NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO SULFIDE KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP (Co, Cu, Mn) ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC SIÊU TỤ ĐIỆN
Hóa vô cơ
Luận án tập trung nghiên cứu chế tạo vật liệu nano sulfide kim loại chuyển tiếp (Co, Cu, Mn) nhằm ứng dụng làm điện cực cho siêu tụ điện, một loại linh kiện lưu trữ năng lượng có khả năng nạp/phóng siêu nhanh và tuổi thọ dài nhưng còn hạn chế về mật độ năng lượng. Mục tiêu chính là tăng điện dung riêng của vật liệu điện cực, kết hợp cả hiệu ứng điện dung lớp điện tích kép và giả điện dung thông qua việc tổng hợp các vật liệu lai cấu trúc nano và đa hóa trị.
Nghiên cứu đã tổng hợp thành công năm hệ vật liệu nano sulfide kim loại chuyển tiếp, bao gồm CoS, CuCo2S4/rGO, MnCo2S4-NS và MnCo2S4/rGO. Các vật liệu này được chế tạo bằng nhiều phương pháp như thủy nhiệt một bước, trao đổi anion và kỹ thuật in 3D trực tiếp, tạo ra các điện cực lai hóa với cấu trúc nano liên kết tốt, độ dẫn điện và độ ổn định cơ học cao.
Đối với vật liệu CoS, phương pháp thủy nhiệt tạo ra cấu trúc nano tấm xếp lớp, trong đó điện cực CoS-3/CNT đạt điện dung riêng 380,5 Fg⁻¹ tại 2,5 A g⁻¹. Phương pháp trao đổi anion cải thiện đáng kể hoạt tính điện hóa, với CoS-SS/CNT và CoS-TU/CNT đạt điện dung riêng lần lượt là 1236 và 1502 Fg⁻¹ tại 2,5 A g⁻¹, duy trì trên 96% dung lượng sau 5000 chu kỳ.
Vật liệu CuCo2S4/rGO với cấu trúc xốp nano 3D (nhờ thăng hoa phenol) giúp tăng diện tích tiếp xúc, cải thiện hiệu suất điện hóa, đạt điện dung riêng 1257 Fg⁻¹ tại 5 A g⁻¹ và duy trì hiệu suất Coulombic gần 100% sau 20.000 chu kỳ.
Vật liệu MnCo2S4-NS có cấu trúc tấm nano liên kết chặt chẽ với đế graphite, cho điện dung riêng trên 2000 Fg⁻¹ tại 2 A g⁻¹ và duy trì hơn 90% dung lượng sau 10.000 chu kỳ. Đặc biệt, vật liệu composite MnCo2S4/rGO thể hiện hoạt tính điện hóa vượt trội với điện dung riêng cực đại 3812,5 Fg⁻¹ tại 2 A g⁻¹ và độ bền chu kỳ ấn tượng, chỉ sụt giảm 7,8% sau 22.000 chu kỳ.
Luận án cũng chế tạo thành công hai mẫu siêu tụ điện đối xứng MnCo2S4//MnCo2S4 và MnCo2S4/rGO//MnCo2S4/rGO. Mẫu sử dụng MnCo2S4/rGO đạt điện dung riêng 316,2 Fg⁻¹ tại 1 A g⁻¹, mật độ năng lượng 43,91 Wh kg⁻¹ và mật độ công suất 505 W kg⁻¹, chứng tỏ tiềm năng ứng dụng cao cho các siêu tụ điện năng lượng và công suất lớn. Nghiên cứu này đóng góp vào việc tổng hợp, đặc trưng và ứng dụng công nghệ in 3D trong chế tạo điện cực cho siêu tụ điện.