2\text{ NRs}$, $20\text{ wt.}% \text{ Pt/Ti}{0.3}\text{O}2\text{ NPs}$, và $20\text{ wt.}% \text{ Pt/Ti}{0.1}\text{O}_2$) đều thể hiện diện tích bề mặt điện hóa (ECSA), hoạt tính oxy hóa methanol (MOR), hoạt tính khử oxy (ORR) và độ bền chu kỳ vượt trội so với mẫu xúc tác thương mại $20\text{ wt.}% \text{ Pt/C}$ (E-TEK).

Bảng tổng hợp các thông số đặc trưng của các hệ xúc tác tiêu biểu trong luận án

Hệ xúc tác / Chất mang Phương pháp tổng hợp Kích thước hạt Pt ($d_{\text{Pt}}$) Độ dẫn điện chất mang Diện tích bề mặt riêng / ECSA Đặc trưng MOR / ORR tiêu biểu
$\text{Ti}{0.7}\text{W}{0.3}\text{O}_2$ (WTO_200_10) Polyol vi sóng / Thủy nhiệt ($200^\circ\text{C}$, 10h) - $\sim 2\text{ S}\cdot\text{cm}^{-1}$ $\text{S}_{\text{BET}} = 201\text{ m}^2\cdot\text{g}^{-1}$ Cấu trúc mesoporous, dẫn điện cao
$20\text{ wt.}% \text{ Pt/Ti}{0.7}\text{W}{0.3}\text{O}_2$ Polyol hỗ trợ vi sóng $\sim 3\text{ nm}$ - $\text{ECSA} \sim 90\text{ m}^2\cdot\text{g}^{-1}\text{Pt}$ Tỷ số $I_f/I_b$ cao gấp 2,5 lần so với Pt/C; độ bền CA cao
$20\text{ wt.}% \text{ Pt/Ti}{0.7}\text{Ir}{0.3}\text{O}_2\text{ NRs}$ Thủy nhiệt ($210^\circ\text{C}$, $\text{pH}=0$) $\sim 3\text{ nm}$ Cao $\text{ECSA} \sim 96\text{ m}^2\cdot\text{g}^{-1}\text{Pt}$ Bền vững sau 2000 chu kỳ CV, hạt ít bị kết tụ
$20\text{ wt.}% \text{ Pt/Ti}{0.7}\text{Ir}{0.3}\text{O}_2\text{ NPs}$ Thủy nhiệt ($210^\circ\text{C}$, $\text{pH}=1-2$) $\sim 3\text{ nm}$ Cao Cao $I_{\text{ox}}$ tăng $0,5$ lần, $I_f/I_b$ tăng $1,87$ lần; thế ORR dịch dương $90\text{ mV}$, bền qua 5000 chu kỳ
$\text{Ti}{0.9}\text{Ir}{0.1}\text{O}_2$ Thủy nhiệt điều chỉnh - $\sim 1\text{ S}\cdot\text{cm}^{-1}$ ($\approx 10^5 \times \text{TiO}_2$) - Pha tạp hiệu quả với hàm lượng Ir thấp
$20\text{ wt.}% \text{ Pt/Ti}{0.9}\text{Ir}{0.1}\text{O}_2$ Khử hóa học cải tiến ($\text{NaBH}_4$) $\sim 3\text{ nm}$ - $\text{ECSA} \sim 85\text{ m}^2\cdot\text{g}^{-1}\text{Pt}$ $I_{\text{ox}} \sim 28,8\text{ mA}\cdot\text{cm}^{-2}$, thế bắt đầu $\sim 0,12\text{ V}$, độ bền CA cao
$20\text{ wt.}% \text{ Pt/C}$ (E-TEK đối chứng) Thương mại $2,5-3\text{ nm}$ Dẫn điện tốt Thấp hơn sau thử nghiệm độ bền Bị ăn mòn carbon, ECSA suy giảm mạnh, ngộ độc CO

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng quy trình tổng hợp một bình thủy nhiệt và vi sóng polyol để mở rộng nghiên cứu chế tạo các hệ vật liệu oxit kim loại pha tạp khác nhằm thay thế hoàn toàn chất mang carbon trong các thiết bị điện hóa.
  • Tích hợp các hệ xúc tác $20\text{ wt.}% \text{ Pt/M-doped TiO}_2$ vào chế tạo cụm màng điện cực (MEA) thực tế cho pin nhiên liệu PEMFC và DMFC.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Các khảo sát điện hóa trong luận án chủ yếu được thực hiện trên hệ ba điện cực trong môi trường dung dịch axit lỏng giả lập ($0,5\text{ M }\text{H}_2\text{SO}_4$), chưa phản ánh đầy đủ toàn bộ các yếu tố truyền khối, quản lý nước và phân phối khí phức tạp trong một ngăn đơn pin nhiên liệu (single cell) hoặc ngăn xếp pin nhiên liệu (fuel cell stack) thực tế.
  • Hàm lượng nạp Platinum được cố định ở mức $20\text{ wt.}%$; các tỷ lệ nạp kim loại quý khác nhau chưa được khảo sát đồng loạt để tối ưu hóa chi phí vật liệu.
  • Về hướng nghiên cứu tiếp:
    • Chế tạo và thử nghiệm màng điện cực (MEA) sử dụng xúc tác $\text{Pt/M-doped TiO}_2$ trên hệ đo pin nhiên liệu đơn thực tế để đánh giá công suất đỉnh và đường cong phân cực tải dòng điện.
    • Tối ưu hóa sâu hơn tỷ lệ nồng độ pha tạp kim loại chuyển tiếp và giảm hàm lượng kim loại quý Pt nhằm hạ giá thành chế tạo.
    • Khảo sát độ bền dài hạn trong các điều kiện tải biến thiên và thử nghiệm gia tốc theo tiêu chuẩn công nghiệp (AST).

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Khoa học Vật liệu, Công nghệ Năng lượng: Luận án cung cấp hệ thống phương pháp luận chặt chẽ về quy trình tổng hợp vật liệu nano oxit kim loại pha tạp, kỹ thuật lắng đọng hạt kim loại quý kích thước nanomet, và các phương pháp phân tích hóa lý (XRD, XPS, TEM, BET, EDX, Four-probe).
  • Đối với các giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực xúc tác và điện hóa: Luận án là tài liệu tham khảo giá trị về kỹ thuật đo đạc điện hóa ba điện cực, quy trình xác định diện tích bề mặt điện hóa (ECSA), đánh giá động học phản ứng oxy hóa nhiên liệu hữu cơ (MOR) và phản ứng khử oxy (ORR), cũng như phương pháp phân tích cơ chế tương tác mạnh kim loại - chất mang (SMSI) và cơ chế chuyển dịch điện tử.
  • Đối với các kỹ sư và nhà phát triển công nghệ pin nhiên liệu: Luận án đề xuất giải pháp vật liệu phi carbon có tính ứng dụng cao, hỗ trợ việc giải quyết điểm nghẽn về độ bền của điện cực trong pin PEMFC và DMFC.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao chất mang carbon truyền thống (Pt/C) bị suy giảm hoạt tính nghiêm trọng trong điều kiện vận hành pin nhiên liệu? Chất mang carbon bị ăn mòn điện hóa khi tiếp xúc với môi trường axit ở điện thế cao ($\sim 1,23\text{ V}$ so với SHE), tạo thành khí $\text{CO}_2$ theo phản ứng $\text{C} + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CO}_2 + 4\text{H}^+ + 4\text{e}^-$. Quá trình này phá hủy cấu trúc khung đỡ, làm các hạt nano Pt bị mất liên kết, dẫn đến hiện tượng trôi dạt, kết tụ hoặc bong tróc khỏi điện cực, đồng thời thúc đẩy sự hòa tan Pt và quá trình chín Ostwald, làm suy giảm nghiêm trọng diện tích bề mặt điện hóa (ECSA).

2. Chiến lược pha tạp Wolfram (W) và Iridium (Ir) vào mạng tinh thể TiO2 giải quyết được vấn đề gì? $\text{TiO}_2$ nguyên chất có độ bền hóa học và điện hóa rất cao trong môi trường axit nhưng độ dẫn điện tử nội tại rất thấp ($\sim 10^{-6}\text{ S}\cdot\text{cm}^{-1}$). Việc pha tạp các kim loại chuyển tiếp W và Ir vào mạng tinh thể $\text{TiO}_2$ tạo ra các khuyết tật mạng và đưa điện tử tự do vào dải dẫn, giúp tăng độ dẫn điện lên tới $\sim 1-2\text{ S}\cdot\text{cm}^{-1}$ (tăng gấp khoảng $10^5$ lần), đáp ứng yêu cầu dẫn truyền điện tử cho phản ứng điện cực.

3. Cơ chế chuyển dịch điện tử (electronic transfer mechanism) và hiệu ứng SMSI cải thiện hoạt tính MOR và kháng ngộ độc CO như thế nào? Hiệu ứng tương tác mạnh kim loại - chất mang (SMSI) và sự chuyển dịch mật độ điện tử từ chất mang $\text{M-doped TiO}2$ sang các hạt nano Pt làm thay đổi cấu trúc vùng d-band của Platinum. Điều này làm suy yếu liên kết hấp phụ của các chất trung gian chứa carbon (dạng $\text{CO}{\text{ads}}$) trên các tâm hoạt tính Pt, giúp các phân tử nước/nhóm $\text{-OH}$ trên chất mang dễ dàng oxy hóa $\text{CO}_{\text{ads}}$ thành $\text{CO}_2$, giải phóng vị trí hoạt tính cho quá trình oxy hóa tiếp theo của methanol.

4. Điểm khác biệt trong phương pháp tổng hợp chất mang M-doped TiO2 của luận án so với các công trình công bố trước đây là gì? Các công trình trước đây thường sử dụng phương pháp sol-gel phức tạp qua nhiều bước, phải sử dụng chất hoạt động bề mặt/chất ổn định và trải qua quá trình nung nhiệt độ cao làm các hạt nano dễ bị thiêu kết và kết tụ. Luận án đã phát triển thành công phương pháp một bình (one-pot) thủy nhiệt và phương pháp polyol hỗ trợ vi sóng diễn ra nhanh chóng, không sử dụng chất hoạt động bề mặt và không cần nung nhiệt sau phản ứng, từ đó thu được vật liệu có độ xốp và diện tích bề mặt riêng cao ($\text{S}_{\text{BET}}$ đạt tới $201\text{ m}^2\cdot\text{g}^{-1}$).

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Huỳnh Thiện Tài đã giải quyết thành công bài toán nâng cao độ dẫn điện và độ bền của chất mang titan dioxit thông qua chiến lược pha tạp kim loại chuyển tiếp ($\text{W, Ir}$) bằng phương pháp một bình thủy nhiệt và polyol hỗ trợ vi sóng. Các hệ xúc tác $20\text{ wt.}% \text{ Pt/M-doped TiO}_2$ được chế tạo thành công với kích thước hạt Pt đồng đều ($\sim 3\text{ nm}$), sở hữu diện tích bề mặt điện hóa lớn, hoạt tính vượt trội cho cả phản ứng oxy hóa methanol và phản ứng khử oxy, cùng khả năng kháng ngộ độc CO và độ bền chu kỳ cao hơn so với mẫu thương mại $\text{Pt/C}$. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc cho việc phát triển các hệ vật liệu xúc tác phi carbon hiệu quả nhằm nâng cao hiệu năng và độ ổn định lâu dài cho các hệ thống pin nhiên liệu nhiệt độ thấp.