BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN TRƢƠNG NGỌC KIỆT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP PHOTPHUA LƯỠNG KIM CẤU TRÚC NANO XỐP LÀM CHẤT XÚC TÁC CHO QUÁ TRÌNH TÁCH NƯỚC ĐIỆN HÓA TỔNG THỂ Chuyên ngành VẬT LÍ[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN TRƢƠNG NGỌC KIỆT NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP PHOTPHUA LƯỠNG KIM CẤU TRÚC NANO XỐP LÀM CHẤT XÚC TÁC CHO Q TRÌNH TÁCH NƯỚC ĐIỆN HĨA TỔNG THỂ Chun ngành: VẬT LÍ 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, kết nghiên cứu đƣợc thực Trƣờng Đại học Quy Nhơn dƣới hƣớng dẫn TS Nguyễn Thị Hồng Trang – Bộ môn Vật lý Khoa học vật liệu, Khoa Khoa học tự nhiên, Trƣờng Đại học Quy Nhơn Các tài liệu tham khảo đƣợc trích dẫn đầy đủ Học viên Trƣơng Ngọc Kiệt LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy giáo, cô giáo khoa Khoa học tự nhiên, trƣờng Đại học Quy Nhơn tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ suốt trình học tập nghiên cứu trƣờng Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Thị Hồng Trang tận tình hƣớng dẫn, bảo, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Ngồi ra, tơi xin gửi lời cảm ơn đến TS Nguyễn Văn Nghĩa nhiệt tình hƣớng dẫn sử dụng thiết bị, đồ dùng thí nghiệm nhƣ phƣơng pháp nghiên cứu cho suốt trình làm thực nghiệm Xin cảm ơn tập thể lớp Cao học Vật lý chất rắn khóa 22 hỗ trợ, động viên suốt trình thực luận văn 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 tƣợng phạm vi nghiên cứu 5 Phƣơng pháp nghiên cứu CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu photphua kim loại chuyển tiếp 1.1.1 Cấu trúc tính chất vật liệu 1.1.2 Ứng dụng vật liệu photphua kim loại chuyển tiếp xúc tác điện hóa 1.2 Tổng quan vật liệu photphua lƣỡng kim 10 1.2.1 Cấu trúc tính chất vật liệu photphua lƣỡng kim 10 1.2.2 Ứng dụng vai trò photphua lƣỡng kim việc tăng cƣờng hiệu suất xúc tác điện hóa 10 1.3 Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu photphua lƣỡng kim nano xốp 11 1.3.1 Một số phƣơng pháp tổng hợp vật liệu nano 11 1.3.2 Tổng hợp vật liệu photphua lƣỡng kim nano xốp phƣơng pháp lắng đọng điện kết hợp dung “khuôn cứng” 14 1.4 Tổng quan q trình điện hóa 14 1.4.1 Các q trình điện hóa oxy hydro 14 1.4.2 Quá trình điện phân nƣớc 18 1.4.3 Tế bào điện hóa ba điện cực 22 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO 24 VÀ PHƢƠNG PHÁP KHẢO SÁT MẪU 24 2.1 Thực nghiệm chế tạo mẫu 24 2.1.1 Phƣơng pháp chế tạo “khuôn cứng” 24 2.1.2 Phƣơng pháp chế tạo vật liệu photphua lƣỡng kim Co1-xFexP cấu trúc nano xốp 24 2.1.3 Hóa chất thiết bị chế tạo mẫu 24 2.1.4 Thực nghiệm chế tạo mẫu 27 2.2 Một số phƣơng pháp khảo sát mẫu 31 2.2.1 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 31 2.2.2 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 33 2.2.3 Khảo sát thuộc tính xúc tác điện hóa cho q trình tiến hóa oxy hydro với hệ điện hóa ba điện cực 34 2.2.4 Các phƣơng pháp điện hóa 35 2.2.5 Phép phân tích định lƣợng sản phẩm khí (H2, O2) sắc kí khí (GC) 37 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 39 3.1 Đặc trƣng cấu trúc vật liệu nano xốp photphua lƣỡng kim Co1-xFexP 39 3.2 Hình thái bề mặt vật liệu nano xốp photphua lƣỡng kim Co1-xFexP 41 3.2 Khảo sát hiệu suất xúc tác điện hóa HER, OER vật liệu Co1-xFexP cấu trúc nano xốp 44 3.2.1 Khảo sát hiệu suất xúc tác điện hóa OER vật liệu photphua lƣỡng kim nano xốp ứng với tỉ lệ tiền chất Co/Fe khác 44 3.2.2 Khảo sát hiệu suất xúc tác điện hóa HER vật liệu photphua lƣỡng kim nano xốp ứng với tỉ lệ tiền chất Co/Fe khác 49 3.2.3 Hiệu suất xúc tác photphua lƣỡng kim Co0,6Fe0,4P q trình tách nƣớc điện hóa tổng thể 52 KẾT LUẬN 54 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (bản sao) DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt OER HER PS IO SEM EDX XRD UV-Vis TEM XPS TMP LSV CV Tên đầy đủ Oxygen evolution reaction Hydrogen evolution reaction Polystyrene Nghĩa tiếng Việt Phản ứng tiến hóa oxy Phản ứng tiến hóa hydro Vật liệu polystyrene Cấu trúc nano xốp (cấu Inverse Opal trúc tổ ong hay mao quản) Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét Energy-dispersive X-ray Phổ tán xạ lƣợng tia spectroscopy X X-ray Difraction Nhiễu xạ tia X Ultraviolet–visible Phƣơng pháp quang phổ spectroscopy hấp thụ Transmission Electron Kính hiển vi điện tử truyền Microscopy qua X-ray Photoelectron Phổ quang điện tử tia X Spectroscopy Photphua kim loại chuyển Transition metal phosphides tiếp Linear sweep voltage Thế quét tuyến tính Cyclic voltammetry Thế qt vịng tuần hồn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 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 Co1-xFexP đƣợc tổng hợp với tỉ lệ tiền chất Co/Fe khác 1M KOH 49 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc lăng trụ tam giác tứ diện photphua Hình 1.2: Cấu trúc tinh thể photphua kim loại chuyển tiếp Hình 1.3: Biểu diễn cấu trúc giản đồ cho hấp phụ hydro (a) CoP, (b) Fe0,25Co0,75P, (c) Fe0,33Co0,66P, (d) Fe0,5Co0,5P [45] 10 Hình 1.4: (a) Chu trình lƣu trữ lƣợng chuyển đổi lƣợng hydro oxy Hai phản ứng nửa tế bào để lƣu trữ lƣợng điện phân nƣớc phản ứng tiến hóa oxy (OER) phản ứng tiến hóa hydro (HER) Để chuyển đổi lƣợng, phản ứng nửa tế bào phản ứng khử oxy (ORR) phản ứng oxy hóa hydro (HOR) (b) Sơ đồ (overpotential) liên quan đến trình xúc tác điện hóa oxy (OER, ORR) hydro (HER, HOR) Q trình xúc tác điện hóa oxy hạn chế đáng kể hiệu suất lƣợng khả phản ứng thiết bị lƣợng điện hóa có nhiều lƣợng cần thiết để thúc đẩy phản ứng, sử dụng chất xúc tác tiên tiến Các phản ứng hiển thị đƣợc xây dựng cho chất điện phân tính kiềm.[49] 15 Hình 1.5: Cơ chế phản ứng OER cho điều kiện kiềm Đƣờng màu xanh biểu thị tiến hóa oxy liên quan đến hình thành chất trung gian peroxide (M–OOH) Đƣờng màu tím phản ứng trực tiếp hai chất trung gian oxo (M–O) liền kề để tạo oxy [52] 17 Hình 1.6: Các biểu diễn 2D chế chuyển đổi proton (pH = 1) nƣớc (pH = 13) thành H2 [55] 18 Hình 1.7: Phác thảo tế bào tách nƣớc điện hóa 19 Hình 1.8: Các mức lƣợng phản ứng điện hóa [53] 21 Hình 1.9: Thiết lập thí nghiệm cho tế bào điện hóa ba điện cực [57] 23 Hình 2.1: Các thiết bị thí nghiệm đƣợc chụp phịng thí nghiệm vật lí chất rắn trƣờng Đại học Quy Nhơn: a) Máy rung rửa siêu âm; b) Tủ sấy 900C; c) Tủ sấy 600C; d) Máy khuấy từ có gia nhiệt; e) Máy bơm hút chân khơng; f) Cân phân tích 25 Hình 2.2: Các dụng cụ điển hình trình tiến hành thực nghiệm a) Ống pipet BIOHIT Proline 20 µl; b) Cốc 50 ml; 26 Hình 2.3: Các hóa chất đƣợc sử dụng trình chế tạo mẫu: a) Potasslum hydroxide KOH; b) Cobalt nitrate hexahydrate Co(NO3)2.6H2O; c) Ethanol C2H5OH; d) Iron (III) nitrate nonahydrate Fe(NO3)3.9H2O 26 Hình 2.4: Quy trình tổng hợp Polystyrene (PS) 27 Hình 2.5: Sản phẩm sau phủ PS: a) 0,5g PS + 20ml C 2H5OH; b) Đế nickel đƣợc phủ PS 28 Hình 2.6: Pha hỗn hợp lƣỡng kim theo tỉ lệ khác 30 Hình 2.7: Hệ thống photphate hóa phịng thí nghiệm vật lí chất rắn, Trƣờng ĐH Quy Nhơn, đƣợc sử dụng để tổng hợp vật liệu 30 Hình 2.8: Các mẫu oxit lƣỡng kim đế nickel trƣớc sau photphate hóa 31 Hình 2.9: Máy HITACHI S – 4800, Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam 32 Hình 2.10: Nguyên tắc chung chụp ảnh qua kính hiển vi điện tử qt 33 Hình 2.11: Hiện tƣợng nhiễu xạ tia X 34 Hình 2.12: Thiết bị nhiễu xạ tia X D8 advance Eco (Bruker) 34 Hình 2.13: Cấu tạo hệ đo điện hóa ba cực 34 Hình 2.14: Hệ đo điện hóa ba cực: a) Hệ đo điện hóa ba cực; b) Bình điện phân cực tự thiết kế 35 Hình 2.15: Đồ thị CV điển hình mẫu xúc tác Pt/C dung dịch H2SO4 0,2 M 36 ... lƣỡng kim cấu trúc nano xốp làm chất xúc tác cho q trình tách nƣớc điện hóa tổng thể? ?? Hy vọng với đề tài góp phần mở hƣớng nghiên cứu triển vọng mới, tạo chất xúc tác có cấu trúc nano xốp lĩnh... tính xúc tác điện hóa cho q trình tiến hóa q trình tiến hóa hydro tách nƣớc điện hóa tổng thể vật tổng hợp đƣợc Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu: Vật liệu photphua lƣỡng kim. .. lƣỡng kim có cấu trúc nano xốp (Co1-xFexP IO) Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát điều kiện ảnh hƣởng đến thuộc tính xúc tác cho q trình tách nƣớc điện hóa tổng thể vật liệu cấu trúc nano xốp Co1-xFexP