Thạc Sĩ Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của vật liệu Nanocomposite Platin/Carbon (PT/C) bằng phương

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
NGÔ THANH LIÊM
Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý
LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA LÝ
Năm - 2012

MỤC LỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT . iv
DANH MỤC HÌNH ẢNH vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU ix
MỞ ĐẦU 1


1. TỔNG QUAN . 2
1.1. Pin nhiên liệu . 2
1.1.1. Khái niệm về pin nhiên liệu . 2
1.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu . 2
1.1.3. Phân loại pin nhiên liệu . 4
1.2. Xúc tác điện cực nanocomposite platin/carbon . 9
1.2.2. Xúc tác nanocomposite platin trên chất mang carbon 10
1.2.3. Các phương pháp chế tạo nanocomposite platin/carbon 10
1.3. Chất mang xúc tác .11
1.3.1. Đặc điểm của chất mang xúc tác .11
1.3.2. Các loại chất mang carbon trong pin nhiên liệu .13


2. THỰC NGHIỆM 22
2.1. Nguyên vật liệu – thiết bị 22
2.1.1. Hóa chất 22
2.1.2. Thiết bị và dụng cụ thí nghiệm 22
2.2. Nội dung nghiên cứu .24
2.3. Các phương pháp thực nghiệm chế tạo nanocomposite Pt/C 24
2.3.1 Xử lý carbon 24
2.3.2 Điều chế nanocomposite Pt/C .25
2.3.3 Điều chế nano composite Pt/Graphene .26
2.3.1. Tổng hợp GO 26
2.3.3.2. Tổng hợp nano composite Pt/Graphene 29
2.4. Các phương pháp phân tích .29
2.4.1. Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn .29
2.4.2. Phương pháp phân tích chụp ảnh TEM .34
2.4.3. Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 34
2.4.4. Phương pháp đo FT-IR .35
2.4.5. Phương pháp đo diện tích bề mặt BET 35
2.4.6. Phương pháp chụp ảnh FE-SEM/EDX 36


3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 37
3.1. Kết quả chế tạo các vật liệu nanocomposite Pt/C .37
3.2. Kết quả chế tạo nanocomposite Pt /carbon Vulcan XC72R 39
3.2.1. Carbon Vulcan XC72R không xử lý 39
3.2.2. Carbon Vulcan XC72R xử lý 42
3.2.3. So sánh hoạt tính xúc của vật liệu nanocomposite Pt/Vulcan 52
3.3. Kết quả chế tạo nanocomposite Pt/BP .60
3.3.1. Kết quả đo CV của nanocomposite Pt/BP-XL .61
3.3.2. Kết quả TEM 63
3.3.3. Kết quả đo BET .64
3.4. Kết quả chế tạo vật liệu nanocomposite Pt/Graphene .65
3.4.1. Khảo sát hoạt tính xúc tác điện hóa của nanocomposite Pt/G 65
3.4.2. Kết quả đo dòng thời 66
3.4.3. Kết quả phân tích FT-IR của nannocomposite Pt/Graphene 67
3.4.4. Kết quả phân tích XRD của nanocomposite Pt/Graphene 69
3.4.5. Kết quả TEM 70


4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71
4.1 Kết luận 71
4.2. Kiến nghị .71
TÀI LIỆU THAM KHẢO 72
PHỤ LỤC . 725
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu 3
Hình 1.2: Sơ đồ pin nhiên liệu methanol trực tiếp 7
Hình 1.3: Ảnh SEM của các chất mang carbon có kích thước lỗ xốp khác nhau .16
Hình 1.4: Quá trình tổng hợp OMC trên khuôn silica .17
Hình 1.5: Quá trình tổng hợp OMC trên khuôn zeolite Y 18
Hình 1.6: Carbonnanotube đơn lớp và đa lớp 19
Hình 1.7: Graphene - Vật liệu cơ bản cho buckyball, carbon nanotube và graphite .19
Hình 1.8: Cấu trúc của graphite oxide (GO) 21
Hình 1.9: Quá trình oxy hóa tách bóc graphite tạo thành GO 21
Hình 2.1: Máy đo pH IQ Scientific Instrument .23
Hình 2.2: Mấy khuấy từ IKA RET control-vis và pipet BIOHIT Proline, Đức .23
Hình 2.3: Máy ly tâm UNIVERSAL 32R HETTICH ZENTRIFUGEN 24
Hình 2.4: Quy trình xử lý Carbon .25
Hình 2.5: Quy trình chế tạo vật liệu nanocomposite Pt/C 26
Hình 2.6: Quy trình tổng hợp graphite oxide (GO) .28
Hình 2.7: Quy trình chế tạo vật liệu nanocomposite Pt/Graphene .29
Hình 2.8: Đường cong CV của vật liệu nanocomposite Pt/C .31
Hình 2.9: Máy Autolab PGSTAT 100N 32
Hình 2.10: Hệ đo điện hóa gồm 3 điện cực .32
Hình 2.11: Điện cực đối (CE) .33
Hình 2.12: Điện cực glassy carbon (WE) .33
Hình 2.13: Điện cực so sánh Ag/AgCl (RE) .33
Hình 2.14: Máy TEM, JEM-1400, Nhật 34
Hình 2.15: Máy nhiễu xạ tia X BRUKER XRD-D8 ADVANCE 34
Hình 2.16: Máy đo phổ FT- IR BRUKER EQUINOX 55. 35
Hình 2.17: Máy đo BET Nova 3200e .35
Hình 2.18: Hệ thống hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM JSM 7401F. 36
Hình 3.1: Giản đồ CV của vật liệu nanocomposite Pt/VC điều chế trong môi trường pH khác nhau .39
Hình 3.2: Giản đồ CV vật liệu nanocomposite platin trên carbon Vulcan với hàm lượng platin khác nhau. 41
Hình 3.3: Giản đồ CV của vật liệu nanocomposite Pt/VC xử lý trong dung dịch HNO3 với nồng độ khác nhau. 43
Hình 3.4: Giản đồ CV của vật liệu nanocomposite Pt/VC xử lý trong dung dịch HNO3 5% với thời gian khác nhau. .45
Hình 3.5: Giản đồ nền CV của vật liệu nanocomposite Pt/VC-XL điều chế trong môi trường pH khác nhau (quét trong dung dịch H2SO4 0,5M). .46
Hình 3.6: Giản đồ CV của vật liệu nanocomposite Pt/VC-XL điều chế trong môi trường pH khác nhau 48
Hình 3.7: Cơ chế quá trình oxy hóa EG trong điều chế nano platin. 48
Hình 3.8: Phản ứng loại proton tạo thành anion glycolate của acid glycolic. .49
Hình 3.9: Giản đồ CVcủa vật liệu nanocomposite Pt/VC-XL với hàm lượng platin khác nhau trong dung dịch H2SO4 1M. 50
Hình 3.10: Giản đồ CV của vật liệu nanocomposite platin trên carbon Vulcan xử lý với hàm lượng platin khác nhau. 51
Hình 3.11: Giản đồ CV đo nền của vật liệu nanocomposite Pt/VC-XL-25-11 và nanocomposite Pt/VC-25-11. 52
Hình 3.12: Giản đồ CV của vật liệu nanocomposite Pt/VC-XL-25-11 và nanocomposite Pt/VC-25-11,. .54
Hình 3.13: Giản đồ XRD của carbon XC đã xử lý và chưa xử lý. .54
Hình 3.14: Giản đồ XRD của nanocomposite Pt/VC-25-11. .55
Hình 3.15: Giản đồ XRD của nanocomposite Pt/VC-XL-25-11. .56
Hình 3.16: Ảnh TEM (thang đo 20nm) và giản đồ phân bố kích thước hạt nano platin trong vật liệu nanocomposite Pt/VC-XL-25-11. 57
Hình 3.17: Ảnh TEM (thang đo 20nm) và giản đồ phân bố kích thước hạt nano platin trong vật liệu nanocomposite Pt/VC-XL-25-6,5. .57
Hình 3.18: Ảnh TEM (thang đo 20nm) và giản đồ phân bố kích thước hạt platin trong vật liệu nanocomposite Pt/VC-25-11. .58
Hình 3.19: Ảnh TEM (thang đo 20nm) và giản đồ phân bố kích thước hạt platin trong vật liệu nanocomposite Pt/VC-25-6,5. .58
Hình 3.20: Ảnh FE-SEM (thang đo 0,5àm) của nanocomposite Pt/VC-XL-25-11 60
Hình 3.21: Kết quả phân tích EDX của nanocomposite Pt/VC-XL-25-11. 60
Hình 3.22: Giản đồ CV của vật liệu nanocomposite Pt/BP-XL điều chế trong môi trường pH khác nhau. 61
Hình 3.23: Giản đồ CV của nanocomposite Pt/BP-XL-25-11 và Pt/VC-XL-25-11. 62
Hình 3.24: Ảnh TEM (thang đo 20nm) và giản đồ phân bố kích thước hạt platin trong vật liệu nanocomposite Pt/BP-XL-25-11. 63
Hình 3.25: Ảnh TEM (thang đo 50nm) của nanocomposite Pt/BP-XL-25-11(a) và nanocomposite Pt/VC-XL-25-11(b) 64
Hình 3.26: Giản đồ CV của vật liệu nanocomposite Pt/VC-XL-25-11 và Pt/Graphene 25% .66
Hình 3.27: Giản đồ dòng thời của nanocomposite Pt/Graphene và Pt/VC-25-11. 66
Hình 3.28: Sơ đồ mô tả cơ chế phản ứng tổng hợp Pt/Graphene. 67
Hình 3.29: Phổ IR của graphite oxide (GO). .68
Hình 3.30: Phổ IR của Pt/Graphene. .68
Hình 3.31: Phổ IR của Pt/Graphene và graphite oxide. .69
Hình 3.32: Giản đồ XRD của vật liệu nanocomposite Pt/Graphene .69
Hình 3.33: Ảnh TEM của vật liệu nanocomposite Pt/Graphene. .70


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Các giá trị hóa lý của các loại nhiên liệu sử dụng trong pin nhiên liệu. 7
Bảng 1.2: Các loại pin nhiên liệu. 8
Bảng 1.3: Một số loại carbon black, AB: acetylene black; FB: furnace black .14
Bảng 1.4: Hoạt hóa hóa học Vulcan XC72R bằng các hóa chất khác nhau 15
Bảng 2.1: Các hóa chất sử dụng trong đề tài .22
Bảng 2.2: Carbon Vulcan XC72R xử lý trong điều kiện khác nhau 25
Bảng 3.1: Nanocomposite platin trên chất mang carbon khác nhau. 37
Bảng 3.2: So sánh hoạt tính của nanocomposite Pt/C trên chất mang carbon Vulcan XC72R chưa xử lý trong điều kiện pH khác nhau. 39
Bảng 3.3: Hoạt tính của nanocomposite Pt trên chất mang carbon Vulcan chưa xử lý trong điều kiện pH=11 với thành phần tiền chất H2PtCl6 thay đổi. .41
Bảng 3.4: Hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposite Pt/VC xử lý trong dung dịch HNO3 với nồng độ khác nhau 42
Bảng 3.5: Hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposite Pt/VC-XL trong dung dịch HNO3 5% với thời gian khác nhau. 44
Bảng 3.6: Hoạt tính của nanocomposite Pt trên chất mang carbon Vulcan XC72R đã xử lý, trong điều kiện pH khác nhau. 47
Bảng 3.7: Hoạt tính của nanocomposite Pt trên chất mang carbon Vulcan XC72R đã xử lý trong với hàm lượng tiền chất ban đầu thay đổi 1
Bảng 3.8: So sánh hoạt tính của nanocomposite Pt trên chất mang carbon Vulcan XC72R đã xử lý và chưa xử lý trong điều kiện pH=11 53
Bảng 3.9: Diện tích bề mặt theo BET và Langmuir của nanocomposite Pt/VC-XL-25-11 và nanocomposite Pt/VC-25-11 59
Bảng 3.10: Hoạt tính của nanocomposite Pt trên chất mang carbon Black pearl 2000 đã xử lý trong điều kiện pH khác nhau 61
Bảng 3.11: Hoạt tính xúc tác nanocomposite Pt/BP-XL và Pt/VC-XL 62
Bảng 3.12: So sánh diện tích bề mặt của nanocomposite Pt trên chất mang carbon Black Pearl 2000 và Vulcan XC72R đã xử lý. 65
Bảng 3.13: So sánh hoạt tính của nanocomposite Pt trên chất mang carbon Vulcan XC72R và graphene. 65
Bảng 3.14: Khảo sát hoạt tính xúc tác của nanocomposite Pt/Graphene và Pt/VC-XL-25-11 bằng phương pháp đo dòng thời. 67

MỞ ĐẦU
Trong thời đại ngày nay, với sự phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật, nhu cầu nâng cao chất lượng cuộc sống của con người ngày càng tăng; trong khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt và bộc lộ nhiều khuyết điểm thì năng lượng tái tạo dần dần được nghiên cứu. Một trong những nguồn năng lượng tái tạo được xem là thân thiện với môi trường và có hiệu suất cao đó là pin nhiên liệu. Chỉ cần cung cấp nhiên liệu đầu vào là hydro, methanol, ethanol và oxy, pin nhiên liệu có thể tạo ra năng lượng điện. Ngoài ra, pin không sử dụng than hay dầu mỏ nên hạn chế việc phát sinh khí thải gây hiệu ứng nhà kính gây ô nhiễm môi trường. Điện từ pin nhiên liệu có thể cung cấp tại chỗ. Với những ưu điểm đó, rất nhiều công trình khoa học trên thế giới đang nghiên cứu tập trung cải tiến nhằm tạo ra pin nhiên liệu có hiệu quả cao hơn. Đặc biệt là giảm giá thành để pin nhiên liệu có thể áp dụng rộng rãi trong cả kỹ thuật và đời sống.
Hydro và pin nhiên liệu được xem là nguồn năng lượng thay thế cho các nguồn nguyên liệu hóa thạch. Pin nhiên liệu màng trao đổi proton PEMFC, và pin nhiên liệu methanol trực tiếp DMFC có nhiều triển vọng trong nghiên cứu và phát triển sản xuất ra thị trường. Pin nhiên liệu cần dùng đến các chất xúc tác cho các phản ứng xảy ra nhanh hơn, đáp ứng nhu cầu điện năng sử dụng. Chất xúc tác trong pin PEMFC phải được làm bằng các kim loại platin hoặc hợp kim của platin. Hiện nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ nano, các vật liệu nanocomposite platin trên chất mang carbon là một trong những vật liệu nano mới đã và đang được nghiên cứu rộng rãi, sử dụng làm điện cực xúc tác cho quá trình oxi hóa trong pin nhiên liệu. Nhằm đóng góp vào lĩnh vực này, chúng tôi tập trung nghiên cứu tổng hợp vật liệu nanocomposite platin trên carbon với tên đề tài “Nghiên cứu chế tạo và khảo sát tính chất của vật liệu nanocomposite platin/carbon (Pt/C) bằng phương pháp polyol”.