Luận Văn Thạc Sĩ: Tổng Hợp Vật Liệu Nano Composite Từ MoS2 Và Ống Nano Cacbon Ứng Dụng Cho Siêu Tụ Điện

• Tác giả: Nguyễn Trà My
• Người hướng dẫn: TS. Lê Viết Thông
• Trường học: Đại học Quy Nhơn
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Tổng hợp vật liệu nano composite dựa trên MoS2 và ống nano cacbon ứng dụng cho siêu tụ điện
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Bình Định

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• MỞ ĐẦU
• 0.1. Lý do chọn đề tài
• 0.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 0.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 0.4. Phương pháp nghiên cứu
• 0.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 0.6. Cấu trúc luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT
• 1.1. GIỚI THIỆU VỀ SIÊU TỤ ĐIỆN
• 1.1.1. Cấu tạo của siêu tụ điện
• 2. CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM
• 2.1. HÓA CHẤT VÀ DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM
• 2.2. QUY TRÌNH CHẾ TẠO MẪU
• 2.2.1. Chuẩn bị dung dịch thủy nhiệt
• 2.2.2. Tiến hành quá trình thủy nhiệt
• 2.2.3. Tiến hành quay ly tâm để thu composite MoS3/MWCNTs
• 2.2.4. Chế tạo siêu tụ điện hình dạng đồng xu (coin cell)
• 2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT VẬT LIỆU
• 2.3.1. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua TEM
• 2.3.2. Phương pháp phổ Raman
• 2.3.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.3.4. Phép đo quét thế tuần hoàn (Cyclic voltammetry, CV)
• 2.3.5. Phép đo phổ trở kháng điện hóa (Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. HÌNH THÁI BỀ MẶT CỦA VẬT LIỆU MoS2 VÀ COMPOSITE MoS2/CNT
• 3.2. CÁC ĐẶC TRƯNG TINH THỂ
• 3.3. ĐẶC TRƯNG CỦA SIÊU TỤ ĐIỆN SỬ DỤNG ĐIỆN CỰC COMPOSITE MoS2/MWCNT
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Vật liệu nano composite

Vật liệu nano composite là trọng tâm của nghiên cứu này, đặc biệt là sự kết hợp giữa MoS2 và ống nano carbon. Vật liệu nano composite này được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, một phương pháp đơn giản, chi phí thấp và có thể sản xuất ở quy mô lớn. MoS2 và ống nano carbon được chọn vì tính chất độc đáo của chúng, bao gồm diện tích bề mặt lớn, độ dẫn điện cao và khả năng tăng cường hiệu suất điện hóa. Vật liệu nano composite này hứa hẹn cải thiện điện dung và mật độ năng lượng của siêu tụ điện, một thiết bị lưu trữ năng lượng quan trọng trong các ứng dụng công nghệ hiện đại.

1.1. Tính chất vật liệu nano

Tính chất vật liệu nano của MoS2 và ống nano carbon được khảo sát kỹ lưỡng. MoS2 có cấu trúc lớp, tương tự như graphite, với các lớp kim loại Mo kẹp giữa hai lớp S. Cấu trúc này hỗ trợ tăng cường vận chuyển điện tích, làm cho MoS2 trở thành vật liệu tiềm năng cho siêu tụ điện. Ống nano carbon có diện tích bề mặt lớn và độ dẫn điện cao, nhưng dễ kết tụ, làm giảm điện dung. Kết hợp hai vật liệu này tạo ra vật liệu nano composite với tính chất ưu việt, bao gồm điện dung cao và độ ổn định chu kỳ dài.

1.2. Ứng dụng vật liệu nano

Ứng dụng vật liệu nano trong siêu tụ điện là mục tiêu chính của nghiên cứu. Vật liệu nano composite từ MoS2 và ống nano carbon được sử dụng làm điện cực, giúp tăng cường hiệu suất của siêu tụ điện. Điện cực này có khả năng lưu trữ năng lượng cao và độ bền lớn, phù hợp cho các ứng dụng trong xe điện, thiết bị điện tử di động và các hệ thống lưu trữ năng lượng quy mô lớn. Nghiên cứu này góp phần mở rộng ứng dụng vật liệu nano trong lĩnh vực tích trữ năng lượng.

II. Siêu tụ điện

Siêu tụ điện là thiết bị lưu trữ năng lượng quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghệ hiện đại. Siêu tụ điện có ưu điểm vượt trội như mật độ công suất cao, độ ổn định chu kỳ tốt và khả năng sạc/xả nhanh. Tuy nhiên, mật độ năng lượng của siêu tụ điện thấp hơn so với pin lithium-ion, làm hạn chế ứng dụng của chúng. Nghiên cứu này tập trung vào việc cải thiện mật độ năng lượng của siêu tụ điện thông qua việc sử dụng vật liệu nano composite từ MoS2 và ống nano carbon.

2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Siêu tụ điện bao gồm hai điện cực (anode và cathode), chất điện phân và màng ngăn. Nguyên lý hoạt động của siêu tụ điện dựa trên sự hình thành lớp điện tích kép (EDLC) hoặc phản ứng oxy hóa khử nhanh (giả tụ điện). Vật liệu nano composite từ MoS2 và ống nano carbon được sử dụng làm điện cực, giúp tăng cường điện dung và mật độ năng lượng của siêu tụ điện. Điện áp hoạt động của siêu tụ điện phụ thuộc vào chất điện phân, trong khi điện dung phụ thuộc vào vật liệu điện cực.

2.2. Cải thiện mật độ năng lượng

Cải thiện mật độ năng lượng của siêu tụ điện là mục tiêu chính của nghiên cứu. Vật liệu nano composite từ MoS2 và ống nano carbon được kỳ vọng sẽ tăng cường điện dung và mật độ năng lượng của siêu tụ điện. Điện dung của siêu tụ điện được tính bằng công thức E = 1/2CV^2, trong đó C là điện dung và V là điện áp. Việc tối ưu hóa điện dung thông qua việc sử dụng vật liệu nano composite là giải pháp hiệu quả để cải thiện mật độ năng lượng của siêu tụ điện.

III. Công nghệ nano

Công nghệ nano đóng vai trò quan trọng trong việc tổng hợp và ứng dụng vật liệu nano composite từ MoS2 và ống nano carbon. Công nghệ nano cho phép kiểm soát cấu trúc và tính chất của vật liệu ở cấp độ nano, giúp tối ưu hóa hiệu suất của siêu tụ điện. Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp công nghệ nano như thủy nhiệt, hiển vi điện tử quét (SEM) và phổ Raman để khảo sát và đánh giá vật liệu nano composite.

3.1. Phương pháp tổng hợp

Phương pháp thủy nhiệt được sử dụng để tổng hợp vật liệu nano composite từ MoS2 và ống nano carbon. Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, chi phí thấp và có thể sản xuất ở quy mô lớn. Quá trình tổng hợp bao gồm chuẩn bị dung dịch thủy nhiệt, tiến hành quá trình thủy nhiệt và quay ly tâm để thu vật liệu nano composite. Công nghệ nano giúp kiểm soát cấu trúc và tính chất của vật liệu, đảm bảo hiệu suất cao trong siêu tụ điện.

3.2. Khảo sát tính chất

Các phương pháp công nghệ nano như hiển vi điện tử quét (SEM), hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và phổ Raman được sử dụng để khảo sát tính chất của vật liệu nano composite. SEM và TEM giúp quan sát hình thái bề mặt và cấu trúc của vật liệu, trong khi phổ Raman cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể và liên kết hóa học. Công nghệ nano đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá và tối ưu hóa vật liệu nano composite cho siêu tụ điện.