Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano composite Fe2O3/C ứng dụng làm điện cực âm cho pin Fe - khí

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:58

Thêm vào BST

Báo xấu

98
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano composite Fe2O3/C ứng dụng làm điện cực âm cho pin Fe - khí" bao gồm ba chương: Chương 1 - Tổng quan về pin Fe - khí, Chương 2 - Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu, Chương 3 - Kết quả và thảo luận.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano composite Fe2O3/C ứng dụng làm điện cực âm cho pin Fe - khí

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phùng Thị Sơn NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO COMPOSITE Fe2O3/C ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC ÂM CHO PIN Fe/KHÍ Chuyên ngành: Vật Lí nhiệt Mã số (Chương trình đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: HDC: TS. BÙI THỊ HẰNG HDP: GS. TS. LƯU TUẤN TÀI
Hà Nội – 2015
LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô giáo Bùi Thị Hằng, viện ITIMS, Đại học Bách Khoa Hà Nội và thầy giáo Lưu Tuấn Tài, Đại học Khoa học Tự nhiên, người đã tận tình hướng dẫn đề tài luận văn, người đã động viên, tạo mọi điều kiện và giúp đỡ để em hoàn thiện luận văn tốt nghiệp này. Thầy cô đã hướng dẫn em nghiên cứu về đề tài luận văn rất thiết thực và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống cũng như trong khoa học. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Vật Lí Nhiệt độ thấp, các thầy cô giáo trong khoa Vật Lí – trường Đại học Khoa học Tự nhiên cũng như các thầy cô giáo trong viện ITIMS, Đại học Bách khoa Hà Nội đã giảng dạy và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Em xin gửi lời cảm ơn đến Quỹ Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED). Nghiên cứu trong luận văn này được tài trợ bởi Quỹ trong đề tài mã số 103.022014.20, Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã luôn bên em, cổ vũ và động viên tinh thần em những lúc khó khăn để em có thể vượt qua và hoàn thành tốt luận văn này. Hà Nội, ngày 24 tháng 11 năm 2015 Học viên:
Phùng Thị Sơn MỤC LỤC MỤC LỤC ...................................................................................................... 4 Tiếng Việt: .................................................................................................. 46 BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ....................... 49 Bùi Thị Hằng, Phùng Thị Sơn, Doãn Hà Thắng – Vật liệu Composit Fe203 ứng dụng làm điện cực âm pin sắt/khí, kỷ yếu tại Hội nghị Vật lý chất rắn và Khoa học Vật liệu toàn quốc lần thứ IX tại TP.Hồ Chí Minh, 11/2015. ........................................................................................................ 49 BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN................................. 48
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Số liệu so sánh công nghệ một số pin sạc 2 lại.............................. 7 Bảng 1.2: Đặc trưng của pin Fe 12 khí........................................................... 29 Bảng 2.1: Bảng hoá chất và nguyên vật liệu............................................... Bảng 3.1: Đặc trưng cơ bản của AB và Fe2O3.............................................
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin kim loại 3 khí……………... Hình 1.2: Nguyên lý hoạt động của pin Fe 7 khí………………………….. Hình 1.3: Đường cong phóng nạp của điện cực 9 sắt……………………... Hình 2.1: Cell ba điện 13 cực............................................................................. Hình 2.2: Hệ 14 AutoLab................................................................................... Hình 2.3: Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử 15 quét……………………………. Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý của kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 17 …… Hình 2.5: Đồ thị quét thế vòng Cyclic 20 Voltametry………………………… Hình 2.6:Quan hệ giữa điện thế và dòng điện trong quét thế vòng 21 hoàn….. Hình 2.7: Quan hệ giữa điện thế và dòng điện trong quét thế vòng tuần hoàn trong một số chu kỳ 22 quét……………………………………………... Hình 2.8: Mạch điện tương đương của bình đo điện 23 hóa………………….. Hình 2.9: Sơ đồ biểu diễn tổng trở trên mặt phẳng 25 phức………………….. Hình 3.1: Ảnh TEM của 27 AB……………………………………………….. Hình 3.2: Ảnh SEM của mẫu nmFe2O3 với các độ phóng đại khác 28 nhau.... Hình 3.3: Ảnh SEM của mẫu µmFe2O3 với các độ phóng đại khác 28
nhau... Hình 3.4: Ảnh SEM của mẫu µmFe2O3/AB (a) và nmFe2O3/AB (b)........ 29 Hình 3.5: Đặc trưng CV của điện cực AB (AB:PTFE= 90:10 wt%) trong dung dịch 8 M KOH………………………………………...……….. 30 Hình 3.6: Đặc trưng CV của điện cực composit nmFe2O3 (Fe2O3:PTFE = 90:10 wt.%) trong dung dịch KOH (a) và KOH + K2S (b)……………….. 31 Hình 3.7: Đặc trưng CV của điện cực composit µmFe2O3 (Fe2O3:PTFE = 90:10 wt.%) trong dung dịch KOH (a) và KOH + K2S (b)………………. 33 Hình 3.8: Đặc trưng CV của điện cực composit nmFe2O3 /AB (Fe2O3:AB:PTFE = 45:45:10 wt.%) trong dung dịch KOH (a) và KOH + K2S (b)…………………………………………………………………….. 35 Hình 3.9: Đặc trưng CV của điện cực composit µmFe2O3 /AB (Fe2O3:AB:PTFE = 45:45:10 wt.%) trong dung dịch KOH (a) và KOH + K2S (b)……………………………………………………..……………… 38 Hình 3.10: Phổ tổng trở của của điện cực nmFe2O3 (Fe2O3:PTFE = 90:10 wt.%) trong dung dịch KOH (a) và KOH + K 2S 39 (b) .................................... Hình 3.11: Phổ tổng trở của của điện cực µmFe2O3 (Fe2O3:PTFE = 90:10 wt.%) trong dung dịch KOH (a) và KOH + K 2S 40 (b) .................................... Hình 3.12: Phổ tổng trở của của điện cực nmFe2O3/AB (Fe2O3:AB:PTFE = 45:45:10 wt.%) trong dung dịch KOH (a) và KOH + 41 K2S (b)................... Hình 3.13: Phổ tổng trở của của điện cực µmFe2O3/AB (Fe2O3:AB:PTFE = 45:45:10 wt.%) trong dung dịch KOH (a) và KOH + 41 K2S (b) ..................
BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Tên Kí hiệu 1 Acetylen black cacbon AB 2 Cyclic Voltammetry CV 3 Electrochemical Impedance Spectroscopy EIS 4 Open Circuit Potential (Thế mạch hở) OCP 5 Open Circuit Voltage (Điện áp mạch mở) OCV 6 Polytetrafluoroethylene PTFE 7 Scanning Electron Microscopy SEM 8 Transmission Electron Microscopy TEM
MỞ ĐẦU Năng lượng điện đóng vai trò quan trọng trong đời sống của chúng ta. Tuy nhiên năng lượng điện hầu như không được tích trữ. Trong pin các hợp chất hóa học hoạt động như một phương tiện lưu trữ năng lượng . Các thiết bị di động ngày càng phát triển nhanh, mạnh cả về số lượng, tính năng và cấu hình đang đòi hỏi không ngừng việc cải tiến, nâng cao chất lượng các loại pin sạc hiện có. Trong khi đó, công nghệ pin vẫn còn nhiều hạn chế, thách thức so với các yêu cầu của các thiết bị mới này. Các nhà khoa học đã mất rất nhiều năm để nghiên cứu và cố gắng tạo ra loại pin có khả năng lưu trữ năng lượng cao , thời gian sạc ngắn và đã đạt được những kết quả nhất định. Nhu cầu về pin hiệu suất cao, an toàn, mật độ năng lượng và năng lượng riêng cao, chi phí thấp, thân thiện với môi trường cho các thiết bị điện tử, xe điện và các ứng dụng lưu trữ năng lượng ngày càng cao. Những năm gần đây, các nhà khoa học trên thế giới đã phát triển một thế hệ pin mới là pin kim loại khí với hoạt tính xúc tác cao hơn, bền hơn, chi phí thấp hơn các loại pin được sử dụng rộng rãi hiện nay. Loại pin này được xem là có tiềm năng ứng dụng trong các loại xe điện, xe hybrid điện… do chúng có mật độ năng lượng cao và oxy trong không khí được sử dụng như là vật liệu điện cực dương của pin [4, 34, 43]. Theo Giáo sư Hongjie Dai Đại học Stanford – Mỹ trích dẫn tài liệu tham khảo: “Hầu hết sự chú ý của thế giới hiện nay tập trung vào pin lithiumion mặc dù mật độ năng lượng (lưu trữ năng lượng cho mỗi đơn vị thể tích) của nó hạn chế, chi phí cao và mức độ an toàn thấp. Đối với pin kim loại khí thì mật độ năng lượng lý thuyết cao hơn so với pin lithium ion hay pin Ni MH, nguồn cung cấp nguyên liệu phong phú, chi phí thấp và an toàn hơn do bản chất không cháy của các chất điện phân”. 1
Bảng 1.1 thể hiện số liệu so sánh công nghệ một số pin sạc lại, trong đó pin kim loại khí cho thấy năng lượng lý thuyết cũng như năng lượng riêng và mật độ năng lượng lớn nhất [28]. Bảng 1.1. Số liệu so sánh công nghệ một số pin sạc lại Công nghệ Thế Dung Năng Thời Tự phóng mạch lượng lượng gian (%/tháng) hở (V) riêng lý riêng lý sạc ở 200C thuyếta thuyếta (h) (Ah/kg) (Wh/kg) Lead – acid 2.1 120 252 8 – 24 3 Nickel – cadmium 1.35 181 244 1 – 16 10 Nickel – iron 1.4 224 314 5 25 Nickel – hydrogen 1.5 289 434 1 24 60 Nickel – metal hydride 1.35 178 240 1 – 2 30 Nickel – zinc 1.73 215 327 8 15 Zinc/silver oxide 1.85 283 524 8 – 18 5 Zinc/bromine 1.83 238 429 12 – 15 Polysulfide/bromine 1.5 27 41 8 – 12 5 – 10 Vanadium – redox 1.4 21 29 6 –10 5 – 10 Zinc/air 1.6 825b 1320 Aluminum/air 2.73 2980b 8135 Iron/air 1.3 960b 1250 15 Sodium/sulfur 2.08 375 755 5 – 6 Sodium/nickel chloride 2.58 305 787 3 – 6 Li – Al/FeS 1.33 345 459 5 – 8 Li – Al/FeS2 1.73 285 490 5 – 8 Li – C/LiCoO2 3 – 4 100 360 Li – C/LiNi1xCoxO2 3 – 4 2.5
Với công nghệ pin kim loại khí, oxy trong không khí được sử dụng như vật liệu điện cực dương của pin. Tấm bản điện cực âm có thể tạo ra từ nhiều loại kim loại khác nhau, mỗi loại sẽ tương tác với oxy trong không khí để tạo ra dòng điện. Có rất nhiều kim loại có thể sử dụng làm tấm bản điện cực này như nhôm, sắt, lithium, magiê, vanadium và kẽm…Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin kim loại khí được mô tả trên hình 1.1. Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin kim loại khí Đối với pin kim loại khí, điện cực âm đóng vai trò quan trọng, quyết định dung lượng, năng lượng, thời gian sống và hiệu suất của pin. Trong số các ứng cử viên tiềm năng cho điện cực âm pin kim loại /khí, kẽm, sắt và nhôm thu hút được rất nhiều sự chú ý. Trong ba kim loại này, kẽm đã nhận được sự chú ý nhiều nhất bởi vì nó là kim loại hoạt động tương đối ổn định trong dung dịch kiềm và không bị ăn mòn. Vấn đề lớn nhất với pin sạc lại Zn khí là sự hình thành dendrite (dạng nhánh cây) trong quá trình phóng nạp thông qua cơ chế kết tủa hòa tan đã làm chậm quá trình thương mại hóa của loại pin này. Tuy nhiên vẫn có những nghiên cứu tiếp tục cho loại pin này vì ứng dụng tiềm năng của nó [3, 6, 7, 10, 11, 13, 21, 30, 33, 44]. 3
Nhôm cũng được các nhà khoa học chú ý nhiều vì nó có nhiều trên trái đất, chi phí thấp. Tuy nhiên, pin Al khí có thế phóng quá cao trong hệ dung dịch nước (nước sẽ bị điện phân) nên Al chủ yếu được ứng dụng trong pin sạc lại cơ học [8, 12, 22, 27, 32, 33, 37, 42, 45]. Pin Fe khí có thế mạch hở thấp, năng lượng riêng và dung lượng riêng lý thuyết cao, chi phí thấp nên nó thu hút được rất nhiều sự chú ý. Pin Fe khí có nhiều triển vọng ứng dụng trong các hệ thống nguồn di động. Khác với kẽm, điện cực sắt không có sự phân bố lại lớn của vật liệu hoạt động điện cực dẫn đến làm thay đổi hình dạng của điện cực khi số lượng chu kỳ phóng nạp được kéo dài. Loại pin này là một ứng cử viên đầy tiềm năng cho nguồn điện di động, đặc biệt là cho xe điện. Ở Việt Nam hiện nay nghiên cứu về vật liệu điện cực cho pin Fe khí thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong nước, đặc biệt nhóm nghiên cứu về Vật liệu tích trữ chuyển đổi năng lượng – Viện ITIMS – Đại học Bách khoa Hà Nội đã có một số đề tài nghiên cứu tập trung vào lĩnh vực này và nhóm đã có nhiều công trình xuất bản ở các tạp chí trong nước và quốc tế có uy tín [1517]. Tuy nhiên, trong giai đoạn hiện nay năng lượng đạt được của loại pin Fe khí còn thấp, khoảng 10% giá trị dự kiến và lượng tản nhiệt còn nhiều do quá thế lớn của điện cực sắt. Mặt khác dung lượng, khả năng chu trình hóa của pin Fe khí còn hạn chế do “tính thụ động” gây ra bởi hydroxit sắt tạo ra trong quá trình phóng điện. Thế sinh khí hydro trong dung dịch kiềm của điện cực sắt thấp do vậy có sự sinh hydro đồng thời trong quá trình nạp của pin. Đây là nguyên nhân gây ra hiệu suất phóng nạp thấp và tốc độ tự phóng cao của hệ pin Fe khí. Để khắc phục nhược điểm này của điện cực sắt, một số nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng việc bổ sung nanocarbon cho điện cực sắt giúp cải thiện 4
độ dẫn điện và khả năng oxi hoá khử của nó [1517]. Đặc biệt, các tính chất điện hoá của điện cực Fe/C được cải thiện hơn nữa khi các hạt nano Fe2O3 được phân bố trên bề mặt của các ống nano cacbon. Kế thừa và phát triển các kết quả đã đạt được của nhóm nghiên cứu viện ITIMS, trong đề tài này, vật liệu Fe2O3 kích thước nano và micro mét được nghiền trộn bằng phương pháp cơ học với nano cacbon để tạo thành vật liệu nano composit Fe2O3/C sử dụng làm điện cực âm cho pin Fe khí. Bên cạnh đó, ảnh hưởng của chất phụ gia K2S trong dung dịch điện ly đến tính chất điện hóa của điện cực Fe2O3/C cũng được khảo sát. Với mong muốn góp một phần nhỏ bé của mình trong việc thúc đẩy nghiên cứu định hướng ứng dụng trong nước, em đã lựa chọn đề tài luận văn của mình là: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano composite Fe 2O3/C ứng dụng làm điện cực âm cho pin Fe khí”. Luận văn bao gồm ba chương: Chương 1: Tổng quan về pin Fe khí Chương 2: Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả và thảo luận 5
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PIN Fe KHÍ 1.1. Các khái niệm cơ bản về pin Tế bào điện hóa là đơn vị điện hóa cơ bản cung cấp nguồn năng lượng điện bằng cách chuyển đổi trực tiếp từ năng lượng hóa học. Tế bào điện hóa bao gồm hai điện cực, vật liệu phân cách hai điện cực, dung dịch điện ly, vỏ và các điện cực đầu ra. Ba bộ phận chính của tế bào điện hóa như sau: 1. Anode hay điện cực âm điện cực khử: cung cấp electron cho mạch ngoài và bị oxy hóa trong quá trình phản ứng điện hóa. 2. Cathode hay điện cực dương điện cực oxy hóa: nhận electron từ mạch ngoài và bị khử trong quá trình phản ứng điện hóa. 3. Chất điện ly hay chất dẫn ion: là môi trường truyền điện tích (như là ion) bên trong tế bào điện hóa giữa hai điện cực anode và cathode. Chất điện ly thường là chất lỏng như nước hoặc các dung môi khác, với các muối, axit, hoặc kiềm hòa tan để dẫn ion. Một số pin sử dụng chất điện ly ở thể rắn, chúng dẫn ion ở nhiệt độ hoạt động của pin. Pin là một linh kiện biến đổi năng lượng hóa học chứa trong vật liệu hoạt động điện cực thành năng lượng điện thông qua phản ứng oxi hóa khử. Pin có thể gồm một hoặc nhiều tế bào điện hóa được nối với nhau theo một sự sắp xếp nhất định để tạo ra thế và dòng hoạt động nhất định. Pin đầu tiên được phát minh năm 1800 bởi Alessandro Volta (pin Volta) sau đó nó đã trở thành nguồn năng lượng thông dụng cho nhiều vật dụng trong gia đình cũng như cho các ứng dụng công nghiệp. Pin được phân ra thành hai loại: pin sơ cấp và pin thứ ấp. Pin sơ cấp l à loại pin không sạc lại được, được thiết kế để dùng một lần. Pin thứ cấp là loại 6
pin sạc lại được và được thiết kế để sạc được nhiều lần. Các pin cỡ nhỏ được sản xuất cho các thiết bị tiêu thụ ít năng lượng như đồng hồ đeo tay; những pin lớn có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị di động như máy tính xách tay. 1.2. Tổng quan về pin Fe khí Pin Fe khí có thế mạch hở thấp, năng lượng riêng và dung lượng riêng lý thuyết cao, thời gian sống dài, độ ổn định điện hoá cao, chi phí thấp và thân thiện với môi trường. Đặc trưng của pin Fe khí được thể hiện trên bảng 1.2. Bảng 1.2. Đặc trưng của pin Fe – khí [43] Thế thông Năng Mật độ Năng Thời gian Hiệu thường (V) lượng năng lượng riêng sống, suất Thế Thế riêng lượng (W/kg) 100% (%) mạch phón (Wh/kg) (Wh/L) DOD hở g 80 60 1000 1.2 0,75 98 105 181 309 1000 68 [43] [43] [43] [43] Nguyên lý hoạt động của pin Fe khí được thể hiện trên hình 1.2: e- e- O2 từ ngoài OH- không khí Fe Dung dịch KOH Cathode Anode 7
Hình 1.2. Nguyên lý hoạt động của pin Fe khí Phản ứng điện hóa của pin Fe khí sạc lại điện có thế mạch hở (OCV) là 1.28V như sau: phóng Fe + O2 + H2O ? Fe(OH)2 (1) nạp Pin Fe khí có mật độ năng lượng cao tuy nhiên trong thực tế giá trị này vẫn chưa đạt đượ c. Đó là do hiệu suất phóng nạp đạt đượ c của điện cự c sắt còn thấp [23, 40]. Một vấn đề khác của pin Fe khí là hiệu suất nạp lại của điện cực khí đạt đượ c không cao [2, 36]. 1.3. Điện cực sắt Điện cực sắt thu hút được nhiều sự chú ý không chỉ do nó ứng dụng trong pin Fe khí mà còn được ứng dụng trong pin Ni/Fe vì năng lượng lý thuyết cao (0,96 Ah/g) và chi phí thấp [6, 18, 19, 39]. Cả hai loại pin này đều là những ứng cử viên đầy tiềm năng cho xe điện và xe tải dùng điện [ 43]. Điện cực sắt có lợi thế về môi trường hơn so với các vật liệu điện cực khác như cadmium, chì, kẽm. Hơn nữa điện cực sắt có thể chịu được sốc cơ học, rung lắc cũng như quá nạp và phóng sâu [43]. Đường cong phóng nạp điển hình của điện cực sắt được mô tả trên hình 1.3 [43]. Hai đoạn bằng phẳng tương ứng với sự tạo thành của sản phẩm phản ứng Fe2+ và Fe3+. Phản ứng của điện cực sắt như sau [6, 39, 43]: phóng Fe + 2OH− Fe(OH)2 + 2e (2) nạp E0 = 0,975 V vs Hg/HgO [6] (đoạn bằng phẳng thứ nhất) phóng 8
Fe(OH)2 + OH− FeOOH + H2O + e (3) nạp E0 = 0,658 V vs. Hg/HgO [6] (đoạn bằng phẳng thứ hai) Và/hoặc phóng 3Fe(OH)2 + 2OH− Fe3O4.4H2O + 2e (4) nạp E0 = 0,758 V vs. Hg/HgO [5, 31] (đoạn bằng phẳng thứ hai) Hình 1.3. Đường cong phóng nạp của điện cực sắt [43] Các phép đo quét thế của điện cực sắt trong dung dịch ki ềm, phân tích phổ X rây của các trạng thái phóng khác nhau và sản phẩm phóng của điện cực sắt chứng tỏ rằng quá trình oxi hóa của điện cực sắt diễn ra theo 2 bước chính [39, 43] được chỉ ra ở phản ứng (2), (3) và/hoặc (4). Theo một số tác giả [ 5, 20, 38] phương trình (2) gồm hai bước riêng biệt kết hợp với sự hấp thụ của ion OH: 9
Fe + OH− [Fe(OH)]ad + e (5) [Fe(OH)]ad + OH− Fe(OH)2 + e (6) Phần lớn các tác giả cho rằng bước oxi hoá của phương trình (6) diễn ra thông qua sự tạo thành của những mảnh hòa tan HFeO2 trong dung dịch điện ly như phản ứng (7) và (8) [14, 20, 2426, 29]. [Fe(OH)]ad + 2OH− HFeO2 + H2O + e (7) HFeO2 + H2O Fe(OH)2 + OH− (8) Sự hòa tan của HFeO2 trong dung dịch kiềm chỉ ở mức 104 M [39]. Một số tác giả lại cho rằng bước ô xi hóa của Fe(II) thành Fe(III) (phương trình (3) và/hoặc (4), xuất hiện thông qua sự tạo thành của ferrate hòa tan ( FeO2 ) do phản ứng (9) và (10) [2426, 29], trong khi một số tác giả khác chứng minh rằng bước thứ hai của phản ứng điện cực sắt diễn ra thông qua cơ chế trạng thái rắn [26, 39] HFeO2 FeO2 + H+ + e (9) HFeO2 + 2 FeO2 + H2O Fe3O4 + 3OH− (10) Bước ô xi hóa thứ nhất quan trọng h ơn bước ô xi hóa thứ hai đối với hoạt động của pin Fe khí thực tế. Độ hòa tan của HFeO2 là rất chậm [6] và gây ra sự kết tủa lại của l ớp Fe(OH)2 dẫn đến hiệu suất hoạt động thấp của điện cực sắt. Hơn nữa thế của cặp phản ứng ô xi hóa khử Fe/Fe(OH)2 âm hơn một chút so thế sinh khí hydro trong dung dịch kiềm [6, 39] do vậy có sự sinh hydro đồng thời trong quá trình nạp của pin, nghĩa là: Fe + 2OH− Fe(OH)2 + 2e E0 = − 0,978 V vs. Hg/HgO [35, 37] (2) và 2H2O + 2e H2 + 2OH− E0 = − 0,928 V vs. Hg/HgO [35] (11) Đây là nguyên nhân gây ra hiệu suất phóng nạp thấp và tốc độ tự phóng cao của hệ pin Fe khí. Để khắc phục nhược điểm này của điện cực sắt, nhiều 10
chất phụ gia đã được kết hợp trong quá trình chế tạo điện cực hoặc trong dung dịch điện ly hoặc cả hai [5, 14, 20, 31, 38]. 1.4. Điện cực khí Hoạt động thành công của pin Fe khí phụ thuộc vào hiệu suất của điện cực khí. Oxy được cung cấp từ không khí bên ngoài và khuếch tán vào trong pin. Các cathode khí hoạt động chỉ như một nơi diễn ra phản ứng điện hóa và nó không bị tiêu thụ. Về mặt lý thuyết, các cathode khí có thời gian sống dài, kích thước vật lý và tính chất điện hóa của nó không thay đổi trong quá trình phóng điện. Phản ứng của cathode khí rất phức tạp nhưng có thể được đơn giản hóa thành phản ứng như sau: O2 + 2H2O + 4e 4OH−? E0 = 0,498 V vs. Hg/HgO [5, 10] (12) Các điện cực không khí được sử dụng cả trong pin kim loại/khí và pin nhiên liệu. Rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để cải thiện hiệu suất của nó trong suốt 30 năm qua. 11
CHƯƠNG II THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. THỰC NGHIỆM 2.1.1. Hoá chất và nguyên vật liệu Trong luận văn này chúng tôi sử dụng một số hóa chất và nguyên vật liệu tinh khiết được liệt kê ở bảng 2.1 dưới đây. Bảng 2.1. Bảng hoá chất và nguyên vật liệu STT Tên hoá chất 1 Fe2O3 kích thước nano mét 2 Fe2O3 kích thước micro mét 3 KOH 4 K2S 5 Acetylen black cacbon (AB) 6 Polytetrafluoroethylene (PTFE) 2.1.2. Tạo mẫu 2.1.2.1. Tạo điện cực AB, Fe2O3 và Fe2O3/AB Hai loại điện cực Fe2O3 hoặc Fe2O3/AB sử dụng Fe2O3 kích thước nano mét và Fe2O3 kích thước micro mét của hãng Walko. Để đo tính chất điện hoá của AB hoặc Fe2O3, lá điện cực AB hoặc Fe2O3 được chế tạo bằng cách trộn 90% AB hoặc 90% Fe2O3 và 10 wt% polytetraflouroethylene (PTFE; Daikin Co.), sau đó cán mỏng ra. Điện cực Fe2O3/AB cũng được chế tạo bằng phương pháp tương tự với hỗn hợp của 45% Fe2O3, 45% AB và 10% PTFE. Hỗn hợp Fe2O3/AB thu được bằng phương pháp nghiền cơ học sử dụng máy nghiền bi. Các điện cực AB hoặc Fe 2O3 hoặc Fe2O3/AB được cắt ra từ lá điện cực thành dạng viên có đường kính 1cm và độ 12