intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Tổng hợp và nghiên cứu tính chất compozit Titan dioxit-polianilin-cacbon nano tubes định hướng làm vật liệu nguồn điện

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:80

71
lượt xem
5
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung luận văn bao gồm: Tổng quan tài liệu liên quan đến đề tài; tổng hợp vật liệu compozit TiO2 – PANi – CNTs; nghiên cứu tính chất của vật liệu compozit đã tổng hợp.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Tổng hợp và nghiên cứu tính chất compozit Titan dioxit-polianilin-cacbon nano tubes định hướng làm vật liệu nguồn điện

  1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ MAI THỊ XUÂN TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT COMPOZIT  TITAN DIOXIT­POLIANILIN­CACBON NANO TUBES  ĐỊNH HƯỚNG LÀM VẬT LIỆU NGUỒN ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
  2. Hà Nội – Năm 2015
  3. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ MAI THỊ XUÂN TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT COMPOZIT  TITAN DIOXIT­POLIANILIN­CACBON NANO TUBES  ĐỊNH HƯỚNG LÀM VẬT LIỆU NGUỒN ĐIỆN Chuyên ngành : Hóa lý thuyết và hóa lý Mã số : 60440119 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. PHAN THỊ BÌNH
  4. Hà Nội – Năm 2015
  5. LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Hóa học  – Trường Đại   học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình dạy dỗ em trong  quá  trình học tập tại trường. Em xin chân thành cảm  ơn các thầy cô trong Viện Hóa học – Viện Hàn  lâm Khoa học và Công nghệ  Việt Nam đã tận tình dạy dỗ  và giúp đỡ  em trong   quá trình học tập và làm khóa luận tốt nghiệp tại đây. Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS.Phan Thị Bình, giáo viên hướng dẫn, đã  giao đề tài, tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành bản luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn các cô chú, anh chị phòng Điện hóa Ứng dụng – Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã giúp đỡ em  rất nhiều trong thời gian làm luận văn tại đây. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới bạn bè, gia đình và những người thân   đã luôn động viên và giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn. Em xin chân thành cảm ơn!                                                                           Học viên                                                 Mai Thị Xuân i
  6. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN..........................................................................................................i MỤC LỤC...............................................................................................................ii DANH MỤC  CÁC BẢNG.....................................................................................v DANH MỤC CÁC HÌNH......................................................................................vi MỞ ĐẦU..................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN..................................................................................3 1.1. Giới thiệu về pin nhiên liệu vi sinh..................................................................3 1.1.1. Vật liệu điện cực anôt....................................................................................3 1.1.2. Vật liệu catot..................................................................................................7 1.1.3. Dung dịch nền sử dụng  trong pin nhiên liệu vi sinh.....................................8 1.1.4. Ứng dụng của pin nhiên liệu vi sinh............................................................. 9 1.2. Giới thiệu về titan dioxit.................................................................................10 1.2.1. Tính chất vật lý.............................................................................................10 1.2.2. Tính chất hóa học.........................................................................................11 1.2.3. Các phương pháp điều chế nano ­ TiO2 ......................................................12 1.2.4. Ứng dụng của titan dioxit.............................................................................13 1.3. Giới thiệu chung về PANi...............................................................................14 1.3.1. Cấu trúc phân tử của PANi...........................................................................14 1.3.2. Các trạng thái oxi hóa – khử của PANi........................................................15 1.3.3. Một số tính chất của PANi...........................................................................15 1.3.4. Các phương pháp tổng hợp PANi.................................................................17 1.3.5. Ứng dụng của PANi.....................................................................................19 1.4. Giới thiệu về ống nano cacbon.......................................................................20 ii
  7. 1.4.1. Tính chất của CNTs…..................................................................................21 1.4.2. Các phương pháp điều chế CNTs................................................................23 1.4.3. Một số ứng dụng của CNTs.........................................................................23 1.5. Giới thiệu về vật liệu compozit......................................................................24 1.5.1. Compozit hai thành phần..............................................................................25 1.5.2. Compozit đa thành phần................................................................................26 CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.......................................28 2.1. Các phương pháp nghiên cứu cấu trúc............................................................28 2.1.1. Kính hiển vi điện tử quét (SEM)..................................................................28 2.1.2. Phương pháp nhiễu xạ Rơn­ghen................................................................28 2.1.3. Phương phap phô hông ngoai IR ́ ̉ ̀ ̣ ...................................................................28 2.2. Các phương pháp điện hóa..............................................................................29 2.2.1. Phương pháp đo độ dẫn................................................................................29 2.2.2. Phương pháp tổng trở điện hóa....................................................................30 2.2.3. Phương pháp quét thế tuần hoàn (CV).........................................................31 2.2.4. Phương pháp phân cực..................................................................................31 2.3. Thực nghiệm..................................................................................................33 2.3.1. Hóa chất và dụng cụ.....................................................................................33 2.3.1.1. Hóa chất.....................................................................................................33 2.3.1.2. Dụng cụ.....................................................................................................33 2.3.2. Tổng hợp vật liệu compozit TiO2–PANi­CNTs...........................................33 2.3.3. Khảo sát tính chất vật liệu...........................................................................34 2.3. 4. Chế tạo điện cực compozit dạng cao trên nền Titan..................................34 2.3.4.1. Chuẩn bị điện cực Titan…........................................................................34 2.3.4.2. Chế tạo điện Ti/compozit…......................................................................35 2.3.3.3. Nghiên cứu tính chất điện hóa…...............................................................35 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.......................................................36 iii
  8. 3.1. Tổng hợp vật liệu…........................................................................................36 3.2. Nghiên cứu tính chất vật liệu..........................................................................37 3.2.1. Xác định độ dẫn điện…...............................................................................37 3.2.2. Phân tích hình thái học và cấu trúc của vật liệu..........................................38 3.2.2.1. Phân tích ảnh SEM.....................................................................................38 3.2.2.2. Phân tích nhiễu xạ Rơn­ghen....................................................................39 3.2.2.3. Phân tích phổ hồng ngoại..........................................................................40 3.3. Nghiên cứu tính chất điện hóa của vật liệu....................................................41 3.3.1. Nghiên cứu phổ tổng trở điện hóa...............................................................41 3.3.1.1. Trong dung dịch H2SO4...............................................................................41 3.3.1.2 Trong môi trường nước thải  nhà máy bia.................................................43 3.3.2. Nghiên cứu phổ quét thế tuần hoàn (CV)....................................................50 3.3.2.1. Trong dung dịch H2SO4...............................................................................50 3.3.2.2. Trong môi trường nước thải  nhà máy bia.................................................50 3.3.3. Nghiên cứu sự phân cực trong môi trường nước thải nhà máy bia.............51 3.3.3.1.Phân cực tĩnh...............................................................................................51 3.3.3.2.Phân cực dòng động....................................................................................52 KẾT LUẬN............................................................................................................53 KHUYẾN NGHỊ....................................................................................................54 TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................55 iv
  9. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1.: Thông số vật lý của anatase và rutile...................................................11 Bảng 1.2.: Tính chất của CNTs đơn lớp và đa lớp...............................................21 Bảng 1.3.: Các thông số cơ tính của vật liệu CNTs và một số vật liệu khác......22 Bảng 2.1.: Thành phần của các chất trong các mẫu thí nghiệm ..........................34 Bảng 3.1.: Hiệu suất tổng hợp compozit TiO2­PANi­CNTs................................36  Bảng 3.2.: Độ dẫn của compozit TiO2­PANi­CNTs được tổng hợp bằng phương  pháp hóa học...........................................................................................................37 Bảng 3.3.: Kết quả phân tích phổ hồng ngoại......................................................41 Bảng  3.4.:  Ảnh hưởng của   hàm lượng CNTs đến các thông số  điện hóa mô  phỏng theo sơ đồ tương đương hình 4.7................................................................43 Bảng  3.5.: Các thông số điện hóa của các compozit mô phỏng theo hình 4.10.. 46  Bảng 3.6.: Các thông số  điện hóa của compozit TiO2­PANi­CNTs  sau khi phân  cực thế tính tại 0,45 V........................................................................................... 48 v
  10. DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cấu tạo của pin nhiên liệu vi sinh...........................................................3 Hình 1.2.: Một số vật liệu cacbon sử dụng trong pin nhiên liệu vi sinh................4 Hình 1.3.: Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2.....................................10  Hình 1.4.: Các cấu trúc của PANi ở các dạng khác nhau.....................................14  Hình  1.5.:  Quá  trình  chuyển   đổi  cấu  trúc  điện  tử   của  PANi  trong  trong  môi   trường oxi hóa – khử…..........................................................................................15 Hình   1.6.   :  Quá   trình   polyme   hóa   của   anilin   khi   có   chất   hoạt   động   bề   mặt   DBSA.18  Hình 1.7.: CNTs  đơn lớp và đa lớp......................................................................20  Hình 1.8.: Cơ chế hình thành dạng  TiO2–PANi­CNTs.........................................26 Hình 2.1.: Sơ  đồ  khối phương pháp đo quét thế  tuần hoàn bằng hai mũi dò xác   định độ dẫn điện của vật liệu dạng bột được ép viên.........................................29  Hình 2.2.: Quan hệ giữa dòng – điện thế trong quét thế tuần hoàn.....................31 Hình 2.3.: Quan hệ E­t và đáp ứng I­t  trong phương pháp phân cực thế tĩnh .....32 vi
  11. Hình 2.4.: Quan hệ I­t và đáp ứng E­I  trong phương pháp phân cực dòng động. 32 Hình 2.5.: Điện cực Titan tấm ..............................................................................35 Hình 3.1.: Phổ CV của compozit  TiO2­PANi­CNTs............................................37  Hình 3.2.:  So sánh  ảnh SEM của compozit TiO2­PANi­CNTs 30% với vật liệu  riêng rẽ ................................................................................................................... 38 Hình 3.3.: Nhiễu xạ Rơn­ghen của các vật liệu..................................................39  Hình 3.4.: Phổ hồng ngoại của PANi và compozit TiO2­PANi­CNTs 30%..........40 Hình 3.5.: Phổ tổng trở dạng Bode của các compozit đo trong dung dịch H2SO4.41  Hình 3.6.: Phổ Nyquits của các compozit đo trong dung dịch H2SO4 ...................42 Hình  3.7.: Sơ  đồ  tương đương mô phỏng phổ  tổng trở  của các compozit trong   dung dịch  H2SO4 0,5M ...........................................................................................43 Hình 3.8.: Phổ tổng trở dạng Bode của các compozit đo trong nước thải nhà máy   bia …....................................................................................................................... 44 Hình 3.9.: Phổ Nyquits của các compozit đo trong nước thải nhà máy bia..........45 Hình 3.10.: Sơ  đồ  tương đương mô phỏng phổ  tổng trở  của các compozit trong  nước thải nhà máy bia ...........................................................................................45 Hình   3.11.: Phổ  tổng trở  dạng Bode của các compozit đo trong nước thải nhà   máy  bia sau khi phân cực thế tĩnh tại 0,45 V .......................................................47 Hình 3.12.: Phổ Nyquits của các compozit đo trong nước thải nhà máy bia  sau khi  phân cực tĩnh tại điện thế 0,45 V...........................................................................47 Hình 3.13.: Sự  phụ  thuộc của điện dung lớp kép và điện trở  lớp màng vào tỉ  lệ  phần trăm CNTs…..................................................................................................49 Hình 3.14.: Sự phụ thuộc của điện trở chuyển điện tích và hằng số Warburg vào  tỉ lệ phần trăm CNTs..............................................................................................49 Hình 3.15.: Phổ quét thế tuần hoàn trong dung dịch H2SO4 0,5M của các compozit  TiO2­PANi­ CNTs thay đổi theo tỉ lệ phần trăm CNTs..........................................50 vii
  12. Hình 3.16.: Phổ  CV của các compozit   ở chu kỳ 1 với  tốc độ  quét 20 mV/s đo  trong nước thải nhà máy bia (COD = 3555 mg/l)...................................................51 Hình  3.17.:  Phân cực thế  tĩnh 0,45 V ( 60 phút )   của các compozit trong dung  dịch nước thải nhà máy bia (COD: 3555 mg/l)......................................................51   Hình  3.18.:  Phân cực dòng động (tốc độ  quét 5μA/s) của các compozit trong  dung dịch nước thải nhà máy bia (COD: 3555 mg/l)..............................................52 viii
  13. MỞ ĐẦU Trong suốt thập niên vừa qua nanocompozit hữu cơ và vô cơ là một lĩnh vực  lớn đầy tiềm năng thu hút sự quan tâm của các cơ quan nghiên cứu cũng như các   nhà nghiên cứu trên toàn thế giới [29,61,72]. Các vật liệu mới hiện nay được phát  triển trên cơ sở lai ghép một số vật liệu tiên tiến như  cacbon nano tubes (CNTs)   [70], graphen oxit (GO) [51] hay oxit kim loại (PbO 2, TiO2,…) [66,67] với polyme  dẫn điển hình như polianilin (PANi). Trong đó, TiO2 là một oxit kim loại bán dẫn,  có độ bền hóa học và vật lý, thân thiện với môi trường, có khả  năng diệt khuẩn   tốt, có tính xúc tác quang hóa cũng  như quang điện hóa và  có khả năng ứng dụng   cao khi  lai ghép với PANi [29,35,75]. PANi là một polyme dẫn, có khả năng dẫn  điện như  kim loại, thuận nghịch về  mặt điện hóa, có khả  năng hấp thụ  năng  lượng sóng  ở  vùng vi sóng, tia hồng ngoại, tia khả  kiến, tia tử  ngoại đây là do   tính chất của nối đôi liên hợp. Compozit trên cơ sở PANi dễ tổng hợp, thân thiện  với môi trường và có tính chất ổn định [18,63,72]. Cacbon nano tubes là một chất   rất nhẹ, bền môi trường, có khả  năng hấp phụ  cao, dẫn nhiệt tốt và đặc biệt là  khả năng dẫn điện đáng kinh ngạc [27,28]. Nghiên cứu và phát triển vật liệu mới trong lĩnh vực nguồn điện nói chung  và  pin nhiên liệu vi sinh nói riêng đã và đang được các nhà khoa học thế giới đặc  biệt quan tâm. Một  số tác giả đã nghiên cứu về compozit TiO 2­ PANi­ CNTs cho  thấy  nó có tính ổn định nhiệt, có khả năng dẫn điện tốt, tổng hợp khá đơn giản  bằng phương pháp hóa học  để ứng dụng làm vật liệu siêu tụ [27] và vật liệu có   khả năng  hấp thụ vi sóng [63]. Chưa thấy có công bố nào ứng dụng vật liệu này  làm anot cho pin nhiên liệu vi sinh. Trong khuôn khổ đề tài “ Tổng hợp và nghiên  cứu   tính   chất   compozit   Titan   dioxit­   polianilin­   cacbon   nano   tubes   định   hướng làm vật liệu nguồn điện”, compozit  sẽ  được tổng hợp bằng phương   pháp hóa học polyme hóa trực tiếp hình thành vật liệu có cấu trúc nano nhằm cải  thiện tính chất vật liệu. 1
  14. Nội dung luận văn bao gồm:  Tổng quan tài liệu liên quan đến đề tài.  Tổng hợp vật liệu compozit TiO2 – PANi – CNTs. Nghiên cứu tính chất của vật liệu compozit đã tổng hợp. Các phương pháp nghiên cứu đã sử dụng:  Quét thế  tuần hoàn,  đo tổng trở   điện hóa  và mô phỏng sơ   đồ  tương   đương.  Phân cực dòng động  và phân cực thế tĩnh.  Chụp ảnh SEM để nghiên cứu cấu trúc hình thái học của vật liệu. Phân tích nhiễu xạ tia Rơn­Ghen và phổ hồng ngoại để phân tích cấu trúc   tinh thể và cấu trúc hóa học của vật liệu.  2
  15. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu về pin nhiên liệu vi sinh          Pin nhiên liệu vi sinh là một hệ thống có khả năng phát sinh dòng điện từ sự  oxi hóa cơ  chất bằng cách sử  dụng vi sinh vật  [33], đặc biệt là sử  dụng nước  thải làm chất nền. Nó dựa trên sự  chuyển điện tích của vi khuẩn nhờ  quá trình  oxi hóa trên anôt để sản sinh ra dòng điện. Cấu tạo của tế bào năng lượng vi sinh  bao gồm: buồng anôt, buồng catôt và màng trao đổi proton như hình 1.1.                Anot        Vi khuẩn                          Màng                         Catot  Hình 1.1.: Cấu tạo của pin nhiên liệu vi sinh [33] Hiệu suất của pin nhiên liệu vi sinh phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: vật   liệu chế  tạo điện cực, nguồn nước thải sử  dụng, các chất hóa học thêm vào  nước thải, cách thức thiết kế pin nhiên liệu vi sinh… Trong đó việc lựa chọn các   vật liệu để chế tạo điện cực là rất quan trọng. 3
  16. 1.1.1. Vật liệu điện cực anôt   Vật liệu làm điện cực là vật liệu phải thân thiện với môi trường, bền hóa   học, có sự tương thích sinh học, không bị nhiễm bẩn tự nhiên, dễ dàng sử dụng.  Điện tử  sản xuất bởi vi sinh vật được phát sinh trên bề  mặt của vật liệu điện   cực, sự kết hợp của chúng đóng một vai trò quan trong trong sự hình thành điện  tử cũng như sự vận chuyển chúng đến chất nhận điện tử cuối cùng [64,78]. a, Vật liệu điện cực làm từ  cacbon Việc sử dụng điện cực với bản chất là cacbon cho điện cực anôt trong pin   nhiên liệu vi sinh là phổ  biến, vì vật liệu này có khả  năng dẫn điện tốt, trơ  với   các phản  ứng điện hóa và phù hợp với sự phát triển của vi khuẩn. Giấy cacbon   rất cứng, giòn, dễ gãy; vải cacbon và xốp cacbon có độ dẻo và diện tích bề mặt  riêng lớn hơn giấy cacbon. Hạt than chì: Rabaey và cộng sự cũng đã nghiên cứu   sử  dụng hạt than chì trong pin nhiên liệu vi sinh, các hạt than chì có kích thước   khác nhau thường d = 0,5÷1,5 mm, với diện tích bề  mặt riêng lớn. Tuy nhiên,  một trong những yêu cầu để đảm bảo khả năng dẫn điện của anôt chứa các hạt   than chì là cần phải có sự  tiếp xúc giữa các hạt trong khoang anôt [39]. Thanh   than chì, miếng than chì, xốp than chì đã được sử  dụng trong một số nghiên cứu  về pin nhiên liệu vi sinh trước đây, chúng có khả năng dẫn điện cao nhờ có điện  trở  suất thấp (0,2  Ω/cm). Tuy nhiên, trước khi sử  dụng chúng cần phải mài với   cát để tăng diện tích bề mặt cho vi sinh vật sinh trưởng [43]. Sợi than chì và chổi  than chì: đặc điểm của vật liệu này là diện tích bề mặt riêng lớn và độ xốp cao.   Lõi của chổi được làm từ  các vật liệu không bị  ăn mòn như  titan. Đường kính   nhỏ của sợi than chì cho phép tạo được diện tích bề  mặt lớn, tuy nhiên làm sao  để  phân tán được tốt các sợi trong khoang là một vấn đề  tồn tại cần được giải   quyết. 4
  17.   (b)  (a)  Hình 1.2.: Một số vật liệu cacbon sử dụng trong pin nhiên liệu vi sinh (a): Hạt than chì (b): Thanh than chì [43] b, Vật liệu điện cực làm từ các compozit ­ Compozit oxit kim loại­cacbon + Compozit oxit kim loại­ cacbon hoạt tính: Hiệu suất của pin nhiên liệu vi  sinh chủ yếu bị giới hạn bởi sự không tương thích của quá trình chuyển điện tử  ngoại bào giữa anôt và vi khuẩn. Để hỗ trợ cho quá trình này thì oxit Fe2O3 được  thêm vào và đóng vai trò là chất oxi hóa để nhận electron được sinh ra trong quá   trình hoạt động của pin nhiên liệu vi sinh [50]. Ngoài oxit Fe 2O3  thì oxit Fe3O4  cũng là một vật liệu thích hợp để làm điện cực cho pin nhiên liệu vi sinh vì Fe 3O4  có khả năng tương thích sinh học tốt, có giá thành thấp và có khả năng dẫn điện   tốt hơn một số  oxit kim loại khác do quá trình chuyển điện tích giữa Fe(II) và   Fe(III) trong cấu trúc [76]. Một số  nghiên cứu đã biến tính Fe3O4  bằng cacbon  hoạt tính để  tạo nên compozit  phủ  lên nền thép không gỉ, compozit này đã làm   tăng cường quá trình chuyển điện tích giữa vi khuẩn và điện cực anôt [44].  + Compozit oxit kim loại – cacbon nano tubes:    Một số oxit kim loại như  MnO2, SnO2, TiO2, Fe3O4,… thường được sử  dụng làm anôt trong pin nhiên liệu  vi sinh vì có độ dẫn điện tốt và có khả năng tương thích sinh học tốt [77]. Cacbon  nano tubes có cấu trúc hình ống có diện tích bề mặt lớn, khả năng dẫn điện tốt,  tính ổn định hóa học cao. Đặc biệt CNTs có khả năng tương thích sinh học tốt, có  5
  18. thể xuyên thấu vào trong lớp màng của vi khuẩn và tạo điều kiện thuận lợi cho  quá trình chuyển điện tử  trực tiếp từ  vi khuẩn đến bề  mặt điện cực. Nhờ  cấu  trúc bề mặt gồ ghề của CNTs kích thích vi khuẩn sản xuất ra hệ thống sợi nano   không những giúp vi khuẩn tạo ra màng liên kết mà còn là cầu nối cho quá trình   chuyển điện tử. Vì vậy mà compozit của các oxit kim loại với CNTs đã được sử  dụng để tăng hiệu suất hoạt động của pin nhiên liệu vi sinh [31].  + Compozit oxit kim loại – graphen:  Graphen có diện tích bề mặt lớn, khả  năng dẫn điện tốt, cấu trúc phẳng, giá thành sản xuất rẻ, có khả  năng xúc tác  cao. Ngoài ra, graphen có tính chất vật lý tương tự  như  CNTs. Để  chứng minh   khả  năng tương thích sinh học của graphen, khuẩn E. coli  được cho vào môi  trường có graphen sau đó quan sát sự phát triển của vi khuẩn qua kính hiển vi ta  thấy rằng một lớp màng sinh học  ổn định hình thành trên bề  mặt của graphen  [26]. Hiệu suất của pin nhiên liệu vi sinh sử  dụng anôt là compozit của một số  oxit kim loại  như SnO2, TiO2  đặc biệt là các oxit kim loại này  ở dạng nano với  graphen đã được nghiên cứu và thấy rằng đã được cải thiện đáng kể [54].  ­ Compozit oxit kim loại­polyme dẫn:  Compozit vô cơ ­ hữu cơ trên cơ sở một số  oxit kim loại và polyanilin (PANi) đã được  ứng dụng làm vật liệu tích trữ  năng  lượng hoặc cảm biến sinh học. Compozit của oxit kim loại­ PANi có độ  bền   nhiệt, tính chất điện hóa  ổn định trong môi trường pin nhiên liệu vi sinh, có khả  năng chống ăn mòn tốt trong môi trường điện ly. Dựa trên cơ  sở  đó, vật liệu  compozit TiO2  ­ PANi dạng nano đã được nghiên cứu làm vật liệu anot trong pin   nhiên liệu vi sinh với nguồn vi khuẩn là khuẩn E.coli [54].   ­ Compozit polyme­cacbon:  Các polyme sử  dụng trong   pin nhiên liệu vi sinh   thường là các polyme dẫn như  PANi, polipyrol (Ppy), polythiophen   và các dẫn   xuất của chúng vì các polyme này có   khả  năng xúc tác trong pin nhiên liệu vi  sinh, tính dẫn điện tốt, ổn định trong môi trường hoạt động của pin nhiên liệu vi  sinh. Trong các polyme dẫn trên thì PANi thường được sử  dụng rộng rãi hơn vì   6
  19. có khả năng tương thích sinh học tốt hơn, có khả năng cố định emzym. PANi sử  dụng trong pin nhiên liệu vi sinh không những giúp cho vi khuẩn được bảo vệ mà   còn góp phần làm tăng khả  năng xúc tác điện hóa. Để  tăng hiệu suất của pin  nhiên liệu vi sinh một số nghiên cứu đã đưa thêm CNTs và graphen vào polyme  dẫn. Khi cho CNTs vào PANi thì diện tích bề mặt điện cực và khả năng trao đổi  điện tử tăng lên đáng kể, chính điều này đã làm tăng hoạt tính điện hóa trong pin  nhiên liệu vi sinh [40].    Ngoài ra, người ta còn sử  dụng một vật liệu nữa là chitosan, một hợp   chất polysacarit dạng thẳng, có khả  năng phân hủy tốt, không độc, độ  bền cơ  học cao, rẻ  tiền, nó được sử  dụng để  cố  định các phân tử  sinh học. Tuy nhiên,  khả  năng dẫn điện của chitosan kém vì vậy nó được kết hợp với các vật liệu   dẫn điện tốt như  CNTs. Compozit chitosan­ CNTs có hiệu suất điện hóa cao  trong pin nhiên liệu vi sinh [41].  1.1.2. Vật liệu catôt Các kim loại quý như platin, paladi, vàng có hoạt tính xúc tác cao cho quá   trình khử  khí oxi, tuy nhiên chúng có giá thành cao, nhạy cảm với các tạp chất   hóa học và sinh học nên chúng không được ứng dụng ở phạm vi rộng rãi. Nhiều  hợp chất  kim loại của mangan, sắt, coban có khả năng xúc tác cho catôt trong pin   nhiên liệu vi sinh đã được tìm ra với mục đích giảm giá thành điện cực catôt   đồng thời hỗ trợ động học cho phản ứng khử khí oxi. ­ Compozit hợp chất  kim loại­ cacbon: Trong các vật liệu có cấu trúc nano, MnO2  có cấu trúc nano được xem là vật liệu có khả  năng ứng dụng cao trong quá trình  xúc tác catôt trong pin nhiên liệu vi sinh bởi giá thành thấp, thân thiện với môi  trường, có tính  ổn định hóa học, hoạt tính xúc tác cao. Các yếu tố  như  kích   thước, cấu trúc hình thái học, diện tích bề  mặt riêng đều  ảnh hưởng đến khả  7
  20. năng xúc tác của MnO2.  Việc lai ghép MnO2 với các vật liệu cacbon như graphit,  cacbon hoạt tính, CNTs, graphen oxit đã làm tăng hoạt tính điện hóa, diện tích bề  mặt và làm tăng khả  năng xúc tác của MnO 2.  Công suất riêng lớn nhất của vật   liệu MnO2 khi được lai ghép với CNTs lên đến  210 mW/m 2 [73]. Ngoài ra, các  hợp chất của Fe như  sắt chelat, sắt oxit cũng kết hợp với vật liệu cacbon cũng  được dùng làm vật liệu điện cực catôt trong pin nhiên liệu vi sinh. Compozit Fe   (II) phtaloxyanin­ CNT  đã được  nghiên cứu trên khuẩn Enterobacter trong pin   nhiên liệu vi sinh. Hiệu suất của điện cực catôt trong quá trình hoạt động cho  thấy rằng sau khi vật liệu được biến tính cao hơn so với từng vật liệu riêng rẽ  [30]. ­ Compozit của các polyme dẫn: compozit PANi/CNT được thử nghiệm dùng làm  điện cực catôt khí trong pin nhiên liệu vi sinh sử dụng môi trường nước thải tổng   hợp [38].  Công suất riêng lớn nhất ở tỷ lệ 75% PANi cao hơn nhiều so với  điện   cực catôt chỉ có CNT.  1.1.3. Dung dịch nền sử dụng  trong pin nhiên liệu vi sinh  Trong pin nhiên liệu vi sinh, dung dịch nền đóng vai trò hết sức quan trọng   bởi yếu tố sinh học ảnh hưởng đến hệ thống điện năng. Có  nhiều dung dịch có   thể  được sử  dụng trong pin nhiên liệu vi sinh từ  những hợp chất đơn giản cho   đến những hỗn hợp phức tạp chứa cả  những hợp chất vô cơ  trong nước thải.   Các nghiên cứu sau này cho thấy rằng nước thải chính là một nguyên liệu thô có  thể sử dụng trong pin nhiên liệu vi sinh. Một số dung dịch nền thường được sử  dụng trong pin nhiên liệu vi sinh: + Nước thải nhà máy bia: Nước thải từ  các nhà máy bia được các nhà  nghiên cứu sử dụng nhiều nhất trong pin nhiên liệu vi sinh. Nó là sản phẩm biến   8
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2