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
Kỹ thuật hóa học
Luận án tập trung nghiên cứu và chế tạo vật liệu compozit trên cơ sở cacbon, coban ferrit và MXene-Ti3C2 để ứng dụng làm điện cực trong siêu tụ điện. Siêu tụ điện được đánh giá là thiết bị tích trữ và chuyển hóa năng lượng quan trọng với mật độ năng lượng lớn và tốc độ phóng nạp nhanh. Tuy nhiên, các vật liệu hiện có như cacbon xốp, oxit kim loại chuyển tiếp và MXene, dù có nhiều triển vọng, vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu ban đầu, thiếu khảo sát kỹ lưỡng về điều kiện ảnh hưởng và giải thích sâu sắc về đặc tính điện hóa.
Mục tiêu chính của luận án là tổng hợp thành công vật liệu compozit trên cơ sở cacbon, coban ferrit và MXene Ti3C2 với các đặc tính tối ưu cho tích trữ và chuyển hóa năng lượng. Từ đó, ứng dụng các vật liệu này để chế tạo điện cực siêu tụ điện có điện dung riêng lớn, tốc độ nạp xả nhanh và tuổi thọ cao. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các phương pháp chế tạo hệ vật liệu compozit và khảo sát đặc tính bề mặt, hóa lý cùng tính năng điện hóa của chúng.
Các kết quả nghiên cứu cho thấy, luận án đã chế tạo thành công vật liệu cacbon xốp như cacbon aerogel và rGO aerogel bằng phương pháp đúc đông lạnh kết hợp khử nhiệt. Cacbon aerogel đạt diện tích bề mặt riêng 233,9 m²/g và điện dung riêng 94 F/g. rGO aerogel khử ở 500°C có diện tích bề mặt riêng 279 m²/g và điện dung riêng 115 F/g, duy trì 93% sau 1000 chu kỳ.
Quá trình hình thành hạt nano CoFe2O4 trên bề mặt tấm GO đã được kiểm soát bằng cách điều chỉnh pH và nồng độ muối ban đầu. Vật liệu compozit rGO/CoFe2O4 aerogel thu được với hạt CoFe2O4 kích thước khoảng 30 nm phân tán đều, thể hiện đặc tính điện hóa vượt trội so với rGO aerogel, đạt điện dung riêng 383 F/g, mật độ năng lượng 47,9 Wh/kg và duy trì 91,5% sau 1000 chu kỳ.
Vật liệu MXene Ti3C2 cấu trúc 2D được chế tạo thành công bằng phương pháp ăn mòn axit HF 40%. Cuối cùng, vật liệu compozit đa cấu trúc rGO@MXene/CoFe2O4 đã được tạo ra từ việc biến tính rGO/CoFe2O4 bằng MXene Ti3C2. Vật liệu này có cấu trúc gồm các mảnh MXene 2D xen giữa mạng lưới rGO 3D và hạt nano CoFe2O4 phân bố đồng đều, đạt điện dung riêng 412 F/g, mật độ năng lượng 51,5 Wh/kg và duy trì 95% sau 1000 chu kỳ. Hiệu ứng hiệp đồng giữa ba loại vật liệu đã tăng cường đáng kể hiệu suất điện hóa, với MXene hỗ trợ phân tán và ổn định cấu trúc của CoFe2O4, trong khi rGO cung cấp mạng lưới dẫn điện và bề mặt xốp cho dung dịch điện ly. Luận án đã đóng góp vào việc xác định quy trình tổng hợp phù hợp và chế tạo thành công các vật liệu điện cực compozit hiệu năng cao cho siêu tụ điện.