Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa trên cơ sở sulfide và selenide của kim loại chuyển tiếp định hướng ứng dụng điều chế hydro từ nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ SULFIDE VÀ SELENIDE CỦA KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG ĐIỀU CHẾ HYDRO TỪ NƯỚC LUẬN ÁN TIẾN SĨ: HÓA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ Hà Nội – Năm 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VI Ệ N KHOA H ỌC VÀ CÔNG NG HỆ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ SULFIDE VÀ SELENIDE CỦA KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG ĐIỀU CHẾ HYDRO TỪ NƯỚC Chuyên ngành: Hóa lý thuyết Hóa lý LUẬN ÁN TIẾN SĨ: HĨA LÝ THUYẾT VÀ HÓA LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan Luận án viết, không chép Luận án thực hoàn thiện hướng dẫn khoa học PGS TS Các số liệu kết Luận án trung thực Các nội dung hợp tác, giúp đỡ nghiên cứu trình bày cụ thể Các thông tin tham khảo luận án trích dẫn rõ nguồn gốc Tơi xin chịu hồn toàn trách nhiệm Nội dung Luận án này! Tác giả luận án LỜI CẢM ƠN Để thực luận án này, tơi xin bày tỏ lịng tri ân sâu sắc tới tập thể hướng dẫn PGS TS Các thầy, cô định hướng cho tư khoa học, tận tình bảo, cảm thơng chia sẻ giúp đỡ tơi suốt q trình thực luận án Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến PGS TS Vũ Thị Thu Hà (Viện Hóa học) động viên, hỗ trợ tạo điều kiện giúp đỡ Tôi xin chân thành cảm ơn cán bộ, nghiên cứu sinh, sinh viên Khoa Khoa học ứng dụng – Trường Đại học Khoa học Cơng nghệ Hà Nội (TS Lê Văn Hồng, TS Lê Thị Lý, TS Nguyễn Đức Anh, TS Tô Hải Tùng, TS Nguyễn Thị Quyên, NCS Nguyễn Ngọc Đức, NCS Trần Đức Tiến, NCS Dương Minh Tuấn, NCS Trần Bửu Đăng, CN Nguyễn Duy Thái, CN Trần Minh Quốc) – người ln giúp đỡ, khích lệ, động viên chia sẻ giúp tơi vượt qua khó khăn Tôi xin chân thành cảm ơn TS Trương Quang Đức (Đại học Tohoku, Nhật Bản công ty Vinfast) TS Hyuksu Han (Đại học Konkuk, Hàn Quốc) giúp thực phép đo XPS, HR-TEM, elemental mapping Tơi xin cảm ơn nhóm nghiên cứu PGS TS Nguyễn Thanh Tùng (Viện Khoa học vật liệu) thực giúp tơi phần tính tốn DFT Tơi xin gửi lời cảm ơn TS Lưu Anh Tuyên (Trung tâm Công nghệ Hạt nhân- Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam), PGS TS Nguyễn Quang Hưng (Đại học Duy Tân) thực phân tích phổ phân hủy positron chia sẻ học thuật nội dung nghiên cứu Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Hóa học (Khoa Hóa học) Học viện Khoa học Công nghệ tạo điều kiện thuận lợi cho thời gian thực luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn tới cán bộ, giảng viên, lãnh đạo Khoa Công nghệ Hóa học & Mơi trường lãnh đạo Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên động viên, tạo điều kiện thuận lợi cho để thực tốt luận án Cuối xin dành tình cảm biết ơn sâu sắc tới người thân: bố, mẹ, anh chị em hai bên gia đình đặc biệt gia đình nhỏ tơi: chồng Những người quan tâm chia sẻ khó khăn, thơng cảm, động viên, cho tơi nghị lực để hồn thành luận án Hà Nội, ngày 12 tháng năm 2022 Tác giả MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT iv DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ix MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN 1 Vấn đề lượng toàn cầu vai trò nhiên liệu H2 1 Vấn đề lượng tồn cầu 1 Vai trị nhiên liệu H2 Động học q trình khí H2 Ngun lý chung chất xúc tác điện hóa 131 132 133 134 Tác dụng chất xúc tác Các giai đoạn q trình H2 xúc tác điện hóa Nghiên cứu chế phản ứng H2 xúc tác điện hóa Các thơng số đặc trưng cho xúc tác điện hóa Tình hình nghiên cứu xúc tác HER nước giới Tình hình nghiên cứu nước Tình hình nghiên cứu giới 11 13 14 18 23 23 24 Tổng quan vật liệu xúc tác sulfide selenide đơn kim loại Vật liệu tinh thể MoX2 (X = S, Se) Vật liệu vô định hình MoX (X = S, Se) Tổng quan vật liệu sulfide selenide lưỡng kim loại chuyển tiếp Vật liệu tinh thể sulfide selenide lưỡng kim loại Vật liệu vô định hình sulfide selenide lưỡng kim loại Kết luận chương 25 25 30 35 35 38 41 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 42 Tổng hợp vật liệu 211 212 213 214 11 42 Hóa chất sử dụng Chế tạo ex-MoSe2 tinh thể đơn lớp vài lớp Tổng hợp MoSe vơ định hình phương pháp dung môi nhiệt Tổng hợp CoMoS phương pháp dung môi nhiệt 2 Nghiên cứu đặc trưng cấu trúc vật liệu i 42 42 43 43 44 221 222 223 224 225 226 227 Nghiên cứu vi hình thái, cấu trúc Phương pháp phổ kế hủy Positron Các phương pháp phân tích điện hóa Phân tích điện hóa kết hợp ICP-MS Phương pháp nghiên cứu khối lượng sử dụng vi cân thạch anh Xử lý hóa học vật liệu phương pháp đun hồi lưu Tính tốn phiếm hàm mật độ CHƯƠNG XÚC TÁC MOLYBDENUM SELENIDE Vật liệu ex-MoSe2 tinh thể với nhiều sai hỏng cấu trúc 311 312 313 314 315 Cấu trúc vật liệu ex-MoSe2 Hoạt tính HER vật liệu ex-MoSe2 Hoạt hóa ex-MoSe2 phương pháp oxi hóa điện hóa Kết luận kết đạt với ex-MoSe2 Đề xuất nội dung tiếp tục nghiên cứu ex-MoSe2 Vật liệu vơ định hình molybdenum selenide 321 322 323 324 325 Thành phần hóa học, cấu trúc MoSe Mô cấu trúc MoSe Đặc trưng điện hóa q trình xúc tác tạo H2 MoSe Nghiên cứu chế hoạt động xúc tác Kết luận vật liệu xúc tác MoSe vô định hình 3 Kết luận Chương 44 45 49 50 51 52 52 54 54 54 59 60 65 65 66 66 71 73 77 82 83 CHƯƠNG XÚC TÁC COBALT MOLYBDENUM SULFIDE Đặc trưng cấu trúc CoMoS 84 84 1 Thành phần hóa học Vi hình thái cấu trúc Kết phân tích phổ kế hủy positron 84 85 93 Hoạt tính xúc tác HER CoMoS 100 Thảo luận mối tương quan cấu trúc - hoạt tính xúc tác CoMoS 106 4 Nghiên cứu độ bền xúc tác CoMoS 107 441 442 443 444 445 446 Phân tích đặc trưng điện hóa (xác định đường E-t, j-t) Phân tích q trình hịa tan xúc tác mạch hở Ảnh hưởng điện áp Ảnh hưởng pH Ảnh hưởng thành phần hóa học xúc tác Kết luận độ bền xúc tác CoMoS 108 109 114 122 124 125 Một vài kết khác 126 Kết luận Chương 127 ii KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 129 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO 132 PHỤ LỤC 147 iii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt ADF Annular dark- field Ảnh trường tối hình khuyên CA Chronoamperometry Áp không đổi CE Counter electrode Điện cực đối CoMoS Cobalt-molybdenum sulfide Coban molipđen sunfit CP Chronopotentiometry Áp dịng khơng đổi CV Cyclic voltammetry Qt vịng tuần hoàn CVD Chemical vapor deposition Lắng đọng pha hóa học DBS Doppler broadening spectroscopy Phổ giãn nở Doppler DFT Density functional theory Phiếm hàm mật độ DI Deionized Water Nước khử ion DMF N, N-dimethylformamide Dung môi dimethylformamide ECSA Electrochemical surface area Diện tích bề mặt hoạt động điện hóa EMDS Electron momentum distribution spectroscopy Phổ phân bố xung lượng điện tử EQCM Electrochemical quartz crystal microbalance Phân tích vi cân thạch anh - điện hóa ex – MoSe2 Exfoliated MoSe2 nanosheets Vật liệu MoSe2 kích thước nano sau bóc lớp FE Faradic efficiency Hiệu suất dịng Faradic FFT Fast Fourier Transform Biến đổi nhanh Fourier FTO Fluorine doped tin oxide Ơxít thiếc pha tạp flo GC Glassy carbon Điện cực carbon vơ định hình HAADF High-angle annular dark-field Ảnh trường tối hình khun góc cao iv HDS HER HR-TEM ITO Hydrodesulfurization Phản ứng hydro hóa loại lưu huỳnh Hydrogen evolution reaction Phản ứng giải phóng khí hydro High-resolution transmission electron microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao Indium doped tin oxide Ơxít thiếc pha tạp Indi MoSe Inconductively coupled plasma – mass spectrometry Khối phổ - Cảm ứng cao tần plasma MoSe(a)-(d) Inconductively coupled plasma – Atomic emission spectrometry Quang phổ phát xạ nguyên tử Cảm ứng cao tần plasma Phosphate buffer solution Dung dịch đệm phosphate Linear sweep voltammetry Quét tuyến tính Molybdenum selenide Vật liệu vơ định hình molibden selenit ICP- MS ICP-AES KPi LSV NHE EOC OER PALS MoSe sử dụng tiền chất Mo(CO)6: Se 1:2, 1:3, 1:5, 1:6 Molybdenum selenide PEC PEM RE RHE SCF SEM Normal hydrogen electrode Điện cực hydro chuẩn Open-circuit voltage Điện mạch hở Oxygen evolution reaction Phản ứng giải phóng khí oxi Positron annihilation lifetime spectroscopy Phổ kế thời gian sống positron Photoelectrochemical Quang điện hóa Proton exchange membrane Màng trao đổi proton Reference electrode Điện cực so sánh Reversible hydrogen electrode Điện cực hydro thuận nghịch Supercritical fluid solvent Chất lỏng trạng thái siêu tới hạn Scaning electron microscopy Hiển vi điện tử quét v TEM STEM TOF ... quang điện phân nước [3] Tại Việt Nam, nghiên cứu vật liệu sulfide selenide kim loại chuyển tiếp không nhiều Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa sở sulfide selenide kim loại chuyển tiếp. ..ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VI Ệ N KHOA H ỌC VÀ CÔNG NG HỆ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ SULFIDE VÀ SELENIDE CỦA KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP ĐỊNH HƯỚNG... khác định hướng ứng dụng thiết bị điện phân quang điện phân nước cịn mẻ Vì vậy, lựa chọn thực luận án ? ?Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa sở sulfide selenide kim loại chuyển tiếp định hướng