Đang tải... (xem toàn văn)
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGÔ THỊ MỸ DUYÊN NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU NANO DẠNG MÀNG PHÂN TỬ HỮU CƠ PORPHYRIN ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU XÚC TÁC CHO QUÁ TRÌNH KHỬ O2 Chuyên ngành V[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGÔ THỊ MỸ DUYÊN NGHIÊN CỨU VẬT LIỆU NANO DẠNG MÀNG PHÂN TỬ HỮU CƠ PORPHYRIN ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU XÚC TÁC CHO QUÁ TRÌNH KHỬ O2 Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Ngƣời hƣớng dẫn: TS Phan Thanh Hải LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu vật liệu nano dạng màng phân tử hữu porphyrin định hướng ứng dụng làm vật liệu xúc tác cho trình khử O2” trung thực chƣa công bố cơng trình Các kết nghiên cứu đƣợc thực Trƣờng Đại học Quy Nhơn, dƣới hƣớng dẫn nhiệt tình thầy TS Phan Thanh Hải Các nguồn tài liệu tham khảo đƣợc trích dẫn đầy đủ Học viên Ngô Thị Mỹ Duyên LỜI CẢM ƠN Với lịng biết ơn sâu sắc, tơi xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành tới TS.Phan Thanh Hải công tác Khoa Khoa học tự nhiên, Trƣờng Đại học Quy Nhơn Thầy ngƣời trực tiếp giao đề tài tận tình hƣớng dẫn tơi hồn thiện luận văn Tơi xin cảm ơn quan tâm, giúp đỡ, ân cần bảo nhiệt tình giảng dạy thầy mơn Vật – Khoa học vật liệu, Khoa hoa học tự nhiên, Trƣờng Đại học Quy Nhơn Những kiến thức mà thầy hết lịng truyền đạt tảng tri thức vững cho trình học tập nhƣ sau trƣờng Tơi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa Khoa học tự nhiên Phòng đào tạo Sau đại học Trƣờng Đại học Quy Nhơn, tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành khóa học trƣờng Cuối cùng, tơi xin bày tỏ tình cảm với ngƣời thân gia đình, bàn bè đồng nghiệp động viên, giúp đỡ, hỗ trợ mặt Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên Ngô Thị Mỹ Duyên MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN ANH MỤC C C CH VI T TẮT, C C HI U ANH MỤC C C H NH MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu 3 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 4 Phƣơng pháp nghiên cứu nghĩa khoa học Cấu trúc luận văn CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu q trình khử điện hóa O2 1.2 Giới thiệu porphyrin 1.3 Cơ sở lý thuyết Đồng đơn tinh thể Đồng 10 1.4 Điện hóa học bề mặt phân cách rắn – lỏng 11 1.4.1 Mặt phân cách rắn – lỏng 11 1.4.2 Sự hấp phụ đặc trƣng anion bề mặt điện cực trình tự xếp phân tử hữu ớp anion 13 1.5 Cơ sở lý thuyết phƣơng pháp drop-casting 14 1.6 Cơ sở lý thuyết phƣơng pháp đặc trƣng vật liệu 15 1.6.1 Phƣơng pháp quét vòng tuần hoàn (CV) 15 1.6.2 Phƣơng pháp quét tuyến tính (LSV) 17 1.6.3 Phƣơng pháp hiển vi lực nguyên tử (AFM) 17 1.6.4 Phƣơng pháp hiển vi quét xuyên hầm ƣợng tử điện hóa (EC-STM) 18 CHƢƠNG THỰC NGHI M 21 2.1 Tổng hợp vật liệu xúc tác 21 2.1.1 Hóa chất 21 2.1.2 Dụng cụ 21 2.1.3 Tổng hợp vật liệu 22 2.2 Các phƣơng pháp đặc trƣng vật liệu 24 2.2.1 Khảo sát tính chất điện hóa hệ vật liệu phƣơng pháp CV LSV 24 2.2.2 Khảo sát hình thái học bề mặt cấu trúc màng cấp độ phân tử phƣơng pháp AFM EC-STM 25 2.3 Khảo sát đặc tính khử O2 màng porphyrin phƣơng pháp quét tuyến tính (LSV) 27 CHƢƠNG K T QUẢ VÀ THẢO LUẬN 28 3.1 Đặc trƣng vật liệu tổng hợp sở phân tử porphyrin 28 3.1.1 Sự hấp phụ anion chloride bề mặt Cu(100) 28 3.1.2 Sự hấp phụ phân tử FePP bề mặt Cu(100) 30 3.1.3 Màng phân tử FePP nhỏ phủ bề mặt Cu(100) (ký hiệu FePP/Cu(100)) 34 3.1.4 Màng phân tử TMP nhỏ phủ bề mặt Cu(100) (ký hiệu TMP/Cu(100)) 37 3.2 Khảo sát trình khử điện hóa O2 hệ vật liệu màng porphyrin 39 3.2.1 Khảo sát trình khử điện hóa O2 màng FePP/Cu(100) 40 3.2.2 Khảo sát q trình khử điện hóa O2 màng TMP/Cu(100) 42 K T LUẬN 44 DANH MỤC TÀI LI U THAM KHẢO 45 QUY T ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (bản sao) ANH MỤC C C CHỮ VI T TẮT C C HIỆU ANH MỤC C C CHỮ VI T TẮT Chữ Tên Tiếng Anh viết tắt Tên Tiếng Việt AFM Atomic force microscope Kính hiển vi lực nguyên tử CDR Copper dissolution reaction Phản ứng hòa tan đồng CE Counter electrode Điện cực phụ trợ CV Cyclic voltammetry Phƣơng pháp quét vịng tuần hồn EC-STM Electrochemical scanning tunneling Phƣơng pháp hiển vi quét xuyên hầm microscopy ƣợng tử điện hóa fcc Face centered cubic Lập phƣơng tâm diện FePP Iron(III) meso-Tetraphenyl Porphine Iron(III) meso-Tetraphenyl Porphine Chloride Chloride 5,10,15,20-Tetrakis-(Nmethyl-4- 5,10,15,20-Tetrakis-(Nmethyl-4- pyridyl)-porphyrin-Fe(III) pyridyl)-porphyrin-Fe(III) pentatosylate pentatosylate Gouy – Chapman – Stern – Mơ hình Gouy – Chapman – Stern – Gramham Gramham HER Hydrogen evolution reaction Phản ứng tạo hydro bay HOPG Highly orientend pyrolytic graphite Graphite định hƣớng cao LP Line profile Phép đo LSV Linear sweep voltammetry Phƣơng pháp quét tuyến tính OER Oxygen evolution reaction Phản ứng oxy bay PEMFC Proton exchange membrane fuel cell Pin nhiên liệu sử dụng màng trao đổi FeMPP GCSG proton RE Reference electrode Điện cực so sánh STM Scanning tunneling microscopy Phƣơng pháp hiển vi quét xuyên hầm ƣợng tử TMP 5,10,15,20-tetrakis- (2,4,6- 5,10,15,20-tetrakis- (2,4,6- WE trimethylphenyl)-porphyrin trimethylphenyl)-porphyrin Working electrode Điện cực làm việc DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU E Điện điện cực làm việc so với điện cực so sánh Ag/AgCl (CKCl = M) It Cƣờng độ dòng xuyên hầm Ubias Điện đầu dò (tip) mẫu ANH MỤC C C H NH Hình Mơ hình hoạt động pin PEMFC Hình 1.1 Các trình khử O2 tế bào nhiên liệu H2 với nguồn cung cấp H2 từ trình tách nƣớc sử dụng ƣợng mặt trời Hình 1.2 Công thức cấu tạo porphine quy tắc đánh số Hình 1.3 Cơng thức cấu tạo TMP, FePP Hình 1.4 Sự xếp lớp nguyên tử mạng tinh thể fcc 11 Hình 1.5 a) Mặt phẳng (100) mạng tinh thể Cu, b) Hình ảnh EC-STM Cu(100) E = 0,09 V so với Ag/AgCl (CKCl = M), Ubias = 35 mV, It = nA 11 Hình 1.6 Mơ hình Gouy-Chapman-Stern-Grahame 12 Hình 1.7 Sự hấp phụ đặc trƣng anion bề mặt điện cực 13 Hình 1.8 Mơ hình tự lắp ráp phân tử hữu ớp anion hấp phụ 14 Hình 1.9 Mơ tả phƣơng pháp drop-casting 15 Hình 1.10 Nguyên tắc hoạt động hệ điện cực, CE: điện cực phụ trợ, WE: điện cực làm việc, RE: điện cực so sánh 16 Hình 1.11 Sơ đồ giải thích chế làm việc kính hiển vi lực nguyên tử 18 Hình 1.12 Sơ đồ biểu thị nguyên tắc hoạt động hệ STM 19 Hình 2.1 Một số dụng cụ chuẩn bị thí nghiệm (Trƣờng Đại học Quy Nhơn) 22 Hình 2.2 Làm bề mặt Cu(100) 23 Hình 2.3 a) Bề mặt Cu(100) có màng TMP; b) Bề mặt Cu(100) có màng FePP 24 Hình 2.4 Tế bào điện hóa 24 Hình 2.5 Thiết bị đo CV trƣờng Đại học Quy Nhơn 25 Hình 2.6 Hình ảnh hệ Keysight 5500 AFM khoa Hóa, KU Leuven, Bỉ 26 Hình 2.7 Hình ảnh hệ EC-STM khoa Hóa, KU Leuven, Bỉ 26 Hình 3.1 CV Cu(100) dung dịch KCl 10 mM + H2SO4 mM 28 Hình 3.2 (a-b) Hình ảnh EC-STM mơ tả hấp phụ anion clorua bề mặt Cu(100), E = 0,1 V vs RHE, Ubias = 35 mV, It = nA; c) Mơ hình cấu trúc lớp hấp phụ anion clorua Cu(100) 29 Hình 3.3 CV điện cực HOPG dung dịch đệm (KCl 10 mM + H2SO4 mM) dung dịch đệm chứa phân tử FeMPP (FeMPP mM + KCl 10 mM + H2SO4 mM) CV màu xanh đƣợc chèn vào để so sánh hai điện cực HOPG Cu(100) 31 Hình 3.4 CV điện cực Cu(100) dung dịch đệm (KCl 10 mM + H2SO4 mM; CV màu đen) dung dịch đệm chứa phân tử FeMPP (FeMPP mM + KCl 10 mM + H2SO4 mM, CV màu xanh dƣơng) 32 Hình 3.5 a-c) Hình thái học cấu trúc bề mặt cấp độ phân tử màng đơn ớp FeMPP lớp đệm clorua, E = -0,5 V; It = 0,1 nA, Ubias = 20 mV; d) Phép đo LP đƣợc thực dọc theo đƣờng nét đứt màu trắng Hình 3.5c mơ tả tâm sắt phân tử FeMPP 33 Hình 3.6 CV Cu(100) Cu(100)+FePP H2SO4 35 Hình 3.7 Hình thái học bề mặt màng FePP đo phƣơng pháp AFM 36 Hình 3.8 Cấu trúc màng FePP cấp độ phân tử đo phƣơng pháp STM 37 Hình 3.9 CV Cu(100) Cu(100)+TMP H2SO4 37 Hình 3.10 Hình thái học bề mặt màng TMP đo phƣơng pháp AFM 38 Hình 3.11 Cấu trúc màng TMP cấp độ phân tử đo phƣơng pháp STM 39 Hình 3.12 Đồ thị LSV mơ tả trình khử O2 FePP 40 Hình 3.13 Đồ thị LSV mơ tả q trình khử O2 FePP 0,1 mM; mM; 2,5 mM mM 41 Hình 3.14 Cơ chế khử O2 màng FePP 42 Hình 3.15 Đồ thị LSV mơ tả trình khử O2 TMP 42 Hình 3.16 Đồ thị LSV mơ tả trình khử O2 TMP mM TMP 0,1 mM 43 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện nay, giới phụ thuộc vào ƣợng hƣớng dần nguồn ƣợng tái tạo Thật vậy, nhu cầu nguồn ƣợng dựa hóa thạch khan nhƣ dầu mỏ, khí đốt, hóa thạch, than đá, ngày tăng Có thể thấy hậu tiêu cực đến hệ sinh thái, môi trƣờng sống ngƣời động vật, gây biến đổi khí hậu àm trái đất nóng lên hiệu ứng nhà kính [1],[2] Ngày có nhiều nỗ lực để đáp ứng nhu cầu ƣợng giải pháp thay hơn, xanh Chính vậy, việc tìm kiếm nguồn ƣợng mới, ƣợng tái tạo nhằm trì nguồn ƣợng bền vững để cung cấp cho ngƣời, đồng thời có ƣu điểm bật nhƣ thân thiện với mơi trƣờng, giảm thiểu biến đổi khí hậu mang lại lợi ích kinh tế vơ cần thiết Năng ƣợng tái tạo bao gồm: ƣợng gió, ƣợng mặt trời, ƣợng thủy lực, ƣợng thủy triều, ƣợng sóng, ƣợng địa nhiệt, ƣợng sinh khối, khí sinh học, pin nhiên liệu,… Tuy nhiên, hạn chế sử dụng nguồn ƣợng tái tạo hiệu suất chuyển đổi ƣợng cịn thấp Do đó, việc tìm kiếm vật liệu có hiệu suất xúc tác cao nhằm tăng hiệu chuyển đổi, ƣu trữ ƣợng trở thành nhiệm vụ quan trọng Có thể xem giải pháp tối ƣu để sản xuất ƣợng pin nhiên liệu Vì ƣu điểm chúng hiệu suất chuyển đổi ƣợng cao không gây ô nhiễm môi trƣờng sản phẩm trình chuyển đổi điện nƣớc [3] Trong số đó, pin sử dụng màng trao đổi proton viết tắt PEMFC (Hình 1) đƣợc quan tâm ngồi ƣu điểm kể cịn có ƣu điểm nhƣ không gây ồn, linh hoạt, mật độ ƣợng điện ớn, ... số liệu kết nghiên cứu đề tài ? ?Nghiên cứu vật liệu nano dạng màng phân tử hữu porphyrin định hướng ứng dụng làm vật liệu xúc tác cho trình khử O2? ?? trung thực chƣa cơng bố cơng trình Các kết nghiên. .. thành màng phân tử đƣợc kỳ vọng đáp ứng yêu cầu làm chất xúc tác cho trình khử O2 Từ sở khoa học chọn đề tài ? ?Nghiên cứu vật liệu nano dạng màng phân tử hữu porphyrin định hướng ứng dụng làm vật liệu. .. làm vật liệu xúc tác cho trình khử O2? ?? cho luận văn thạc sĩ Mục đích nghiên cứu Tổng hợp đƣợc vật liệu màng mỏng phân tử porphyrin (TMP FePP) Cu(100) có hiệu xúc tác cao với trình khử O2 thân thiện