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

Nghiên cứu tính chất điện hóa của vật liệu nanocompozit GO/MnO2 ứng dụng trong siêu tụ

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST
Báo xấu
12
lượt xem 3
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong nghiên cứu này, vật liệu nano compozit GO/MnO2 được điều chế bằng phương pháp kết tủa hóa học. Tính chất điện hóa của vật liệu được nghiên cứu quét thế tuần hoàn (CV) trong dung dịch Na2SO4 1M, kết quả cho thấy vật liệu có dung lượng riêng đạt 273,4 F/g. Ngoài ra, vật liệu hoạt động có tính thuận nghịch cao, ổn định.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu tính chất điện hóa của vật liệu nanocompozit GO/MnO2 ứng dụng trong siêu tụ

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU NANOCOMPOZIT GO/MnO2 ỨNG DỤNG TRONG SIÊU TỤ Mạc Đình Thiết1*, Hoàng Thị Kim Vân2, Nguyễn Thị Lan Anh3, Nguyễn Duy Toàn3 1 Phòng KHCN & Đảm bảo chất lượng giáo dục, Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì 2 Khoa Công nghệ Hóa học & Môi trường, Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì 3 Khoa Kỹ thuật Phân tích, Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì *Email: macthiet@gmail.com Tóm tắt: Trong nghiên cứu này, vật liệu nano compozit GO/MnO2 được điều chế bằng phương pháp kết tủa hóa học. Tính chất điện hóa của vật liệu được nghiên cứu quét thế tuần hoàn (CV) trong dung dịch Na2SO4 1M, kết quả cho thấy vật liệu có dung lượng riêng đạt 273,4 F/g. Ngoài ra, vật liệu hoạt động có tính thuận nghịch cao, ổn định. Sau khi phóng nạp 500 chu kỳ, vật liệu có dung lượng riêng còn duy trì 80,4% so với ban đầu. Vật liệu nano compozit GO/MnO2 hứa hẹn được ứng dụng trong siêu tụ. Từ khóa: Siêu tụ, mangan đioxit, graphen oxit STUDY ON ELCTROCHEMISTRY SUPERCAPACITOR PROPERTIES OF METARIAL GO/MnO2 NANOCOMPOSITE FOR SUPERCAPACITORS APPLICATIONS Abstract: In this study, GO/MnO2 nanocomposite material is synthesized by chemical deposition method. Electrochemical properties of the synthesized material was studied using cyclic voltammetry (CV) in 1M Na2SO4 aqueous electrolyte that showed a high specific capacitance of 273,4 F/g. In addition, the synthesized nanomaterial showed a good reversibility and cycling stability. After charge-discharge 500 cycles, material maintained 80,4% of its initial specific capacitance. The GO/MnO2 nanocomposite is expected as electrode material for supercapacitors. Keywords: Supercapacitor, manganese dioxide, graphene oxide 1. GIỚI THIỆU ý bởi các ưu điểm như: có nguồn nguyên liệu tương đối rẻ, phong phú trong tự nhiên, cách Nghiên cứu và phát triển các nguồn năng chế tạo đơn giản và có thể theo nhiều phương lượng mới đang được nhiều nhà khoa học pháp khác nhau, tính dẫn điện và hoạt tính trên thế giới quan tâm, trong đó phải kể đến điện hóa tương đối tốt, rất thân thiện với môi siêu tụ. Siêu tụ là thiết bị tích trữ điện tích có trường [3,6]. Tuy nhiên, mangan đioxit lại mật độ tích trữ lớn và thời gian sống dài hơn chưa hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu kỹ so với pin, ắc quy, mặt khác nó có mật độ thuật của vật liệu siêu tụ do dung lượng riêng năng lượng cao hơn rất nhiều so với tụ điện và tuổi thọ chưa cao. Để cải thiện nhược điểm thông thường [1-7]. Các vật liệu có thể sử này, một số nghiên cứu gần đây cho thấy khi dụng cho siêu tụ gồm nhóm vật liệu cacbon, thêm graphen oxit vào mangan đioxit có thể nhóm vật liệu polyme, nhóm vật liệu oxit kim làm tăng tính chất điện hóa, khả năng ứng loại và rutini oxit (RuO2). Đặc biệt khi sử dụng của nó trong lĩnh vực siêu tụ. Và khi sử dụng các vật liệu nano thuộc các nhóm này dụng các phương pháp tổng hợp vật liệu khác như nano oxit kim loại, graphen, graphen oxit nhau, kết quả về dung lượng cũng như độ bền (GO), ống nanocacbon (CNT),… sẽ đem lại điện hóa của vật liệu là khác nhau [6-8]. các tính năng rất cao cho siêu tụ như dung lượng cao, tuổi thọ lớn, thân thiện với môi Trong bài báo này chúng tôi trình bày kết trường [2,4]. quả nghiên cứu tính chất điện hóa của vật liệu nanocompozit GO/MnO2 tổng hợp theo Trong số các vật liệu dùng cho siêu tụ, phương pháp kết tủa hóa học. mangan đioxit (MnO2) đã và đang được chú ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ 1 NĂM 2022 12
  2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 2. THỰC NGHIỆM 2.4. Phương pháp nghiên cứu 2.1. Hóa chất Hình thái bề mặt và cấu trúc của vật liệu được nghiên cứu bằng phương pháp chụp ảnh Các hóa chất chính sử dụng trong nghiên SEM, giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD). cứu gồm: KMnO4, MnCl2, Na2SO4, HCl, C2H5OH, PTFE, GO (loại PA), cacbon đen, Tính chất điện hóa của vật liệu điện cực keo bạc, keo epoxy, điện cực niken. được nghiên cứu theo phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (CV) thực hiện trên thiết bị 2.2. Thiết bị đo điện hóa đa năng PGSTAT 302N với dung Một số thiết bị được sử dụng nghiên cứu dịch điện li Na2SO4 1 M, tốc độ quét thế 10 như máy ly tâm, khuấy từ, cân phân tích có mV/s trong khoảng điện thế -0,1 đến 1,0 V. độ chính xác ± 10-4g (BP 211D, Đức), tủ sấy Dung lượng riêng của vật liệu được tính theo (Memmert, Đức), thiết bị chụp ảnh SEM công thức: C  I .t = Q (1) Hitachi-S4800 (Nhật Bản), phân tích XRD m.E m.E trên máy D8 Advance-Bruker (Đức) và thiết Trong đó: C là dung lượng riêng (Fg-1); I bị đo điện hóa đa năng PGSTAT 302N (Hà Lan). là cường độ điện phóng (hoặc nạp) trung bình (A); E – là khoảng quét thế (V); t – 2.3. Tổng hợp vật liệu và chế tạo điện cực là khoảng thời gian quét một chu kỳ (s); m – - Tổng hợp vật liệu MnO2: Cho 50 ml là khối lượng riêng của vật liệu (g); Q – là dung dịch KMnO4 0,02M vào 50 ml dung điện lượng phóng nạp (culong) và được tính t2 dịch MnCl2 0,03M đồng thời khuấy đều bằng bởi công thức: Q   i  t  dt (2) t1 khuấy từ. Kết tủa tạo thành được lọc rửa nhiều lần bằng nước cất ở nhiệt độ phòng, sau 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN đó sấy ở 110 oC trong 12h. 3.1. Hình thái bề mặt và cấu trúc vật liệu - Tổng hợp vật liệu GO/MnO2: Lấy 1,1 g Hình 1 trình bày ảnh SEM của vật liệu GO cho vào 50 ml dung dịch MnCl2 0,03M MnO2 và GO/MnO2. và khuấy đều trong 30 phút. Cho 50 ml dung dịch KMnO4 0,02M vào hỗn hợp trên, đồng thời khuấy đều. Kết tủa tạo thành được lọc rửa nhiều lần bằng nước cất ở nhiệt độ phòng, sau đó sấy ở 110 oC trong 12h. - Chế tạo mẫu điện cực nghiên cứu: Điện cực Ni được tẩy sạch dầu mỡ, hoạt hóa bằng axit HCl 1M, đem cân xác định khối lượng m1. Bột ép điện cực gồm GO/MnO2, cacbon đen và PTFE lấy theo tỉ lệ là 75: 15: 10 (về khối lượng). Hỗn hợp được trộn đều với etanol, sau đó cho vào khuôn kích thước 1cm  1cm, ép chặt lại, sấy ở 70 oC trong 2h, sấy tiếp ở 90 oC trong 2h và 110 oC trong 2h. Vật liệu sau khi ép được lấy ra khỏi khuôn, đem cân xác định khối lượng m2 và gắn lên điện cực niken bằng keo bạc. Dùng keo epoxy dán xung quanh điện cực và vật liệu điện cực, đem sấy ở 70 oC trong 2h. Khối lượng bột ép trên điện cực là: m = m2 – m1. Khối lượng thực tế của vật liệu hoạt động là khối lượng mẫu nghiên cứu: m = 75%.m. Hình 1: Ảnh SEM của vật liệu MnO2 (a), GO/MnO2 (b) ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ 1 NĂM 2022 13
  3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Ảnh SEM quan sát được cho thấy vật liệu liệu MnO2 và GO/MnO2 có dạng hình chữ MnO2 và GO/MnO2 có hình thái giống dạng nhật, giống với đường phóng nạp đặc trưng vảy xếp kiểu tổ ong, kích thước khoảng của tụ điện lý tưởng, do đó vật liệu có thể ứng 30÷40 nm. Quá trình tổng hợp vật liệu dụng cho siêu tụ. Tuy vật liệu MnO2 có đường CV giống hình chữ nhật hơn, nhưng GO/MnO2, có phản ứng: vật liệu GO/MnO2 có cường độ dòng phóng 2KMnO4+3MnCl2+2H2O→5MnO2+2KCl+4HCl nạp lớn hơn, chứng tỏ việc đưa GO vào MnO2 kết tủa và được phân bố đồng đều trên MnO2 có tác dụng làm tăng dung lượng riêng bề mặt GO (Hình 1b). Ảnh SEM cho thấy vật của vật liệu. Thật vậy, dung lượng riêng của liệu GO/MnO2 có bề mặt xốp, kích thước nhỏ từng vật liệu được tính toán theo công thức hơn so với vật liệu MnO2. (1), kết quả được thể hiện ở Bảng 1. Kết quả giản đồ XRD trình bày trên Hình Bảng 1: Dung lượng riêng của vật liệu MnO2 và GO/MnO2 (v = 10 mV/s) 2 cho thấy vật liệu MnO2 và GO/MnO2 (1/2) đều có pic đặc trưng ở 2 khoảng 37,1o và Vật liệu 66,4o ứng với dạng γ-MnO2. Khi thêm GO, Thông số thành phần pha của vật liệu MnO2 không thay MnO2 GO/MnO2 đổi. Cả hai vật liệu MnO2 và GO/MnO2 (1/2) m (mg) 2,4 2,4 có độ tinh thể thấp, chủ yếu ở trạng thái vô Q+ (mC) 587,47 740,26 định hình. Q- (mC) 545,61 703,28 400 MnO2 (a) Qtb (mC) 566,54 721,77 GO/MnO2 1/2 (b) 300 C (F/g) 214,6 273,4 Bảng 1 cho thấy, vật liệu MnO2 có biến Cöôøng ñoä 200 thiên điện lượng phóng nạp (∆Q = 41,86 culong) cao hơn so với của vật liệu GO/MnO2 (b) 100 (∆Q = 36,98 culong), chứng tỏ khi có mặt GO (a) hoạt động phóng nạp của vật liệu thuận nghịch hơn. Vật liệu GO/MnO2 có điện lượng 0 10 20 30 40 50 60 70 phóng nạp trung bình cao hơn, nên dung 2 theta lượng riêng của vật liệu lớn hơn so với vật Hình 2: Giản đồ XRD của vật liệu MnO2 (a) và liệu MnO2. Vật liệu GO/MnO2 có dung lượng GO/MnO2 (b) riêng tăng 27,4% so với dung lượng riêng của vật liệu MnO2. 3.2. Tính chất điện hóa 3.2.2. Độ bền phóng nạp 3.2.1. Đặc trưng CV và dung lượng riêng của vật liệu Bảng 2: Sự phụ thuộc dung lượng riêng của vật liệu vào số chu kỳ quét thế 3 (b) Dung lượng riêng (F/g) 2 Chu kỳ MnO2 GO/MnO2 1 (a) 10 214,6 273,4 i (mA/cm ) 2 0 100 205,1 248,5 200 193,8 232,7 -1 300 171,0 228,6 -2 400 164,2 222,5 -3 500 155,8 219,9 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 E (V) Độ bền phóng Hình 3: Đường cong CV của MnO2 (a), nạp sau 500 72,6% 80,4% GO/MnO2 (b) tại tốc độ quét thế 10 mV/s chu kỳ Hình 3 cho thấy đường cong CV của vật Độ bền phóng nạp của siêu tụ được nghiên ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ 1 NĂM 2022 14
  4. TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP VIỆT TRÌ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ cứu thông qua sự giảm dung lượng riêng của Lời cảm ơn vật liệu sau 500 chu kỳ quét thế trong dung Công trình này được thực hiện với sự hỗ dịch Na2SO4 1 M với tốc độ quét 20 mV/s. trợ về kinh phí của đề tài NCKH cấp trường Kết quả trình bày ở Bảng 2 và Hình 4. năm 2020 theo QĐ số 1063/QĐ-ĐHCNVT. 120 Tài liệu tham khảo 100 1. Ming Huang, Fei Li, Fan Dong, Yu Xin Zhang, Li Li Zhang (2015), .” MnO2 -based 80 nanostructures for high-performance %C (b) supercapacitors”, Journal of Materials (a) Chemistry 3A (43) , 21380-21423. 60 2. Sharma RK, Rastogi AC, Desu SB (2008), “Manganese oxide embedded polypyrrole 40 0 100 200 300 400 500 600 nanocomposites for electrochemical Chu kyø supercapacitor. Electrochimica Acta, 53:7690-7695. Hình 4: Sự giảm dung lượng riêng của vật liệu MnO2 (a) và GO/MnO2 (b) 3. R. Aswathy, Y. Munaiah, P. Ragupathy (2016), “Unveiling the charge storage Kết quả Bảng 2 và Hình 4 cho thấy, vật mechanism of layered and tunnel structures liệu MnO2 và GO/MnO2 có dung lượng riêng of manganese oxides as electrodes for giảm khi số chu kỳ quét thế tăng, điều này có supercapacitors”, Journal of the thể do sự mài mòn vật liệu trong quá trình Electrochemical Society, 163 (7), 1460- hoạt động hoặc sự suy giảm đặc tính cài và 1468. giải cài của vật liệu trong quá trình quét thế. 4. Sherif A. El-Khodary, Gaber M. El-Enany, Sự suy giảm này sẽ nhỏ nếu quá trình cài và Mohamed El-Okr, Medhat Ibrahim (2014), giải cài diễn ra thuận lợi, ít làm thay đổi thể “Preparation and characterization of tích của vật [3,6]. microwave reduced graphite oxide for high- Từ các kết quả trên cho thấy sự có mặt của performance supercapacitors”, GO không làm thay đổi cấu trúc vật liệu Electrochimica Acta, 150, 269–278. MnO2, mà có tác dụng giảm kích thước, tăng 5. Wang GX, Yang J, Park J, Gou XL, Wang độ xốp, tăng dung lượng riêng và độ bền B, Liu H, Yao J (2008), “Facile synthesis and phóng nạp cho vật liệu. characterization of graphene nanosheets. J 4. KẾT LUẬN Phys Chem, 112:8192-8195. Đã tổng hợp thành công vật liệu nano 6. Sheng Chen, Junwu Zhu, Xiaodong Wu, compozit GO/MnO2 theo phương pháp kết Qiaofeng Han, and Xin Wang (2010), tủa hóa học. Vật liệu chủ yếu ở dạng vô định “Graphene oxide-MnO2 nanocomposites for hình, có cấu trúc nano (30 ÷ 40 nm), bề mặt supercapacitors”, American Chemical xốp. Society, 4, 2822–2830. 7. Huanping Yang, Jian Jiang, Weiwei Zhou, Bằng phương pháp quét thế vòng tuần Linfei Lai, Lifei Xi, Yeng Ming Lam, hoàn (CV), nghiên cứu tính chất điện hóa của Zexiang Shen, Bahareh Khezri and Ting Yu vật liệu MnO2 và GO/MnO2 trong dung dịch (2011), “Influences of graphene oxide điện li Na2SO4 1 M cho thấy vật liệu hoạt support on the động có tính thuận nghịch cao, ổn định. Vật electrochemical performances of graphene liệu GO/MnO2 có dung lượng riêng đạt 273,4 oxide-MnO2 nanocomposites”, Nanoscale F/g cao hơn vật liệu MnO2 214,6 F/g và sau Research Letters, 531-538. khi quét thế 500 chu kỳ, vật liệu có dung lượng riêng còn duy trì 80,4% so với ban đầu. 8. Chen S, Zhu JW, Wang X (2010), “From graphene to metal oxide nanolamellas: a phenomenon of morphology transmission”, ACS Nano, 4:6212-6218. ĐẶC SAN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ / SỐ 1 NĂM 2022 15
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí
65 tài liệu
2428 lượt tải
THÔNG TIN
TRỢ GIÚP
HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG
Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.

 

Đồng bộ tài khoản
5=>2