BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN PHAN THẾ VINH KHẢO SÁT HIỆU SUẤT XÚC TÁC ĐIỆN HÓA TRONG PHẢN ỨNG TIẾN HÓA HYDRO SỬ DỤNG VẬT LIỆU Ni@Ni2P/Ru CẤU TRÚC NANO XỐP DỊ THỂ Chuyên ngành Vật lý[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN PHAN THẾ VINH KHẢO SÁT HIỆU SUẤT XÚC TÁC ĐIỆN HÓA TRONG PHẢN ỨNG TIẾN HÓA HYDRO SỬ DỤNG VẬT LIỆU Ni@Ni2P/Ru CẤU TRÚC NANO XỐP DỊ THỂ Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Ngƣời hƣớng dẫn: TS NGUYỄN THỊ HỒNG TRANG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu đề tài trung thực Các kết nghiên cứu thực Trường Đại học Quy Nhơn, hướng dẫn TS Nguyễn Thị Hồng Trang Các nguồn tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ Học viên Phan Thế Vinh LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Thị Hồng Trang công tác khoa Khoa học Tự nhiên trường Đại học Quy Nhơn Cơ người hướng dẫn, bảo tận tình tơi suốt trình học tập nghiên cứu để tơi hồn thành q trình nghiên cứu hoàn thiện đề tài “Khảo sát hiệu suất xúc tác điện hóa phản ứng tiến hóa hydro sử dụng vật liệu Ni@Ni2P/Ru cấu trúc nano xốp dị thể” Ngoài ra, xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô cơng tác phịng thí nghiệm Vật lý hỗ trợ, giúp đỡ tơi suốt q trình làm thực nghiệm Cuối cùng, tơi xin chân cảm ơn gia đình, bạn bè, người thân yêu động viên, quan tâm, hỗ trợ mặt để hoàn thành luận văn tốt nghiệp Học viên Phan Thế Vinh MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Lí chọn đề tài Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu 6 Cấu trúc đề tài CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu Ni@Ni2P 1.1.1 Cấu trúc vật liệu Ni@Ni2P 1.1.2 Tính chất vật liệu Ni@Ni2P 1.1.3 Ứng dụng vật liệu Ni@Ni2P xúc tác điện hóa xúc tác điện hóa tạo hydro 11 1.2 Tổng quan vật liệu rutheni 14 1.2.1 Cấu trúc vật liệu rutheni 14 1.2.2 Tính chất hóa học vật liệu rutheni 15 1.2.3 Ứng dụng vai trò rutheni việc tăng cường hiệu suất xúc tác điện hóa 15 1.2.3.1 Ứng dụng Rutheni 15 1.2.3.2 Vai trò rutheni việc tăng cường hiệu suất xúc tác điện hóa 16 1.3 Phương pháp tổng hợp vật liệu nano Ni@Ni2P biến tính bề mặt vật liệu hạt nano kim loại 18 1.3.1 Các phương pháp chung để tổng hợp vật liệu nano 18 1.3.2 Phương pháp tổng hợp vật liệu nano Ni@Ni2P 19 1.3.3 Một số phương pháp tổng hợp vật liệu biến tính bề mặt 20 1.3.3.1 Phương pháp polyol cấp nhiệt vi sóng 21 1.3.3.2 Phương pháp ngâm tẩm (ngâm tẩm mao quản) 21 1.3.3.3 Phương pháp mạ điện 22 1.4 Tổng quan q trình xúc tác điện hóa hydro chế xúc tác điện hóa tách nước 22 1.4.1 Các q trình điện hóa hydro oxy 22 1.4.2 Cơ chế xúc tác cho q trình tiến hóa (giải phóng) hydro tách nước điện hóa 25 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU VÀ PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU 33 2.1 Thực nghiệm chế tạo mẫu 33 2.1.1 Thiết bị chế tạo mẫu 33 2.1.2 Các dụng cụ hóa chất sử dụng 33 2.1.2.1 Dụng cụ 33 2.1.2.2 Hóa chất 34 2.1.3 Quy trình chế tạo mẫu Ni@Ni2P có cấu trúc xốp nano biến tính bề mặt hạt nano kim loại Ru 35 2.1.3.1 Tổng hợp Polystyrene (PS) 35 2.1.3.2 Tổng hợp Ni2P có cấu trúc xốp nano 36 2.1.3.3 Biến tính bề mặt Ni2P có cấu trúc xốp nano hạt nano kim loại Ru 38 2.2 Một số phương pháp khảo sát mẫu 40 2.2.1 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 40 2.2.2 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 42 2.2.3 Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis) 44 2.2.4 Khảo sát thuộc tính xúc tác cho q trình tiến hóa hydro với hệ điện hóa ba điện cực 45 2.2.4.1 Phương pháp quét vòng (CV – Cyclic Voltammetry) 47 2.2.4.2 Phương pháp quét tuyến tính (LSV) 48 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 49 3.1 Hình thái bề mặt vật liệu 49 3.1.1 Hình thái bề mặt cầu polystyrene (PS) 49 3.1.2 Hình thái bề mặt vật liệu Ni cấu trúc xốp 49 3.2 Phổ nhiễu xạ tia X vật liệu 52 3.3 Phổ UV-Vis vật liệu 53 3.4 Diện tích bề mặt riêng đặc trưng xốp (mao quản) vật liệu Ni@Ni2P/Ru IO 54 3.5 Thuộc tính xúc tác điện hóa cho q trình tiến hóa hydro (HER) 55 3.5.1 Sự ảnh hưởng thời gian phosphate hóa lên q trình xúc tác điện hóa HER vật liệu 56 3.5.2 Sự ảnh hưởng lớp vật liệu Ru bề mặt Ni@Ni2P lên trình xúc tác HER vật liệu 57 3.5.3 Đặc trưng quét vòng (CV) vật liệu Ni@Ni2P/Ru IO 59 3.5.4 Đặc trưng phổ tổng trở (EIS) - biểu đồ Nyquist vật liệu Ni@Ni2P/Ru IO 60 3.5.5 Khảo sát độ bền vật liệu Ni@Ni2P/Ru IO - đặc trưng dòng-thời gian 61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên đầy đủ Nghĩa tiếng Việt OER Oxygen evolution reaction Phản ứng tiến hóa oxy HER Hydrogen evolution reaction Phản ứng tiến hóa hydro PS Polystyrene Vật liệu polystyrene ITO Indium Tin Oxide IO Inverse Opal SEM XRD Scanning Electron Microscope Kính phủ lớp dẫn điện suốt ITO Cấu trúc nano xốp (cấu trúc tổ ong hay mao quản) Kính hiển vi điện tử quét X-ray Difraction Nhiễu xạ tia X Ultraviolet–visible Phương pháp quang phổ hấp spectroscopy thụ LSV Linear Sweep Voltage Thế quét tuyến tính CV Cyclic Voltammetry Thế qt vịng tuần hồn EIS Electrochemical impedance spectroscopy Transition metal phosphides Phổ tổng trở điện hóa UV-Vis TMPs Photphua kim loại chuyển tiếp DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tính chất vật lí photphua kim loại chuyển tiếp (TMPs) Bảng 3.1 Diện tích bề mặt riêng đặc trưng mao quản Ni@Ni2P/Ru IO 55 Bảng 3.2 Giá trị mật độ dòng đỉnh anot (Ipa), mật độ dòng đỉnh catot (Ipc), đỉnh anot (Ep,a) đỉnh catot (Epc) điện cực vật liệu Ni, Ni@Ni2P, Ni@Ni2P/Ru IO 1M KOH 59 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 a) Cấu trúc tinh thể Ni2P: Hình cầu màu đỏ biểu thị nguyên tử Ni, màu vàng biểu thị nguyên tử P; b) Mặt Ni2P (001) với lớp Ni3P; c) Mặt Ni2P (001) với lớp Ni3P2 Hình 1.2 a) Biểu diễn sơ đồ chế phản ứng đề xuất Liu Rodriguez b) Cấu trúc mạng hoạt động Ni2P (001) c) cấu trúc tương tự Ni5P4 (001) 10 Hình 1.3 (a – c) Cấu trúc tinh thể Ni2P: a) bốn ô đơn vị xếp chồng lên nhau, với ô đơn vị thể hiện, c) nhìn từ xuống bề mặt Ni2P (001) c) lát cắt hai chiều Ni2P, cho thấy mặt (001) bề mặt d) Hình ảnh HRTEM Ni2P kích thước hạt nano, làm bật mặt phẳng Ni2P (001) tiếp xúc e) Dữ liệu đo điện hóa ba điện cực Ni2P H2SO4 0,5 M, với thủy tinh cacbon, Ti Pt để so sánh 11 Hình 1.4 Cấu trúc tinh thể Ni2P: a) Bốn ô đơn vị xếp chồng lên nhau, với ô đơn vị thể hiện, b) Hình chiếu từ xuống bề mặt Ni2P (001) v) mặt cắt hai chiều Ni2P, hiển thị bề mặt (001) d) Phổ XRD mẫu dạng bột thử nghiệm cho hạt nano Ni2P (trên) mẫu mô Ni2P hiển thị để so sánh (dưới) 14 Hình 1.5 Cấu trúc tinh thể dạng lục phương Ru 15 Hình 1.6 Đường cong phân cực cho hai cặp phản ứng điện hóa liên quan đến lượng phương trình phản ứng tổng thể chúng Các đường cong màu đỏ xanh lam phản ứng liên quan đến hydro oxy 23 Hình 1.7 Sơ đồ (overpotential) liên quan đến q trình xúc tác điện hóa oxy (OER, ORR) hydro (HER, HOR) 24 Hình 1.8 Cơ chế q trình tiến hóa hydro bề mặt điện cực dung dịch axit (trái) kiềm (phải) 28 Hình 1.9 a) Mạch điện tương đương với điện trở bao gồm: RC điện trở tiếp xúc điện cực có màng; Rm điện trở có điện tử khơng đáng kể MoSx b) Đồ thị thể giá trị RC, Rm Cct điện cực điều chỉnh MoS3 30 Hình 1.10 a) Cơ chế hình thành tinh thể nano Ni2P tổng hợp với pha hình thái khác b) Đường cong CV tinh thể nano Ni12P5, Ni2P Ni5P4 trước sau 500 chu kỳ c) Cấu trúc tinh thể Co2Si-type Co2P (trên) MnP-type CoP (dưới) Các ô đơn vị hiển thị dạng đường đứt nét màu đen Cả CoP Co2P dẫn xuất kiểu cấu trúc NiAs, nên hai có độ dài liên kết Co-P tương tự d) Dữ liệu điện hóa dung dịch H2SO4 0,5 M điện cực Co2P/Ti CoP/Ti trước (đường nét liền) sau (đường nét đứt) chu kỳ 500 CV với điện cực Pt 32 Hình 2.1 Các thiết bị chụp phịng thí nghiệm vật lí chất rắn trường Đại học Quy Nhơn a) Cân phân tích, b) Máy khuấy từ có gia nhiệt, c) Máy rung rửa siêu âm, d) Tủ sấy, e) Lò ống tự thiết kế, f) Hệ điện hóa ba điện cực, g) Lị nung 33 Hình 2.2 Các dụng cụ điển hình trình tiến hành thực nghiệm a) Bình phản ứng cổ trịn nhánh, b) Màng lọc thẩm tách Standard RC 3, c) Cốc 50 ml, d) Ống pipet BIOHIT Proline ml, e) Đĩa pettri, f) Lọ thủy tinh 20 ml, g) Thuyền nung sứ 34 Hình 2.3 Các hóa chất sử dụng q trình chế tạo mẫu a) Sodium dodecyl sulfate (SDS), b) Styrene, c) Potassium persulfate (PPS), d) Kali hydroxide (KOH), e) Ethanol (C2H5OH), f) Axit boric (H3PO3), g) Nikel sunfat (NiSO4.6H2O), h) Toluen (C7H8), i) Aluminum oxide (Al2O3), k) Trisodium phoshate (Na3PO4.12H2O) 35 ... Ni2P có cấu trúc nano xốp dị thể phương án tuyệt vời cho sở ban đầu hoàn hảo Với tất sở lý luận trên, chọn đề tài ? ?Khảo sát hiệu suất xúc tác điện hóa phản ứng tiến hóa hydro sử dụng vật liệu Ni@Ni2P /Ru. .. cứu việc tối ưu hóa hạt nano kim loại Ru phân tán lên bề mặt vật liệu Ni@Ni2P để tạo vật liệu xúc tác hiệu suất cao Ni@Ni2P /Ru Khảo sát hiệu suất xúc tác điện hóa hydro hệ vật liệu tổng hợp Đối... sát hiệu suất xúc tác điện hóa phản ứng tiến hóa hydro sử dụng vật liệu Ni@Ni2P /Ru cấu trúc nano xốp dị thể? ?? Ngồi ra, tơi xin chân thành cảm ơn q thầy, cơng tác phịng thí nghiệm Vật lý hỗ trợ,