Gi i thi u
Sự phát triển của xã hội và công nghiệp đã làm tăng nhu cầu tiêu thụ năng lượng Hiện nay, nguồn năng lượng được cung cấp chủ yếu từ nhiên liệu hóa thạch, dẫn đến tình trạng ô nhiễm không khí và ảnh hưởng xấu đến sức khỏe cộng đồng Các hoạt động công nghiệp thải ra khí CO2, gây hiệu ứng nhà kính và làm trái đất nóng lên Hơn nữa, nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt Do đó, nhu cầu tìm kiếm các công nghệ chuyển đổi và tạo ra năng lượng mới là rất cấp thiết.
Hiện nay, pin nhiên liệu được xem là công nghệ chuyển đổi năng lượng tiên tiến và hiệu quả Pin nhiên liệu thải ra rất ít chất thải, chủ yếu là nước và không khí, trong khi đó, chúng phát thải ít CO2 hơn nhiều so với các công nghệ chuyển đổi năng lượng truyền thống Ngoài ra, pin nhiên liệu còn có nhiều ưu điểm như sử dụng nguồn năng lượng sạch, hiệu suất cao, mật độ năng lượng lớn, thiết kế gọn nhẹ và không gây ô nhiễm, mang lại nhiều lợi ích cho môi trường.
Trong thời gian gần đây, quá trình oxy hóa methanol đã thu hút sự quan tâm lớn trong pin nhiên liệu methanol trực tiếp (DMFC), nhờ vào hiệu suất cao và ít phát thải Tuy nhiên, methanol không được ưa chuộng như ethanol do tính độc hại cao, có thể gây tổn thương hệ thần kinh trung ương và dẫn đến mù lòa Ngược lại, ethanol có nhiều lợi ích hơn, như khả năng tạo ra nguồn điện sạch và hiệu suất cao, đồng thời có thể sử dụng rộng rãi Hơn nữa, ngành nông nghiệp hiện đại có thể sản xuất một lượng lớn ethanol, đảm bảo nguồn cung ổn định và chi phí thấp Do sự khác biệt về tính an toàn giữa ethanol và methanol, pin nhiên liệu ethanol trực tiếp (DEFC) được đánh giá có khả năng cung cấp năng lượng bền vững hơn so với DMFCs.
Quá trình oxy hóa methanol trong dung dịch axit đã được nghiên cứu rộng rãi với chất xúc tác điện hóa trên bề mặt platinum (Pt) Tuy nhiên, việc cải tiến các pin nhiên liệu này gặp phải vấn đề về chi phí cao và nguồn cung hạn chế, khiến cho việc sử dụng Pt không khả thi Hơn nữa, chất xúc tác điện hóa dựa trên Pt thường trải qua quá trình khử hoạt tính do sự hình thành các chất trung gian, đặc biệt là CO trong môi trường axit Do đó, các chất xúc tác palladium (Pd) và Pd/C có thể cải thiện hiệu suất trong quá trình này.
CO [5] Do đó, nhi u nhà nghiên c u đư chuy n h ng nghiên c u c a h đ n Pd
Nó là một kim loại quý hiếm trong nhóm kim loại với platinum Một số nghiên cứu đã phát hiện ra rằng Pd được coi là sự thay thế phù hợp cho Pt trong DAFCs Dù Pd là chất xúc tác ít phản ứng trong môi trường axit, nhưng Pd thể hiện hiệu suất vượt trội trong môi trường kiềm so với Pt Việc bổ sung chất xúc tác kim loại hoặc oxit kim loại có thể giúp tăng cường hoạt tính xúc tác của Pd Do đó, một số nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc lựa chọn các xúc tác kim loại dựa trên Pd vì nó có hoạt tính nổi bật trong quá trình oxy hóa methanol và ethanol trong môi trường kiềm Cấu trúc nano lõi-vỏ là một cách hữu ích để cải thiện hiệu suất sử dụng của các chất xúc tác điện hóa kim loại quý Thay thế lõi của chất xúc tác quý bằng các kim loại ít giá trị hơn thông qua việc tạo ra lớp vỏ Pd bao bọc bên ngoài với diện tích bề mặt cao, hoạt tính xúc tác cao và hiệu suất sử dụng của chất xúc tác điện hóa Pd cũng được nâng cao hơn.
Nghiên cứu này nhằm mục đích tổng hợp thành công cấu trúc 1-D nano trang trí/v-lõi PdSn trên chất mang carbon đen Chúng tôi tiến hành khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành cấu trúc 1-D thiếc và cấu trúc 1-D trang trí/v-lõi PdSn, nhằm tìm ra thông số phân ngữ tối ưu cho quá trình tổng hợp.
Nghiên c u này bao g m 2 ph n sau:
Ph n 1: T ng h p xúc tác Sn 1-D b ng ph ng pháp kh hóa h c
Kh o sát nh h ng c a nhi t đ đ n quá trình t ng h p
Kh o sát nh h ng c a giá tr pH đ n quá trình t ng h p
Kh o sát nh h ng c a ch t ho t đ ng b m t đ n quá trình t ng h p
- T ng h p xúc tác 1-D PdSn b ng ph ng pháp Galvanic k t h p vi sóng
Kh o sát nh h ng c a t l Pd:Sn đ n quá trình t ng h p
Kh o sát nh h ng c a th i gian vi sóng đ n quá trình t ng h p
Kh o sát nh h ng c a chu kì vi sóng đ n quá trình t ng h p
- ánh giá ho t tính đi n hóa c a v t li u cho quá trình oxy hóa ethanol trong môi tr ng ki m
ánh giá kh n ng đi n hóa c a v t li u c u trúc 1-D PdSn
ánh giá kh n ng ch ng đ u đ c b i CO
2.1.1 T ng quan v pin nhiên li u
Pin nhiên liệu là thiết bị chuyển đổi năng lượng trực tiếp từ nhiên liệu thông qua các quá trình điện hóa Hoạt động này khác với pin thông thường, vì nó không lưu trữ các chất phản ứng bên trong viên pin Hiệu suất của thiết bị phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu và nguồn cung cấp oxy, thay vì chỉ dựa vào thiết kế của thiết bị.
Pin nhiên li u là m t phát minh v đ i c a Wiliam Grove vào n m 1838 Có r t nhi u lo i pin nhiên li u khác nhau nh ng t t c chúng đ u đ c v n hành b i 3 y u t chính là anode (+), cathode (-) và ch t đi n phân
Pin nhiên liệu đang đối mặt với nhiều thách thức cần được giải quyết Trong số đó, chi phí sản xuất và nguyên liệu là hai vấn đề quan trọng nhất mà pin nhiên liệu cần chú ý hiện nay.
• T c đ ph n ng ch m c bi t là đ i v i các ph n ng oxy hóa kh , d n đ n dòng đi n và công su t th p
Trên thực tế, hydro không chỉ là một loại nhiên liệu có sẵn mà còn là giải pháp cho nhiều vấn đề năng lượng hiện nay Nhiều loại pin nhiên liệu đang được nghiên cứu và phát triển để đáp ứng nhu cầu này Tất cả các loại pin nhiên liệu đều được phân biệt bởi chất điện phân được sử dụng và nhiệt độ hoạt động, mặc dù có những yếu tố phân biệt khác Một số pin nhiên liệu được phân loại theo chất điện phân được sử dụng.
Pin nhiên li u ki m - Alkaline Fuel Cell (AFC)
Pin nhiên li u màng trao đ i proton - Proton Exchange Fuel Cell (PEFMC)
Pin nhiên li u axit photphoric - Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC)
Pin nhiên li u carbonat nóng ch y - Molten Carbonate Fuel Cell (MCFC)
Pin nhiên li u oxit r n - Solid Oxyde Fuel Cell (SOFC)
Pin nhiên li u c n tr c ti p - Direct Alcohol Fuel Cell (DAFC)
2.1.2 Pin nhiên li u dùng ethanol tr c ti p
DEFC (Direct Ethanol Fuel Cell) là một thiết bị chuyển đổi trực tiếp năng lượng hóa học trong ethanol thành điện năng Có hai loại DEFC, bao gồm DEFC trong môi trường axit và DEFC trong môi trường kiềm Sự khác biệt giữa DEFC axit và kiềm mang lại những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến hiệu suất và ứng dụng của từng loại.
Nghiên cứu về DEFC trong môi trường axit đã chỉ ra hiệu suất hoạt động khá tốt, nhưng vấn đề mài mòn cao do hoạt động trong điều kiện này là một thách thức lớn Việc sử dụng các chất xúc tác dựa trên Pt là phổ biến trong các DEFC có tính axit, tuy nhiên, Pt cũng là một vật liệu đắt tiền và hiếm.
Vì th , vi c s d ng DEFC trong môi tr ng ki m có th thay th b ng ch t xúc tác
Nguyên t c v n hành c a pin nhiên li u trong môi tr ng ki m
DEFC là công nghệ sử dụng các loại pin cần trực tiếp khác, bao gồm ba thành phần chính: cực dương, cực âm và chất điện phân Ngoài ra, DEFC còn có một màng điện phân polymer giúp ngăn chặn các điện tử đi qua.
Trong DEFC, ethanol có th t n t i d ng khan, đ c pha loãng v i n c ho c d ng h i đ đ a tr c ti p vào anode Và không khí s đ c cung c p cho cathode
Quá trình t ng th có th đ c th hi n nh sau [9]
Hình 2.1 Nguyên t c v n hành pin nhiên li u trong môi tr ng ki m
Tóm t t các quá trình x y ra trong pin ki m ethanol tr c ti p nh sau:
Quá trình oxy hóa ethanol x y ra anode:
Quá trình kh x y ra cathode:
2.1.3 ng d ng c a pin nhiên li u
Ethanol là một loại nhiên liệu có mật độ năng lượng cao, được sản xuất từ các nguồn như mía, lúa mì, ngô và sinh khối Hệ thống giao thông vận tải và kho bãi của ethanol có thể được xây dựng nhanh chóng, giúp nó trở thành lựa chọn hấp dẫn so với các loại pin nhiên liệu khác DEFC phù hợp với nhiều ứng dụng, bao gồm nguồn năng lượng di động và cung cấp điện cho các khu vực xa xôi, đáp ứng nhu cầu giao thông vận tải và sản xuất điện.
H n n a, ethanol g n nh d bi n đ i h n do c u trúc phân t đ n gi n h n, và kh n ng t ng thích c a nó v i công ngh s d ng x ng hi n nay Mặc dù công nghệ này đang trong giai đoạn phát triển ban đầu, các nghiên cứu vẫn chỉ được thực hiện trên quy mô nhỏ trong các phòng thí nghiệm, và việc tối ưu hóa vẫn còn là một thách thức xa vời.
Công ty H2Fly, tách ra từ Viện Kỹ thuật Nhiệt đới DLR, đã phát triển máy bay hydro HY4, một mẫu máy bay thân kép từng giành chiến thắng trong cuộc thi Green Flight Challenge của NASA năm 2011 HY4 có khả năng bay xa từ 750 đến 1,500 km với 21 kg hydro Gần đây, H2Fly và Deutsche Aircraft đã hợp tác để phát triển máy bay hydro có sức chở 40 hành khách, với tầm bay lên đến 1,850 km Phiên bản thử nghiệm dự kiến sẽ cất cánh vào năm 2025.
