Báo cáo thực tập tốt nghiệp ngành điện công nghiệp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA HÓA HỌC BÁO CÁO THỰC TẬP MÔN: CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: HUỲNH LÊ THANH NGUYÊN TPHCM, 2020 TỔNG QUAN Điện hóa học là một nhánh của hóa học nghiên cứu về sự tương tác của các chất hóa học với dòng điện Các lĩnh vực nghiên cứu của điện hóa học trải dài từ các hiện tượng (điện phân, điện di, ăn mòn,…), các thiết bị (cảm biến, pin, tụ,…) đến các công nghệ (mạ điện, luyện kim, điện phân điều chế,…) Các nhà hóa học không chỉ sử dụng điện hóa học để nghiên cứu các tính chất điện của hệ mà còn sử dụng điện hóa học một công cụ phân tích đắc lực tương tự các phương pháp sắc ký, quang phổ,… Nắm bắt nhu cầu về nhân lực của xã hội cũng sự phát triển về nghiên cứu khoa học bản của Việt Nam, môn học Công nghệ điện hóa, với 40 tiết học lý thuyết và 20 tiết học thực tập, đã cung cấp cho sinh viên cái nhìn tổng quan nhất về điện hóa học hiện đại Trong 20 tiết thực tập, sinh viên trải qua bài thực hành gồm: (1) Xác định mật độ dòng ăn mòn, (2) Tổng hợp polymer dẫn PANi bằng phương pháp quét thế vòng tuần hoàn và khảo sát hoạt tính điện hóa, (3) Tổng hợp MnO2 bằng phương pháp điện phân đẳng dòng và khảo sát hoạt tính điện hóa Thông tin chi tiết về bài thực hành được đề cập ở phần dưới có thể thấy, thiết kế học phần thực tập đã bao hàm những khía cạnh bản nhất của điện hóa học, giúp sinh viên ngoài củng cố kiến thức lý thuyết còn hình dung tốt những ứng dụng của ngành học này quy mô phòng thí nghiệm Đặc biệt, thiết bị được sử dụng cho bài thực tập lần này là thiết bị Open Electrochemical Platform-Solution (OEPS) được chính phòng thí nghiệm thiết kế và phát triển Thiết bị này không chỉ nhỏ gọn, rẻ và hiệu quả mà còn khẳng định được sự tiện dụng của mình có sự cố mất điện diễn ngày thực tập Hơn nữa, sinh viên chỉ ngày thực tập đã thành thục việc điều khiển OEPS thực hiện các phương pháp: quét thế vòng tuần hoàn (cyclic voltammetry, CV), quét thế tuyến tính (linear sweep scan voltammetry, LSV) và phương pháp đẳng dòng (Galvanostatic) nhờ giao diện điều khiển sinh động, dễ hiểu cũng thao tác đo đơn giản của thiết bị này BÀI 1: NGHIÊN CỨU ĂN MÒN ĐIỆN HÓA THÉP CT3 VÀ INOX 316L Lý thuyết Ăn mòn là một hiện tượng xuất hiện khắp nơi đời sống; thế nhưng, hiện tượng này có rất nhiều định nghĩa Một những định nghĩa đơn giản nhất của ăn mòn là sự oxi hóa các kim loại trở về trạng thái bền của chúng Ăn mòn quan trọng bởi hiện tượng này ảnh hưởng đến kinh tế, sự an toàn và sự bảo tồn các vật dụng, kiến trúc,… bằng kim loại Vì vậy việc nghiên cứu và cố gắng cản trở quá trình ăn mòn từ lâu đã trở thành một mục tiêu không thể bỏ qua nhắc đến điện hóa học Một những phương pháp nghiên cứu ăn mòn thông dụng nhất chính là phương pháp ngoại suy Tafel (hình 1) Trong phương pháp này, quá thế được vẽ theo giá trị logarit thập phân của mật độ dòng, sau đó nhánh anode và cathode được ngoại suy đến đường thẳng quá thế bằng 0, giao điểm này chính là logarit của mật độ dòng ăn mòn Hình 1: Xác định mật độ dòng ăn mòn bằng phương pháp ngoại suy Tafel Nội dung thực hành Trong bài thực hành này, sinh viên sẽ khảo sát lần lượt hiện tượng ăn mòn điện hóa điện cực thép CT3 đường kính 0.6cm và điện cực inox 316L có đường kính 1cm Trước khảo sát, sinh viên sẽ mài bề mặt điện cực bằng giấy nhám với kích thước hạt giảm dần để làm lộ lớp kim loại/hợp kim cần được khảo sát Với thép CT3, sinh viên lần lượng thực hiện khảo sát môi trường nước máy, NaCl 10-2M và H2SO4 10-3M Đầu tiên, sinh viên chuẩn bị điện cực, hệ đo và tiến hành đợi hệ đạt thế mạch hở (open circuit voltage, OCV) sau đó khảo sát ăn mòn khoảng 500mV xung quanh giá trị OCV Yêu cầu với thí nghiệm này là xác định mật độ dòng ăn mòn bằng phương pháp ngoại suy Tafel và tốc độ ăn mòn (tính theo công thức (1)) v corr = 3.15  i corr  EW d (1) Trong icorr là mật độ dòng ăn mòn tính theo đơn vị mA/cm2, EW là đương lượng gam của kim loại tính theo g/mol và d là khối lượng riêng tính theo g/cm3 giá trị tốc độ ăn mòn tính theo công thức này có đơn vị mm/năm Với inox 316L, sinh viên sẽ dựng giản đồ Evan hay đường cong phân cực tức đồ thị của thế theo mật độ dòng ăn mòn để khảo sát khả thụ động, tái thụ động của hợp kim này cũng so sánh với đồ thị được cung cấp bởi giảng viên Hình 2: Đường cong phân cực của inox 316L được cung cấp bởi giảng viên Kết quả và biện luận 3.1 Nghiên cứu ăn mòn điện hóa thép CT3 (a) (b) (c) Hình 3: Giản đồ Tafel của thép CT3 môi trường nước máy (a), NaCl 10-2 M (b) và H2SO4 10-3 M Bảng 1: Thế ăn mòn (V), phương trình đường thẳng ngoại suy Tafel và mật độ dòng ăn mòn (mA/cm2) của thép CT3 các môi trường Phương trình đường thẳng ngoại suy Tafel Thế ăn Môi trường Mật độ dòng ăn mòn, Ecorr Đường ngoại suy Đường ngoại suy mòn, icorr (V) cathode Anode (mA/cm2) Nước máy -0.366 y = -6.623x - 8.160 y = 6.990x – 3.270 1.412 x 10-6 NaCl 10-2 M -0.509 y = -5.251x – 7.798 y = 8.778x – 0.538 8.872 x 10-6 H2SO4 10-3 M -0.513 y = -6.842x – 8.117 y = 8.964x + 0.020 2.783 x 10-5 Sử dụng công thức (1), ta tính được tốc độ ăn mòn từ mật độ dòng ăn mòn với đương lượng gram của thép CT3 là 28 g/mol, khối lượng riêng thép CT3 là 7.80 g/cm3 Bảng 2: Kết quả tốc độ ăn mòn (mm/năm) các môi trường khác Môi trường Tốc độ ăn mòn (mm/năm) Nước máy NaCl 10-2 M H2SO4 10-3 M 1.597 x 10-5 1.003x10-4 3.147 x 10-4 Nhật xét: Tốc độ ăn mòn môi trường H2SO4 10-3M là nhanh nhất và nước máy là thấp nhất hoàn toàn phù hợp với lý thuyết Song, việc thế ăn mòn môi trường NaCl 10-2 M và H2SO4 10-3M là tương đương có thể đến từ sai sót quá trình thực nghiệm Sinh viên cần lưu ý, trau dồi, nâng cao tay nghề 3.2 Nghiên cứu ăn mòn điện hóa Inox 316L Đường cong phân cực dựng nhờ kết quả thực nghiệm của nhóm có nhiều điểm tương đồng với kết quả của ASTM Song, nhiều khu vực thay vì là một khoảng thu động thì kết quả của nhóm lại là bộ các điểm thụ động, tái thụ động liên tục Có thể dự đoán kết quả này đến chủ yếu từ lí do: (1) Tay nghề của sinh viên còn kém lần đầu lắp đặt một hệ điện hóa, (2) Sự oxi hóa không đồng đều của các nguyên tố thành phần của Inox 316L khiến đường cong phân cực có sự sai khác so với Inox 316L chuẩn Hình 4: Đường cong phân cực của Inox 316L môi trường H2SO4 1M BÀI 2: TỔNG HỢP POLYMER DẪN ĐIỆN PANi BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUÉT THẾ VÒNG TUẦN HOÀN VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT TÍNH ĐIỆN HÓA Lý thuyết Thập niên 50-60 của thế kỉ XX, là một cột mốc quan trọng của hóa học nói chung và ngành polymer, điện hóa nói riêng bởi sự xuất hiện của polymer dẫn điện Polymer dẫn điện được trông chờ sẽ lên các lĩnh vực điện tử, điện hóa, nhiệt điện, điện từ, màn hiển thị,… Trong số đó, polyaniline (PANi) là một nhũng polymer dẫn đầy hứa hẹn với những đặc tính dễ tổng hợp, bền so với các polymer dẫn khác, monomer (aniline) có giá thành rẻ Đặc biệt, tính chất hóa, lí của PANi phụ thuộc lớn vào phương pháp điều chế, hình thái bề mặt, trạng thái oxi hóa (hình 2),… Hình 1: một số polymer dẫn Hình 2: Các dạng oxi hóa khử của PANi Song, nhiều ứng dụng của các polymer dẫn bao gồm PANi vẫn chưa được khai thác bởi những trở ngại khó vượt qua độ dẫn thấp so với kim loại, khó hòa trộn với các vật liệu khác và kém tan dung môi Để khắc phục các khó khăn này, các chất độn (doping) được thêm vào để tinh chỉnh các tính chất của polymer Nội dung thực hành Trong bài thực hành này, sinh viên sẽ tổng hợp PANi lên điện cực in và điện cực in đế đồng có đường kính làm việc khoảng 0.4cm bằng phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (CV) và khảo sát hoạt tính điện hóa của các màng này dung dịch H2SO4 1M Đặc biệt, một doping là graphene sẽ được sử dụng để cung cấp cho sinh viên cái nhìn tổng quan về tác dụng của phụ gia polymer Sinh viên được cung cấp điện cực in và điện cực in đế đồng Đầu tiên, dung dịch aniline H2SO4 và hỗn hợp IPA:H2O tỉ lệ 1:1 và dung dịch tương tự được thêm graphene, đánh siêu âm đến phân tán rất tốt sẽ được sinh viên tự chuẩn bị Khoảng thế để phủ màng cho điện cực in và điện cực in đế đồng lần lượt là từ -1.7V đến 1.7V và từ 1.2 đến 1.7V Cuối cùng, sinh viên sẽ thử hoạt tính của điện cực vừa thu được dung dịch H2SO4 1M với khoảng thể quét từ đến 1V ở hai tốc độ quét 10mV/s và 25mV/s Hoạt tính màng được đánh giá theo giá trị điện dung, tính theo công thức: C=  IdE  Working Area  v  E (1) Trong công thức này, giá trị tích phân IdE được xác định từ diện tích dưới đường cong I-E chu kỳ hoàn chỉnh của đồ thị CV thử hoạt tính, working area là diện tích làm việc điện cực (cm2), v là tốc độ quét (V/s), ΔE là khoảng thế quét (V) và điện dung tính theo đơn vị F/cm2 Kết quả và thực nghiệm (a) (b) Hình 3: Đồ thị CV phủ màng PANi lên bề mặt điện cực in (SPE) với dung dịch aniline (a) và hệ aniline-graphene (b) (a) (b) Hình 3: Đồ thị CV phủ màng PANi lên bề mặt điện cực in (SPE) đế đồng với dung dịch aniline (a) và hệ anilinegraphene (b) Đồ thị CV phủ màng PANi cung cấp cho ta nhiều thông tin quan trọng Trong đó, dễ thấy sử dụng dung dịch aniline hay hệ aniline-graphene để phủ, ta thu được đồ thị CV khá tương đồng, song về mặt cảm quan, sử dụng hệ aniline-graphene, màng PANi phủ lên diện tích làm việc đậm màu Giữa việc sử dụng điện cực in thuần và điện cực in đế đồng có nhiều điểm khác đáng kể: (1) độ lớn dòng tăng đáng kể nhờ độ dẫn của đồng lớn của carbon; (2) xuất hiện các peak tạp sự oxi hóa khử của đồng, làm một lượng Cu(II) xuất hiện màng PANi Song, các lập luận đều xuất phát từ cảm quan, dự đoán dẫn đến việc thử hoạt tính điện hóa của màng là rất cần thiết (a) (b) Hình 4: Đồ thị CV thử hoạt tính của màng PANi phủ điện cực in với dung dịch aniline (a) và hệ aniline graphene (b) (a) (b) Hình 5: Đồ thị CV thử hoạt tính của màng PANi phủ điện cực in đế đồng với dung dịch aniline (a) và hệ aniline-graphene (b) Bảng 1:Kết quả thử thử hoạt tính điện hóa của các điện cực vừa được phủ màng PANi Tốc độ quét (V/s) Tính phân IdE Điện dung (F/cm2) Dung dịch 0.010 0.0680 27.04 aniline 0.025 0.0603 9.604 Hệ aniline- 0.010 2.3728 944.1 graphene 0.025 1.5945 253.8 Dung dịch 0.010 0.0589 23.43 Điện cực in đế aniline 0.025 0.0592 9.426 đồng Hệ aniline- 0.010 1.5545 618.5 graphene 0.025 0.8271 131.6 Điện cực in Lập luận xuất hiện Cu(II) các màng PANi phủ điện cực in đế đồng đã được chứng mình bằng peak oxi hóa khử với hình dạng phức tạp ở khoảng 0.4V đồ thị CV thử hoạt tính Sử dụng công thức (1), ta thu được kết quả thử hoạt tính điện hóa của các điện cực, kết quả cung cấp nhiều thông tin độc đáo Việc sử dụng hệ phủ màng là hệ graphene phân tán dung dịch aniline giúp điện dung màng tăng lên đáng kể Hơn nữa, việc sử dụng điện cực in đế đồng dù cho màng có màu đậm, nhìn rõ lại làm giảm nhẹ điện dung màng Song, các kết quả này được thực hiện bởi các sinh viên có tay nghề khá kém, lần đầu tiếp xúc với điện hóa chỉ có thể mang tính tham khảo, cần lặp lại nhiều lần để đưa được kết luận chính xác BÀI 3: TỔNG HỢP MnO2 BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN PHÂN VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT ĐIỆN HÓA Lý thuyết Từ lâu lịch sử, các quặng MnO2 đã được sử dụng làm bột màu đen cho tranh vẽ Ngày nay, MnO2 là một những oxide kim loại thông dụng nhất được sử dụng làm xúc tác; chất hấp phụ chất độc, ion, phân tử; chất oxi hóa chọn lọc hữu cơ; bột màu cho gốm sứ;… Trong đó, những công dụng đáng chú ý nhất của MnO2 chính là các công dụng điện hóa làm điện cực cho pin, siêu tụ nhờ điện dung rất lớn, ít độc, có nhiều tự nhiên và giá thành rẻ của hợp chất này Song, các pha khác của MnO2 có hoạt tính điện hóa khác nhau, nhiều nghiên cứu đã khảo sát quá trình hình thành các pha của MnO2 quá trình điều chế Hình 1: Một số dạng cấu trúc của MnO2 Nội dung thực hành Trong bài thực tập này, sinh viên sẽ tổng MnO2 bằng phương pháp điện phân đẳng dòng ở mật độ dòng 2.5 mA/cm2 và mA/cm2 Các dung dịch điện phân là Mn(NO3)2 0.3M pH và Mn(NO3)2 0.3M Na2SO4 0.9M pH Sinh viên tiến hành lần lượt điện phân, ghi nhận hiện tượng và khảo sát hoạt tính điện cực bằng phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (CV) dung dịch Na2SO4 1M với khoảng thế đến 1V lần lượt cùng tốc độ 10mV/s và 25mV/s Hoạt tính màng được đánh giá thông qua giá trị điện dung C=  IdE (1)  m  v  E Trong công thức này, giá trị tích phân IdE được xác định từ diện tích dưới đường cong I-E chu kỳ hoàn chỉnh của đồ thị CV thử hoạt tính, m là khối lượng sản phẩm (g), v là tốc độ quét (V/s), ΔE là khoảng thế quét (V) và điện dung tính theo đơn vị F/g Kết quả và biện luận Kết quả điện phân thu được bảng … thể hiện hiệu suất điện phân của nhóm là khá tốt Song, kết quả hiệu suất dòng này không đáng tin cậy vì cả mẫu đều có sự điện phân nước dẫn đến mất hiệu suất hoặc mất bớt sản phẩm có bọt khí sủi bề mặt điện cực Vì vậy, việc thử hoạt tính điện hóa của lớp sản phẩm dung dịch Na2SO4 là rất cần thiết Bảng 1: Kết quả điện phân sau 30 phút của các mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Mẫu Khối lượng ban đầu (g) 1.9291 3.9785 4.0367 2.1140 Mật độ dòng (mA/cm2) 2.5 2.5 Diện tích làm việc (cm2) 1 1 Khối lượng sau điện phân (g) 1.9304 3.9802 4.0379 2.1180 Khối lượng thay đổi thực (g) 0.0013 0.0017 0.0012 0.0040 Khối lương thay đổi theo lý thuyết (g) 0.0020 0.0041 0.0020 0.0041 Hiệu suất dòng (%) 64.08 41.90 59.15 98.58 a) b) c) d) Hình 2: Đồ thị CV thử hoạt tính màng sản phẩm MnO2 của mẫu (a), (b), (c), (d) Bảng 2: Kết quả điện dung màng sản phẩm MnO2 của các mẫu Mẫu Tốc độ quét (V/s) Tính phân IdE Điện dung (MF/g) 0.010 9.7162 0.374 0.025 4.6234 0.071 0.010 2.1603 0.064 0.025 1.6665 0.020 0.010 1.8608 0.078 0.025 1.6191 0.027 0.010 14.7845 0.185 0.025 7.3259 0.037 Đúng dự đoán quan sát quá trình điện phân, mẫu có điện dung cao nhất rất ít bọt khí được sinh quá trình điện phân Song, từ mẫu sang mẫu 4, tăng mật độ dòng điện phân lại khiến điện dung tăng có thể sự hình thành pha γ-MnO2 có điện dung cao TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bhadra, S., Khastgir, D., Singha, N K., & Lee, J H (2009) Progress in preparation, processing and applications of polyaniline Progress in Polymer Science (Oxford), 34(8), 783–810 https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2009.04.003 [2] Kinyanjui, J M., Wijeratne, N R., Hanks, J., & Hatchett, D W (2006) Chemical and electrochemical synthesis of polyaniline/platinum composites Electrochimica Acta, 51(14), 2825–2835 https://doi.org/10.1016/j.electacta.2005.08.013 [3] Dupont, M F., & Donne, S W (2016) Electrolytic Manganese Dioxide Structural and Morphological Effects on Capacitive Performance Electrochimica Acta, 191, 479–490 https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.01.050 [4] Julien, C M., & Mauger, A (2017) Nanostructured MnO2 as electrode materials for energy storage Nanomaterials, 7(11), 1–41 https://doi.org/10.3390/nano7110396 [5] Van Man Tran, Le Thanh Nguyen Huynh & My Loan Phung Le (2011) Synthesis of electrolytic manganese dioxide and factors influencing phase structure  ... Hoạt tính màng được đánh giá theo giá trị điện dung, tính theo công thức: C=  IdE  Working Area  v  E (1) Trong công thức này, giá trị tích phân IdE được xác định từ diện... hóa chọn lọc hữu cơ; bột màu cho gốm sứ;… Trong đó, những công dụng đáng chú ý nhất của MnO2 chính là các công dụng điện hóa làm điện cực cho pin, siêu tụ nhờ điện... lực của xã hội cũng sự phát triển về nghiên cứu khoa học bản của Việt Nam, môn học Công nghệ điện hóa, với 40 tiết học lý thuyết và 20 tiết học thực tập, đã cung cấp