Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở cacbon, coban ferrit và MXene-Ti3C2 ứng dụng làm điện cực trong siêu tụ điện

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở cacbon, coban ferrit và MXene-Ti3C2 ứng dụng làm điện cực trong siêu tụ điện" được nghiên cứu với mục tiêu: Tổng hợp thành công vật liệu compozit trên cơ sở cacbon, coban ferrit và Mxene Ti3C2 có nhiều đặc tính tốt sử dụng trong tích trữ và chuyển hóa năng lượng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở cacbon, coban ferrit và MXene-Ti3C2 ứng dụng làm điện cực trong siêu tụ điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGÔ VĂN HOÀNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOZIT TRÊN CƠ SỞ CACBON, COBAN FERRIT VÀ MXENE-Ti3C2 ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC TRONG SIÊU TỤ ĐIỆN Ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 9 52 03 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2024
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Nguyễn Trần Hùng 2. TS. Phùng Xuân Thịnh Phản biện 1: PGS. TS Nguyễn Xuân Viết Trường Đại học Khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội Phản biện 2: PGS. TS Lê Trọng Lư Viện Hàn lâm khoa học và Công nghệ Việt Nam Phản biện 3: PGS. TS Nguyễn Mạnh Tường Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án TS cấp Viện họp tại: Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Vào hồi: giờ phút, ngày … tháng … năm 2024. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam. - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ [CT1]. Hoanh Van Ngo, Hung Tran Nguyen, Hieu Trung Le, Thanh Huu Le, Thien Tri Vu, Kien Trung Pham, Thinh Xuan Phung (2023). “Enhancement of electrochemical properties of porous rGO by controlled growth CoFe 2O4 nanoparticles”. Journal of Materials Science: Materials in Electronics, (2023), Vol 34, pp. 1707-1717. [CT2]. Hoanh Van Ngo, Tuong Manh Nguyen, Hung Tran Nguyen, Hieu Trung Le, Thanh Huu Le, Kien Trung Pham, Hoang Thanh Le, Thinh Xuan Phung (2023). “Synthesis and Electrochemical Characterization of rGO/CoFe2O4 Naocomposite Material”. VNU Journal of Science, Vol 39, No.3, pp. 82-89. [CT3]. Ngo Van Hoanh, Phung Xuan Thinh, Le Huu Thanh, Le Trung Hieu, Ngo Tien Quyet, Nguyen Tran Hung (2023). “Reduced graphene oxide aerogel for supercapacitor electrode”. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Vol 89, pp. 67-72. [CT4]. Hoanh Van Ngo, Hung Tran Nguyen, Hieu Trung Le, Thanh Huu Le, Thinh Xuan Phung (2023), “Enhanced Electrochemical Performance of Porous Carbon Aerogel Derived from Waste Paper for Supercapacitor Applications”. Tạp chí Phân tích Hóa Lý Y sinh học, Vol 29, pp. 207-213. [CT5]. Ngô Văn Hoành, Phùng Xuân Thịnh, Lê Trung Hiếu, Nguyễn Văn Cành, Hồ Ngọc Minh, Nguyễn Minh Việt, Nguyễn Trần Hùng (2024), “Chế tạo và đặc trưng điện hóa vật liệu 2D Mxene Ti3C2”. Tạp chí Khoa học và Công nghệ Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, tập 60, số 3, pp. 25-30.
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Các thiết bị tích trữ và chuyển hóa năng lượng được nghiên cứu và ứng dụng trong mọi mặt của đời sống và sản xuất. Siêu tụ điện (super capacitor) là loại thiết bị tích trữ và chuyển hóa năng lượng có mật độ năng lượng lớn và tốc độ phóng nạp rất nhanh. Vật liệu sử dụng cho chế tạo điện cực siêu tụ điện rất đa dạng về chủng loại. Vật liệu compozit trên cơ sở cacbon xốp, oxit kim loại chuyển tiếp và MXene được cho là có nhiều triển vọng trong siêu tụ điện nhưng vẫn đang ở các nghiên cứu ban đầu. Các công trình chủ yếu giới thiệu các phương pháp chế tạo vật liệu mà chưa khảo sát kỹ lưỡng các điều kiện ảnh hưởng cũng như chưa đi sâu vào giải thích ảnh hưởng của các loại vật liệu đến đặc tính điện hóa. Do đó, luận án “Nghiên cứu chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở cacbon, coban ferrit và MXene-Ti3C2 ứng dụng làm điện cực trong siêu tụ điện” mang nhiều ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Tổng hợp thành công vật liệu compozit trên cơ sở cacbon, coban ferrit và Mxene Ti3C2 có nhiều đặc tính tốt sử dụng trong tích trữ và chuyển hóa năng lượng. - Ứng dụng vật liệu tổng hợp được để chế tạo điện cực siêu tụ điện có điện dung riêng lớn, tốc độ nạp xả nhanh, tuổi thọ cao. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu a - Đối tượng: - Vật liệu trên cơ sở cacbon, coban ferrit và MXene Ti3C2 - Thiết bị tích trữ và chuyển hóa năng lượng: siêu tụ điện. b - Phạm vi: - Các phương pháp chế tạo hệ vật liệu compozit trên cơ sở cacbon, coban ferrit và MXene Ti3C2 - Đặc tính bề mặt, tính chất hóa lý và tính năng sử dụng trong tích trữ và chuyển hóa năng lượng của vật liệu điện cực compozit. 4. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan về siêu tụ điện, vật liệu điện cực trên cơ sở compozit của vật liệu cacbon, oxit kim loại chuyển tiếp, MXene. - Nghiên cứu chế tạo và đánh giá đặc trưng cấu trúc, đặc tính điện hóa của các vật liệu cacbon xốp: cacbon aerogel, rGO. - Nghiên cứu chế tạo và đánh giá đặc trưng cấu trúc, đặc tính điện hóa của compozit rGO/CoFe2O4. - Nghiên cứu chế tạo và đánh giá đặc trưng vật liệu, đặc tính điện
2 hóa của MXene Ti3C2. - Nghiên cứu chế tạo và đánh giá đặc trưng vật liệu, đặc tính điện hóa của vật liệu compozit rGO@MXene/CoFe2O4. 5. Phương pháp nghiên cứu - Chế tạo vật liệu cacbon như cacbon aerogel, rGO aerogel, rGO/CoFe2O4 và rGO@MXene/CoFe2O4 bằng phương pháp đúc đông lạnh, kết hợp khử ở nhiệt độ cao. - Đánh giá đặc trưng vật liệu bằng các phương pháp: BET, SEM, TEM, HRTEM, XRD, EDX, SEAD, Raman, FT-IR. - Xác định đặc trưng điện hóa vật liệu bằng các phương pháp: Phương pháp quét thế tuần hoàn (CV); Phương pháp phóng nạp dòng không đổi (GCD); Phương pháp phổ tổng trở (EIS). 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Luận án này cung cấp một phương pháp giản tiện để chế tạo vật liệu compozit đa cấu trúc trên cơ sở cacbon cấu trúc 3D, MXene cấu trúc 2D và hạt nano oxit coban ferrit. Luận án đã phân tích đánh giá một cách có hệ thống các đặc trưng cấu trúc, thành phần và đặc tính điện hóa của hệ vật liệu trên. Các vật liệu được chế tạo trong luận án đều cho đặc tính điện hóa tốt, nổi bật so với các nghiên cứu tương tự đã được công bố. Các kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu chế tạo vật liệu điện cực ứng dụng trong siêu tụ điện và thiết bị tích trữ năng lượng. Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu chế tạo thành công các loại vật liệu điện cực siêu tụ điện có đặc tính điện hóa cao, giá thành hợp lý có thể góp phần phát triển lĩnh vực nghiên cứu, sản xuất vật liệu điện cực, định hướng ứng dụng trong các thiết bị tích trữ và chuyển hóa năng lượng. 7. Bố cục của luận án Ngoài các phần Mở đầu, Kết luận, Danh mục công trình công bố và Tài liệu tham khảo, Luận án được bố cục thành 3 chương nội dung chính: Chương 1: Tổng quan, Chương 2. Thực nghiệm, Chương 3. Kết quả và thảo luận. Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về siêu tụ điện Giới thiệu về lịch sử phát triển, cấu tạo, cơ chế hoạt động, sự khác nhau giữa siêu tụ điện và nguồn điện hóa học khác. 1.2 Vật liệu điện cực ứng dụng trong siêu tụ điện Vật liệu được nghiên cứu và ứng dụng chế tạo điện cực siêu tụ điện
3 gồm các loại vật liệu lớp kép như vật liệu cacbon (than hoạt tính, CNTs, graphen, cacbon aerogel) và vật liệu giả điện dung (oxit kim loại). Mỗi loại vật liệu đơn lẻ đều có các mặt hạn chế. Việc sử dụng hai hay nhiều loại vật liệu để chế tạo vật liệu compozit có đặc trưng lý hóa tốt, đặc tính điện hóa cao đang là xu hướng hiện nay. Vật liệu cacbon như cacbon aerogel, rGO aerogel có độ xốp cao, độ dẫn điện lớn, là loại vật liệu điện cực lớp kép tốt, có độ ổn định cao. Coban ferrit là oxit đa kim loại khi sử dụng để chế tạo điện cực siêu tụ điện cho điện dung riêng lý thuyết lớn, tốc độ phóng nạp cao. Vật liệu 2D MXene là loại vật liệu mới, thu hút sự quan tâm nghiên cứu cho lĩnh vực siêu tụ điện. Sử dụng coban ferrit và MXene Ti3C2 để biến tính vật liệu cacbon như rGO aerogel thu được vật liệu compozit có điện dung riêng cao, độ bền phóng nạp tốt, tốc độ phóng nạp nhanh, có thể ứng dụng trong chế tạo siêu tụ điện trong tương lai. 1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước Một số công trình trong nước đã thành công chế tạo các hệ vật liệu compozit trên cơ sở vật liệu cacbon và các oxit kim loại chuyển tiếp. Tuy nhiên, chưa có công bố về chế tạo vật liệu compozit của cacbon xốp, CoFe2O4 và MXene. Chương 2 THỰC NGHIỆM 2.1 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị thí nghiệm Luận án sử dụng các loại hóa chất tinh khiết như: Graphit bột, Axit sulfuric, Axit photphoric, Axit flohydric, Kali permaganat, Natri hydroxit, Etanol, Ure, Hydro peroxit, Kali hydroxit, Coban nitrat, Sắt nitrat, Amoniac, Titan nhôm carbid, Nước deion, PVDF, super P, NMP. Dụng cụ thí nghiệm chủ yếu: cốc thủy tinh, bình tam giác, cốc cân, nhiệt kế, pipet, bình tia nước cất, ống ly tâm Thiết bị thí nghiệm bao gồm: Máy khuấy từ, Tủ sấy chân không, Cân phân tích, Thiết bị siêu âm, Thiết bị làm lạnh, Thiết bị đông khô, Máy nghiền bi hành tinh, Lò nung chân không. 2.2 Phương pháp chế tạo vật liệu 2.2.1 Phương pháp chế tạo cacbon aerogel Ngâm 2 g vụn giấy trong 80 mL nước deion trong thời gian 1 giờ. Cho 5g NaOH và 3 g ure vào hỗn hợp, siêu âm trong vòng 30 phút, làm lạnh về -20ᵒC. Rửa sạch hỗn hợp bằng etanol và nước deion đến khi pH trung tính thu được cellulose gel. Làm lạnh mẫu gel về -40ᵒC trong 8 giờ, làm khô trong thiế bị đông khô trong 48 giờ thu được cellulose aerogel. Nung mẫu cellulose aerogel ở 800ᵒC ở môi trường khí N2 trong
4 90 phút thu được cacbon aerogel. 2.2.2 Phương pháp chế tạo rGO aerogel GO được chế tạo bằng phương pháp Hummer. Vật liệu GO aerogel được tạo mẫu bằng phương pháp đúc đông lạnh: dung dịch phân tán GO được rung siêu âm trong 30 phút, đổ vào khuôn làm lạnh đến -40ᵒC trong 2 giờ, đông khô ở -80ᵒC trong 24 giờ thu được GO aerogel. GO aerogel được khử nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau, lần lượt là 300°C, 500°C, 700°C và 900°C trong 2 giờ trong môi trường khí N2, thu được rGO aerogel. 2.2.3 Phương pháp chế tạo vật liệu compozit rGO/CoFe2O4 Vật liệu compozit rGO/CoFe2O4 được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa với hai muối tiền chất là Co(NO3)2 và Fe(NO3)3. Vật liệu được tạo xốp bằng phương pháp đúc đông lạnh ở -40oC, sấy đông khô và nung trong môi trường khí N2 ở 500oC trong 2 giờ. Ảnh hưởng của hàm lượng CoFe2O4 đến đặc tính vật liệu được khảo sát khi điều chỉnh lượng muối Co(NO3)2 và Fe(NO3)3 đưa vào 50 mL GO (10 mg/mL), pH dung dịch được cố định ở pH=12. Thu được các mẫu rGO/CoFe2O4-x với x là nồng độ Fe(NO3)3.9H2O sử dụng (10-4 mol/L. Ảnh hưởng của pH dung dịch đến đặc tính vật liệu rGO/CoFe2O4 được khảo sát ở các giá trị pH= 8, 9, 10, 11, 12 khi cố định nồng độ muối Fe(NO3)3.9H2O là 0,0003 mol/L. Thu được các mẫu rGO/CoFe2O4-y với y là pH hỗn hợp sử dụng chế tạo mẫu. 2.2.4 Phương pháp chế tạo MXene Ti3C2 Vật liệu MXene Ti3C2 được chế tạo bằng phương pháp ăn mòn Ti3AlC2 trong axit HF 40%. Vật liệu MXene kí hiệu là Ti3C2-z, với z là thời gian phản ứng tách lớp. 2.2.5 Phương pháp chế tạo vật liệu compozit rGO@MX/ CoFe2O4 Vật liệu rGO@MX/CoFe2O4 được chế tạo bằng phương pháp đồng kết tủa CoFe2O4 trong hỗn hợp của GO và MXene. Hỗn hợp được ly tâm và rửa về trung tính, tạo xốp bằng phương pháp đúc đông lạnh ở -40oC, sấy đông khô và nung trong môi trường khí N2 ở 500oC thu được vật liệu compozit rGO@MX-α/CoFe2O4. Trong đó, α là tỷ lệ khối lượng giữa MXene và rGO (MXene:rGO= α:10). 2.3 Phương pháp khảo sát đặc trưng vật liệu Các mẫu vật liệu được khảo sát đặc trưng bề mặt, cấu trúc bằng phương pháp SEM-EDX, TEM, BET, IR, XRD, Raman, SEAD.
5 2.4 Phương pháp đánh giá đặc tính điện hóa của vật liệu 2.4.1 Phương pháp chế tạo điện cực Nghiền hỗn hợp vật liệu: PVDF: Super P: NMP =80:10:10:500 . bằng máy nghiền bi hành tinh với tốc độ 500 vòng/phút trong 1 giờ. Nhúng màng nikel foam (đường kính 0,8 mm) vào hỗn hợp trên sao cho khối lượng hỗn hợp phủ lên màng nikel khoảng 3 mg. Sấy màng nikel sau khi phủ vật liệu điện cực trong tủ sấy chân không ở 80°C trong 8 giờ thu được điện cực siêu tụ điện. 2.4.2 Phương pháp lắp ghép siêu tụ điện Lớp cách sử dụng là màng xenlulo chiều dày 60 µm. Ngâm 02 điện cực và 01 lớp cách vào 50 mL dung dịch điện ly KOH 6 M, hút chân không trong 1 giờ để loại bỏ bọt khí. Lần lượt đặt điện cực và lớp cách vào hệ tụ điện, kẹp hai đầu cực siêu tụ vào dây tín hiệu của thiết bị Autolab PGSTAT309n. 2.4.3 Phương pháp quét thế tuần hoàn Khảo sát ở các tốc độ quét khác nhau lần lượt là 5 mV/s, 10 mV/s, 20 mV/s, 50 mV/s và 100 mV/s với cửa sổ điện thế 0 V-1,0 V. 2.4.2 Phương pháp phóng nạp dòng không đổi Đồ thị phóng nạp dòng không đổi được khảo sát ở các mật độ dòng điện I lần lượt là 0,1 A/g, 0,2 A/g; 0,3 A/g; 0,4 A/g; 0,5 A/g và 1,0 A/g. 2.4.3 Phương pháp phổ tổng trở Phổ tổng trở được khảo sát ở dòng điện xoay chiều biên độ Uo= 5 mV, tần số biên thiên 0,01Hz-100 kHz. Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đặc trưng vật liệu và đặc trưng điện hóa của cacbon xốp 3.1.1 Đặc trưng vật liệu và đặc tính điện hóa của cacbon aerogel. 3.1.1.1 Đặc trưng vật liệu của vật liệu cacbon aerogel Hình 3.1 Đường hấp phụ - giải hấp phụ đẳng nhiệt khí N2 (a) và phân bố lỗ xốp (b) của mẫu cacbon aerogel
6 Hình 3.2 Ảnh SEM (a) và kết quả EDX (b) của mẫu vật liệu cacbon Hình 3.3 Kết quả đo EDX mapping mẫu cacbon aerogel Hình 3.4 Phổ IR (a) và giản đồ nhiễu xạ tia X của cacbon aerogel Vật liệu cacbon aerogel chế tạo từ giấy có độ xốp cao với diện tích bề mặt riêng đạt 233,9 m2/g, thể tích lỗ xốp đạt 1,18 cm3/g. Vật liệu có cấu trúc gồm các sợi cacbon dài khoảng 300 µm, đường kính trung bình khoảng 50 nm cuộn xếp đan xen nhau. Vật liệu có độ sạch và độ graphit cao với lượng nhỏ nhóm chức chứa oxi trên bề mặt.
7 3.1.1.2 Đặc tính điện hóa của cacbon aerogel Vật liệu cacbon aerogel thể hiện đặc tính điện hóa của vật liệu lớp kép điển hình với tính thuận nghịch trong quá trình phóng nạp tốt, điện dung riêng đạt 94 F/g (0,1 A/g), điện trở nội Rs= 6,2 Ω, điện trở chuyển điện tích Rct= 8,4 Ω, tuổi thọ phóng nạp đạt 92,5% sau 1000 chu kỳ. So sánh kết quả các nghiên cứu tương tự, vật liệu cabon aerogel đã chế tạo có đặc tính điện hóa khá tốt, có nhiều tiềm năng ứng dụng trong chế tạo siêu tụ điện. Hình 3.5 Đặc trưng điện hóa của vật liệu cacbon aerogel 3.1.2 Đặc trưng vật liệu và đặc tính điện hóa của rGO aerogel 3.1.2.1 Đặc trưng vật liệu rGO aerogel Các mẫu vật liệu thu được vi cấu trúc gồm các tấm rGO xếp đan xen tạo thành các mao quản và lỗ xốp cỡ trung bình đến lớn. Ở nhiệt độ khử là 500oC, mẫu rGO aerogel thu được có hàm lượng cacbon cao, diện tích bề mặt riêng lớn, đạt 279 m2/g, thể tích lỗ xốp 0,23 cm3/g. Hình 3.6 Đường cong đẳng nhiệt hấp phụ - giải hấp phụ (a) và phân bố lỗ xốp (b) của rGO aerogel
8 Hình 3.7 Ảnh SEM các mẫu rGO aerogel khử ở 300°C (a); 500°C (b); 700°C (c) và 900°C (d) Hình 3.8 Kết quả phân tích EDX của GO và rGO khử ở các nhiệt độ khác nhau Hình 3.9 Giản đồ XRD của mẫu rGO aerogel ở nhiệt độ khử khác nhau
9 Hình 3.10 Phổ IR (a) và phổ Raman (b) của vật liệu rGO aerogel 3.1.2.2 Đặc tính điện hóa của rGO aerogel Hình 3.11 Đường cong quét thế tuần hoàn (a) và đồ thị phóng nạp (b) của rGO aerogel Hình 3.12 Điện dung riêng và phổ tổng trở của các mẫu rGO aerogel Hình 3.13 Phổ tổng trở (a) và tuổi thọ phóng nạp (b) của rGO aerogel
10 Các mẫu rGO aerogel đều cho thấy đặc tính điện hóa của vật liệu lớp kép với tính thuận nghịch phóng nạp cao, điện trở thấp, tuổi thọ phóng nạp dài. Ở điều kiện khử 500oC, mẫu rGO aerogel có điện dung riêng đạt 115 F/g (0,1 A/g), điện trở nội Rs = 0,3 Ω, điện trở chuyển điện tích đạt Rct = 0,6 Ω, tuổi thọ phóng nạp đạt 93% sau 1000 chu kỳ. Vật liệu rGO aerogel có đặc tính điện hóa tương cao hơn so với vật liệu cacbon aerogel. 3.2 Đặc trưng vật liệu và đặc tính điện hóa vật liệu compozit của rGO aerogel và CoFe2O4 3.2.1 Ảnh hưởng của nồng độ muối 3.2.1.1 Ảnh hưởng của nồng độ muối đến đặc trưng vật liệu rGO/CoFe2O4 Hình 3.14 Đường cong hấp phụ - giải hấp phụ khí N2 (a) và phân bố lỗ xốp (b) của vật liệu rGO/CoFe2O4 Hình 3.15 Ảnh SEM mẫu vật liệu CoFe2O4 (a), rGO/CoFe2O4-1(b), rGO/CoFe2O4-2 (c), rGO/CoFe2O4-3 (d), rGO/CoFe2O4-4 (e); rGO (f)
11 Hình 3.16 Ảnh TEM mẫu vật liệu rGO/CoFe2O4-3 Hình 3.17 Kết quả phân tích EDX của các mẫu rGO/CoFe2O4 Hình 3.18 Giản đồ nhiễu xạ tia X (a) và phổ Raman (b) rGO/CoFe2O4 Vật liệu rGO/CoFe2O4 được chế tạo thành công bằng phương pháp đồng kết tủa CoFe2O4 lên bề mặt tấm GO kết hợp với khử ở nhiệt độ cao. Vật liệu thu được có cấu trúc xốp gồm các tấm rGO xếp đan xen và các hạt CoFe2O4 phân bố khá đồng đều trên bề mặt. Hàm lượng muối
12 Co(NO3)2 và Fe(NO3)3 sử dụng trong quá trình chế tạo tăng dần khiến độ xốp vật liệu có xu hướng giảm, kích thước hạt CoFe2O4 có xu hướng tăng. 3.2.1.2 Ảnh hưởng của nồng độ muối đến đặc tính điện hóa vật liệu rGO/CoFe2O4 Hình 3.19 Đường cong quét thể tuần hoàn ở tốc độ 20 mV/s (a) và đồ thị phóng nạp (b) của các mẫu vật liệu rGO/CoFe2O4 Hình 3.20 Đường cong quét thế tuần hoàn và đồ thị phóng nạp của mẫu rGO/CoFe2O4-3 Hình 3.21 Phổ tổng trở (a) và tuổi thọ phóng nạp (b) của vật liệu rGO/CoFe2O4 Các mẫu rGO/CoFe2O4 có tính thuận nghịch cao trong quá trình phóng nạp. Mẫu rGO/CoFe2O4-3 có điện dung riêng lớn nhất đạt 283
13 F/g, 265 F/g, 253 F/g, 242 F/g và 232 F/g lần lượt ở mật độ dòng 0,1 A/g, 0,2 A/g, 0,3 A/g, 0,5 A/g à 1,0 A/g. Khi mật độ dòng đạt 1,0 A/g, điện dung riêng vẫn duy trì đạt 82% so với mật độ dòng 0,1 A/g. Vật liệu rGO/CoFe2O4 có điện trở nội cao nhưng lại có điện trở chuyển điện tích thấp hơn hẳn vật liệu rGO. Điều này chứng tỏ rằng, rGO/CoFe2O4 cho khả năng khuếch tán điện tích tốt hơn hẳn so với hai mẫu rGO và rGO/CoFe2O4. 3.2.2 Ảnh hưởng của pH dung dịch 3.2.2.1 Ảnh hưởng của pH dung dịch đến đặc trưng vật liệu rGO/CoFe2O4 Hình 3.22 Giản đồ hấp phụ-giải hấp phụ khí N2 (a) và phân bố lỗ xốp (b) của các mẫu rGO/CoFe2O4 Hình 3.23 Ảnh SEM rGO aerogel (a) rGO/CoFe2O4-8, (b) rGO/CoFe2O4-9, (c) rGO/CoFe2O4-10, (d) rGO/CoFe2O4-11, (e) rGO/CoFe2O4-12 và (f) rGO aerogel
14 Hình 3.24 Ảnh TEM của mẫu rGO/CoFe2O4-10 Hình 3.25 Giản đồ nhiễu xạ tia X (a), phổ Raman (b) rGO/CoFe2O4-10 pH dung dịch ảnh hưởng mạnh đến đặc trưng vật liệu rGO/CoFe2O4. Vật liệu rGO/CoFe2O4-10 có diện tích bề mặt và thể tích lỗ xốp lớn hơn các mẫu còn lại, các hạt CoFe2O4 phân bố đồng đều trên bề mặt. Khi tăng pH, xuất hiện hiện tượng kết tụ các hạt CoFe2O4. 3.2.2.2 Ảnh hưởng của pH đến đặc trưng vật liệu rGO/CoFe2O4 Hình 3.26 Đường cong quét thế tuần hoàn của các mẫu rGO/CoFe2O4 ở tốc độ 20 mV/s
15 Hình 3.27 Ảnh hưởng của pH đến điện dung riêng của rGO/CoFe2O4 Hình 3.28 Độ bền phóng nạp của mẫu vật liệu rGO/CoFe2O4-10 Sau khi biến tính bằng CoFe2O4, vật liệu rGO aerogel/CoFe2O4 có đặc tính điện hóa vượt trội so với rGO aerogel, với điện trở nội Rs = 0,007 Ω, điện trở chuyển điện tích Rct = 0,26 Ω điện dung riêng đạt 383 F/g (0,1 A/g) 383 F/g (0,1 A/g), mật độ năng lượng đạt 47,9 Wh/kg, tuổi thọ phóng nạp đạt 91,5 % (sau 1000 chu kỳ phóng nạp). Vật liệu compozit rGO/CoFe2O4 có điện dung riêng lớn, điện trở thấp, tính thuận nghịch và tốc độ phóng nạp cao hơn đáng kể so với vật liệu rGO aerogel. Điều đó có được là do hiệu ứng hiệp đồng giữa vật liệu nền rGO xốp và các hạt nano CoFe2O4 phân bố đồng đều trên bề mặt. Trong đó, rGO xốp có tính dẫn điện cao đóng vai trò như các kênh chuyển dịch điện tử, còn các hạt CoFe2O4 là các tâm hoạt động cung cấp một lượng điện tử lớn trong thời gian ngắn, thông qua phản ứng oxi hóa khử trong môi trường dung dịch điện ly. 3.3 Đặc trưng cấu trúc và đặc tính điện hóa của vật liệu MXEne Ti3C2 3.3.1 Đặc trưng vật liệu MXene Ti3C2 Vật liệu MXene Ti3C2 được chế tạo bằng phương pháp ăn mòn tách lớp từ nguyên liệu là Ti3AlC2 trong dung dịch axit HF 40%. Thời gian phản ứng ăn mòn là tác nhân chính ảnh hưởng đến cấu trúc, thành phần
16 MXene, và đặc tính điện hóa của vật liệu MXene thu được. Với thời gian phản ứng là 60 giờ, MXene thu được có cấu trúc 2D rõ ràng với hàm lượng Al thấp cho thấy quá trình tách lớp đã diễn ra hầu như hoàn toàn. Hình 3.29 Ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét mẫu vật liệu (a) Ti3AlC2, (b) Ti3C2-24, (c) Ti3C2-36, (d) Ti3C2-48, (e) Ti3C2-60 và (f) Ti3C2-72 Hình 3.30 Kết quả phân tích EDX của các mẫu Ti3AlC2 (a), Ti3C2-24
17 (b), Ti3C2-36 (c), Ti3C2-48 (d), Ti3C2-60 (e) và Ti3C2-72 (f) Hình 3.31 Giản đồ nhiễu xạ tia X (a) và phổ Raman (b) của MAX và MXene 3.3.2 Đặc tính điện hóa vật liệu MXene Ti3C2 Vật liệu MXene Ti3C2 cho khả năng phóng nạp tuần hoàn tốt ở nhiều mật độ dòng khác nhau. Điện cực cũng duy trì điện duy riêng tốt với mật độ dòng cao, điện dung riêng đạt 98 F/g, 85 F/g, 80 F/g, 76 F/g và 70 F/g ở mật độ dòng lần lượt là 0,1 A/g, 0,2 A/g, 0,3 A/g, 0,5 A/g và 1,0 A/g. Giản đồ thể hiện dung lượng riêng trong 1000 chu kỳ phóng nạp cho thấy, điện cực MXene Ti3C2 cho khả năng duy trì điện dung đạt tới 83,5% so với mức ban đầu. Hình 3.32 Đặc trưng điện hóa của các mẫu MXene Ti3C2