BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU
----------
ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG
VŨ THỊ HỒNG PHƯỢNG
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC NANO
HỢP KIM Pt và Cu TRÊN GIÁ MANG CARBON VULCAN
DÙNG LÀM ĐIỆN CỰC CHO PIN NHIÊN LIỆU MÀNG
TRAO ĐỔI PROTON
Bà Rịa – Vũng Tàu, tháng 6 năm 2018
Trang i
THÔNG TIN CHUNG CỦA ĐỀ TÀI
Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác nano hợp kim Pt và Cu trên giá mang
carbon vulcan dùng làm điện cực cho pin nhiên liệu màng trao đổi proton
Mã số:
Chủ nhiệm đề tài: Th.S Vũ Thị Hồng Phượng
Nội dung chính:
- Xây dựng quy trình tổng hợp, tối ưu các thông số trong quy trình;
-Tổng hợp các mẫu xúc tác nano PtxCuy/C với các tỉ lệ Pt:Cu khác nhau;
-Khảo sát về cấu trúc hình thái của vật liệu, đánh giá các đặc tính hóa lý của mẫu vậy liệu
tạo được;
-Nghiên cứu hoạt tính của vật liệu PtxCuy trên giá mang carbon vulcan cho phản ứng khử
oxy tại điện cực cathode; cho phản ứng oxy hóa nhiên liệu tại điện cực anode;
- So sánh, kết luận và đánh giá kết quả.
3.2.5 Kết quả đạt được: (khoa học, đào tạo, kinh tế - xã hội, ứng dụng..)
Vật liệu nano PtCu/C sử dụng cho pin nhiên liệu được tổng hợp.
Bài báo đăng trên tạp chí Hóa học:
Vũ Thị Hồng Phượng, Trần Văn Mẫn, Lê Mỹ Loan Phụng, Vật liệu xúc tác PtCu/VC cho
phản ứng anot và catot trong pin nhiên liệu, Tạp Chí hóa học, 55(5E1,2) 75-79, 2017
3.2.6 Thời gian nghiên cứu: từ tháng 9 năm 2017 đến tháng 06 năm 2018
Trang ii
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay nhu cầu sử dụng năng lượng của con người ngày càng gia tăng, đặc biệt tại các
nước đang phát triển. Trong khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và bộc
lộ nhiều nhiều khuyết điểm như gây ô nhiễm môi trường thì các nguồn năng lượng tái tạo
và các giải pháp sử dụng năng lượng hiệu quả hơn được đầu tư nghiên cứu. Trong các
nguồn năng lượng thay thế như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy điện
thì pin nhiên liệu được xem là hiệu quả hơn cả vì rất thân thiện với môi trường, có hiệu suất
cao và không phụ thuộc vào yếu tố địa lý, khí hậu, thời tiết. Vì vậy, quá trình nghiên cứu
và phát triển để cải thiện hiệu suất pin nhiên liệu cũng như từng bước đưa loại pin này vào
thị trường dân dụng trở nên cần thiết và ngày càng phát triển mạnh mẽ.
Tuy nhiên, một trong những trở ngại của việc thương mại hóa pin nhiên liệu chính là giá
thành của xúc tác, xúc tác thường sử dụng trong pin nhiên liệu là kim loại Platin (Pt) với
giá thành cao. Vì vậy, việc làm giảm hàm lượng kim loại Pt mà không làm giảm hiệu suất
hoạt động của pin, nâng cao hiệu quả sử dụng và tăng cường hoạt tính của xúc tác đang
được nghiên cứu rộng rãi. Một trong những giải pháp để giải quyết vấn đề trên là: đưa xúc
tác Pt về kích thước hạt nano và phủ lên giá mang trơ dẫn điện đã và đang được nghiên cứu
mạnh mẽ. Bên cạnh đó, để tăng độ bền của xúc tác và giảm giá thành sản phẩm, hệ xúc tác
hợp kim nano Pt với kim loại chuyển tiếp như Ni, Cu, Co… đã được nghiên cứu và ứng
dụng trong pin nhiên liệu. Trong các xúc tác hợp, xúc tác hợp kim PtCu/C là một trong
những hệ xúc tác hợp kim được quan tâm nhiều trong những năm gần đây.
Đi theo xu hướng phát triển của thế giới, đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác nano
hợp kim Pt và Cu trên giá mang carbon vulcan dùng làm điện cực cho pin nhiên liệu màng
trao đổi proton” được triển khai nhằm chế tạo xúc tác PtCu/C ứng dụng cho pin nhiên liệu
màng trao đổi proto
Trang iii
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ......................................................................................................................... iii
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................... v
DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG ....................................................................................... vi
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ................................................................................................ 1
1.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................ 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................ 1
1.3. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 2
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU ........................................................ 3
2.1. Khái quát chung về pin nhiên liệu ........................................................................... 3
2.1.1. Lịch sử phát triển ............................................................................................... 3
2.1.2. Cấu tạo và phân loại pin nhiên liệu ............................................................... 4
2.2. Xúc tác và các phương pháp tổng hợp xúc tác cho pin nhiên liệu ........................ 12
2.2.1. Xúc tác cho pin nhiên liệu ........................................................................... 12
2.2.2. Các phương pháp tổng hợp hạt nano kim loại ............................................. 14
2.2.3. Một số phương pháp đánh giá vật liệu xúc tác ............................................ 17
CHƯƠNG 3. PHẢN ỨNG XÚC TÁC ĐIỆN HÓA CHO PIN NHIÊN LIỆU ............... 24
3.1. Phản ứng tại anode ................................................................................................. 24
3.1.1. Phản ứng oxy hóa tại anode trong pin PEMFC ........................................... 24
3.1.2. Phản ứng oxy hóa tại anode trong DAAFC ................................................. 24
3.2. Phản ứng tại cathode .............................................................................................. 25
3.2.1. Những loại phản ứng khử điện hóa oxygen ................................................. 25
3.2.2. Động học của phản ứng khử oxy ................................................................. 28
3.3. Một số cơ chế của phản ứng khử Oxygen ............................................................. 32
3.3.1. Phản ứng khử oxygen (ORR) trên Graphite và Glassy Carbon ................... 32
3.3.2. Phản ứng khử oxygen (ORR) trên carbon Nanotubes ................................. 34
3.3.3. Phản ứng khử oxygen (ORR) trên kim loại Pt............................................. 36
Trang iv
3.3.4. Phản ứng khử oxygen (ORR) trên hợp kim Pt ............................................ 37
3.3.5. Phản ứng khử oxygen (ORR) trên các kim loại khác .................................. 38
CHƯƠNG 4. PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......................... 40
4.1. Phương tiện nghiên cứu ......................................................................................... 40
4.1.1. Hóa chất ....................................................................................................... 40
4.1.2. Thiết bị ......................................................................................................... 40
4.2. Quy trình thực nghiệm ........................................................................................... 41
4.2.1. Xây dựng quy trình tổng hợp vật liệu xúc tác ............................................. 41
4.2.2. Tổng hợp vật liệu xúc tác theo các tỉ lệ Pt : Cu khác nhau .......................... 44
4.2.3. Chế tạo điện cực .......................................................................................... 45
4.3. Khảo sát tính chất vật liệu điện cực ....................................................................... 45
4.3.1. Hình thái học, tính chất vật liệu ................................................................... 45
4.3.2. Khảo sát hoạt tính điện hóa ......................................................................... 45
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN ..................................................................... 47
5.1. Tối ưu quy trình tổng hợp vật liệu xúc tác ............................................................ 47
5.1.1. Đánh giá quy trình tổng hợp với các nồng độ tiền chất khác nhau ............. 47
5.1.2. Đánh giá quy trình tổng hợp với tỉ lệ chất bảo vệ CA khác nhau ............... 47
5.1.3. Đánh giá quy trình tổng hợp tỉ lệ chất khử NaBH4 khác nhau ................... 48
5.2. Khảo sát các tỉ lệ vật liệu Pt : Cu khác nhau ......................................................... 49
5.2.1. Đánh giá cấu trúc hình, hình thái vật liệu .................................................... 49
5.2.2. Khảo sát hoạt tính điện hóa của vật liệu xúc tác.......................................... 51
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................... 56
6.1. Kết luận .................................................................................................................. 56
6.2. Kiến nghị................................................................................................................ 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 57