Luận án Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá tính chất vật liệu xúc tác Pt và hợp kim Pt có kích thước nanô trên nền vật liệu cacbon áp dụng làm điện cực trong pin nhiên liệu màng trao đổi ion

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT VẬT LIỆU XÚC TÁC Pt VÀ HỢP KIM Pt CÓ KÍCH THƯỚC NANÔ TRÊN NỀN VẬT LIỆU CACBPON ÁP DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC TRONG PIN NHIÊN LIỆU MÀNG TRAO ĐỔI PROTON

Ngành:

Kim loại học

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án "Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá tính chất vật liệu xúc tác Pt và hợp kim Pt có kích thước nanô trên nền vật liệu cacbon áp dụng làm điện cực trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton" của Đỗ Chí Linh, chuyên ngành Kim loại học, tập trung vào việc phát triển các vật liệu xúc tác hiệu quả cho pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC). PEMFC được đánh giá là nguồn năng lượng tái tạo tiềm năng với nhiều ưu điểm như hoạt động ở nhiệt độ thấp, hiệu suất cao và thân thiện môi trường. Tuy nhiên, chi phí cao của Platin (Pt) – vật liệu xúc tác lý tưởng – là một trở ngại chính, hạn chế khả năng thương mại hóa rộng rãi của PEMFC.

Để giải quyết vấn đề này, luận án nghiên cứu tổng hợp và đánh giá tính chất của vật liệu xúc tác Pt và hợp kim Pt có kích thước nanô trên nền vật liệu cacbon. Mục tiêu chính bao gồm việc phát triển vật liệu xúc tác Pt/C và hợp kim Pt-M/C (với M là Ni, Co, Fe) kích thước nanô có hoạt tính và độ bền cao ứng dụng trong PEMFC sử dụng nhiên liệu hyđrô trực tiếp, cũng như phát triển bộ pin PEMFC đơn có mật độ công suất cao với diện tích làm việc 5cm².

Nội dung luận án bao gồm tổng quan về PEMFC và vật liệu xúc tác, nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác Pt/C 20%klg. bằng phương pháp kết tủa hóa học sử dụng ethylene glycol và kết hợp chất khử NaBH4. Các thông số tổng hợp như pH, nhiệt độ, và tỉ lệ dung môi được tối ưu để đạt hoạt tính và độ bền cao. Luận án cũng nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác hợp kim Pt-M/C (M=Ni, Co, Fe) 20%klg. bằng phương pháp kết tủa hóa học để tìm ra thành phần xúc tác tối ưu có hoạt tính xúc tác cao cho phản ứng khử ôxy (ORR) tại catôt. Các phương pháp vật lý (TEM, XRD, EDX) và điện hóa (CV, LSV, I-V) được sử dụng để đánh giá tính chất vật liệu và hiệu suất pin.

Kết quả nghiên cứu cho thấy, vật liệu xúc tác Pt/C tốt nhất thu được có kích thước hạt trung bình 2,5 nm và diện tích bề mặt điện hóa ESA khoảng 78,88 m²/g. Qui trình tổng hợp Pt/C 20%klg. ở qui mô phòng thí nghiệm được tối ưu với tỉ lệ EG:W = 9:1, nhiệt độ 80°C và pH = 4, cho hoạt tính và độ bền cao. Đối với hợp kim Pt3M/C, mẫu Pt3Ni₁/C thể hiện hoạt tính xúc tác cho ORR cao nhất (mật độ dòng điện -349,3 µA/cm² tại 0,9V so với -35,1 µA/cm² của Pt/C tinh khiết), kích thước hạt 2,8 nm, ESA 76,14 m²/g, thích hợp làm điện cực catôt. Hàm lượng Ni và xử lý nhiệt cũng ảnh hưởng đến tính chất của PtNi/C, với độ bền cao nhất đạt được ở 700°C. Cuối cùng, một bộ pin PEMFC đơn có diện tích làm việc 5cm² đã được thiết kế và chế tạo, đạt mật độ công suất cực đại 624 mW/cm² khi sử dụng xúc tác tổng hợp, vượt trội so với xúc tác thương mại (543 mW/cm²).

Các đóng góp mới của luận án bao gồm việc tổng hợp thành công vật liệu xúc tác Pt/C và hợp kim Pt-M/C kích thước nanomet, có hoạt tính và độ bền cao. Luận án đã đưa ra qui trình tổng hợp tối ưu cho Pt/C và xác định Pt-Ni/C là vật liệu tiềm năng cho catot. Đồng thời, đã chế tạo thành công bộ pin PEMFC đơn với hiệu suất cao trong điều kiện kỹ thuật trong nước.

Mục lục chi tiết:

Nội dung chính của luận án:

• Tổng quan sơ lược về pin nhiên liệu và các nghiên cứu phát triển của vật liệu xúc tác Pt và xúc tác hợp kim Pt trong PEMFC.
• Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác Pt/C 20%klg. bằng phương pháp kết tủa hóa học. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số thực nghiệm như pH, nhiệt độ, ... trong quá trình tổng hợp đến tính chất của vật liệu xúc tác Pt/C 20%klg..
• Lựa chọn qui trình tối ưu tổng hợp vật liệu xúc tác Pt/C có hoạt tính và độ bền cao làm vật liệu điện cực trong PEMFC.
• Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác hợp kim Pt-M/C 20%klg. (M=Ni, Co và Fe) bằng phương pháp kết tủa hóa học. Nghiên cứu đánh giá tính chất của các vật liệu xúc tác hợp kim với các hàm lượng nguyên tố chuyển tiếp khác nhau nhằm lựa chọn thành phần xúc tác tối ưu có hoạt tính xúc tác cao cho phản ứng ORR tại catôt trong PEMFC.
• Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các thành phần của bộ pin đơn có diện tích làm việc 5cm². Nghiên cứu điều kiện vận hành tối ưu cho bộ pin nhiên liệu đơn có mật độ công suất cao.

Chương 1. TỔNG QUAN

• Giới thiệu sơ lược về lịch sử phát triển, cấu tạo, nguyên lý vận hành và ứng dụng của các PEMFC.
• Trình bày các cơ chế và động học phản ứng của các phản ứng ôxy hóa hydrô và khử ôxy trên các vật liệu xúc tác Pt/C trong PEMFC.
• Giới thiệu lịch sử phát triển của vật liệu xúc tác sử dụng trong PEMFC và trình bày tình hình nghiên cứu phát triển của các loại vật liệu xúc tác tại các điện cực anot và catot của PEMFC.

Chương 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

• 2.1. Điều chế vật liệu xúc tác Pt và hợp kim Pt3M (M = Ni, Co, Fe) trên nền vật liệu cacbon Vulcan XC-72.
• 2.2. Chuẩn bị mực xúc tác
• 2.3. Chế tạo điện cực màng (MEA)
• 2.4. Phương pháp nghiên cứu
  • 2.4.1. Các phương pháp vật lý
  • 2.4.2. Các phương pháp điện hóa
    • 2.4.2.1. Phương pháp quét thế vòng (CV – Cyclic Voltammetry)
    • 2.4.2.2. Phương pháp quét thế tuyến tính (LSV)
    • 2.4.2.3. Phương pháp đo đường cong phân cực I-V đánh giá tính chất điện của MEA

Chương 3. NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP XÚC TÁC KIM LOẠI Pt/C BẰNG PHƯƠNG PHÁP KẾT TỦA HÓA HỌC

• 3.1. Nghiên cứu tổng hợp xúc tác kim loại Pt/C bằng phương pháp kết tủa hóa học sử dụng ethylene glycol
• 3.2. Nghiên cứu tổng hợp xúc tác Pt/C bằng kết tủa hóa học sử dụng chất khử NaBH4 kết hợp ethylene glycol
• 3.3. Qui trình tổng hợp xúc tác Pt/C

Chương 4 – NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT VẬT LIỆU XÚC TÁC HỢP KIM Pt-M/C (M=Ni, Co, Fe)

• 4.1. Đánh giá tính chất vật liệu xúc tác hợp kim Pt3M₁/C
• 4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng kim loại Ni đến tính chất của vật liệu xúc tác hợp kim PtNi/C.
• 4.3. Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến tính chất của xúc tác hợp kim PtNi/C

Chương 5. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT CỦA BỘ PIN ĐƠN PEMFC

• 5.1. Thiết kế và chế tạo các thành phần của bộ pin đơn
• 5.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện vận hành đến tính chất của bộ pin đơn PEMFC
  • 5.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ vận hành
  • 5.2.2. Ảnh hưởng của lưu lượng khí nhiên liệu
• 5.3. Đánh giá tính chất điện cực màng MEA chế tạo với các vật liệu xúc tác tổng hợp trong phòng thí nghiệm.

KẾT LUẬN

CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN