I. Giới thiệu
Luận án này tập trung vào việc nghiên cứu vật liệu nanostructured dựa trên molybdenum disulfide (MoS2) và carbon nanotubes (CNTs) cho ứng dụng trong pin lithium-ion và điện cực phát triển hydro. Mục tiêu chính là phân tích cấu trúc và tính chất của các vật liệu này, đồng thời đánh giá khả năng ứng dụng của chúng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết hợp MoS2 với CNTs có thể cải thiện đáng kể hiệu suất điện hóa của các điện cực, từ đó nâng cao hiệu suất của pin năng lượng và khả năng xúc tác cho phản ứng HER.
1.1 Tính chất của Molybdenum Disulfide
MoS2 là một vật liệu hai chiều với cấu trúc lớp, có tính chất điện hóa vượt trội. Nghiên cứu cho thấy rằng pha 1T của MoS2 có khả năng dẫn điện tốt hơn so với pha 2H, điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các điện cực cho pin lithium-ion. Việc tối ưu hóa tỉ lệ giữa các pha này có thể dẫn đến sự cải thiện đáng kể trong hiệu suất của các thiết bị lưu trữ năng lượng.
1.2 Carbon Nanotubes và Ứng dụng của Chúng
CNTs là một trong những vật liệu nanostructured phổ biến nhất, nổi bật với tính chất cơ học và điện hóa xuất sắc. Sự kết hợp giữa CNTs và MoS2 tạo ra một loại vật liệu composite có khả năng cải thiện đáng kể tính dẫn điện và độ bền của điện cực. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng CNTs trong các điện cực có thể làm tăng khả năng lưu trữ năng lượng và cải thiện hiệu suất của công nghệ pin.
II. Phương pháp tổng hợp
Nghiên cứu đã áp dụng phương pháp tổng hợp bằng vi sóng để tạo ra các vật liệu nanocomposite MoS2/CNTs. Phương pháp này cho phép kiểm soát tốt các điều kiện phản ứng, từ đó tạo ra các cấu trúc với hình thái và kích thước mong muốn. Các điều kiện tối ưu cho việc tổng hợp đã được xác định thông qua phương pháp quy hoạch thực nghiệm Taguchi, cho thấy rằng công suất vi sóng và thời gian phản ứng có ảnh hưởng lớn đến độ tinh thể hóa của vật liệu. Việc tối ưu hóa các điều kiện này là rất quan trọng để đạt được hiệu suất cao trong ứng dụng điện hóa.
2.1 Tổng hợp MoS2 bằng Phương pháp Vi sóng
Phương pháp vi sóng đã được chứng minh là hiệu quả trong việc tổng hợp MoS2 với các pha khác nhau. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng vi sóng có thể rút ngắn thời gian phản ứng và cải thiện độ tinh khiết của sản phẩm. Kết quả cho thấy rằng tỉ lệ pha 1T có thể đạt tới 84.5%, điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao khả năng dẫn điện của vật liệu.
2.2 Tổng hợp Composite MoS2 CNTs
Việc tổng hợp MoS2/CNTs được thực hiện thông qua hai quy trình phân tán khác nhau, cho phép tạo ra các cấu trúc tinh thể và vô định hình. Các điều kiện tối ưu cho từng loại cấu trúc đã được xác định, cho thấy rằng việc điều chỉnh các thông số như công suất vi sóng và thời gian phản ứng có thể ảnh hưởng lớn đến tính chất điện hóa của vật liệu. Điều này mở ra cơ hội cho việc phát triển các vật liệu mới với hiệu suất cao hơn trong ứng dụng năng lượng.
III. Hiệu suất điện hóa
Nghiên cứu đã tiến hành đánh giá hiệu suất điện hóa của các vật liệu nanocomposite MoS2/CNTs trong ứng dụng cho pin lithium-ion và xúc tác HER. Kết quả cho thấy rằng các điện cực được chế tạo từ MoS2/CNTs có khả năng duy trì hiệu suất ổn định qua nhiều chu kỳ sạc-xả. Đặc biệt, điện cực MoS2/CNTs cho thấy khả năng xúc tác tốt cho phản ứng HER, với mật độ dòng điện đạt -8.94 mA/cm2 tại điện thế -350 mV.
3.1 Hiệu suất của Điện cực Anode
Điện cực anode từ MoS2/CNTs cho thấy khả năng lưu trữ năng lượng cao, với dung lượng ban đầu đạt 1.200 mAh/g và giảm xuống 762 mAh/g sau 60 chu kỳ. Điều này chứng tỏ rằng vật liệu có khả năng ổn định tốt trong quá trình sạc-xả, điều này rất quan trọng cho ứng dụng trong pin nắng lượng.
3.2 Khả năng Xúc tác cho Phản ứng HER
Khả năng xúc tác của MoS2/CNTs cho phản ứng HER đã được đánh giá thông qua phương pháp quét thế tuyến tính. Kết quả cho thấy rằng vật liệu này có độ dốc Tafel là 102 mV/dec, cho thấy khả năng xúc tác tốt và ổn định trong khoảng điện thế -220 mV đến -230 mV. Điều này mở ra triển vọng cho việc sử dụng vật liệu này trong các ứng dụng năng lượng tái tạo.
