Nghiên cứu chế tạo vật liệu composit oxit sắt các bon định hướng ứng dụng trong tích trữ năng lượng

BỘGIÁODỤCVÀĐÀOTẠO TRƯỜNGĐẠIHỌCBÁCH KHOAHÀNỘI TrịnhTuấnAnh NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITOXITSẮT/CÁCBONĐỊNHHƯỚNGỨNGD ỤNGTRONGTÍCHTRỮNĂNG LƯỢNG LUẬNÁNTIẾNSỸKHOAHỌCVẬTLIỆU HàNội-2020 BỘGIÁODỤCVÀĐÀOTẠO TRƯỜNGĐẠIHỌCBÁCH KHOAHÀNỘI TrịnhTuấnAnh NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU COMPOSITOXITSẮT/CÁCBONĐỊNHHƯỚNGỨNG DỤNGTRONGTÍCHTRỮNĂNG LƯỢNG LUẬNÁNTIẾNSỸ KHOAHỌCVẬTLIỆU Ngành: Khoa học vật liệuMãsố:9440122 Nờihớnd ẫ n h h ọ : PGS.TS.BùiThịHằng TS.DoãnHàThắng LỜICẢMƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới TS Bùi Thị Hằng ViệnĐào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS) - Đại học Bách khoa học Hà Nội,TS Doãn Hà Thắng - Bộ Khoa học Công nghệ Thầy tận tình giúp đỡhướng dẫn em nghiên cứu tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt thời gianhoànthànhluậnán Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Viện Đào tạo Quốc tế Khoahọc Vật liệu (ITIMS) - Đại học Bách khoa Hà Nội gia đình bạn bè giúpđỡtrongsuốtqtrìnhhọc tậpvàhồnthànhluậnán Dothờigiancóhạnnênluậnánnàykhơngtránhkhỏinhữngsaisót,vìvậyemrất mongnhậnđượcsựgópýcủathầycơvàcácbạnđểluậnánđượchồnthiện Nghiêncứusinh TRỊNHTUẤNANH LỜICAMĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Luận án khơng có saochép tài liệu, cơng trình nghiên cứu người khác mà không rõ mục tàiliệu tham khảo Những kết số liệu luận án chưa cơng bốdưới hình thức Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm trước nhà trường sựcamđoan HàNội,ngày20tháng5năm2020 Thaymặttậpthểhướngdẫn BÙITHỊHẰNG Nghiên cứusinh TRỊNHTUẤNANH MỤCLỤC LỜICẢMƠN i LỜICAMĐOAN ii MỤCLỤC iii DANHMỤCCÁCKÝHIỆU, CÁCCHỮVIẾTTẮT DANHMỤCCÁCBẢNG DANHMỤCCÁCHÌNHVẼ, ĐỒTHỊ Lýdochọnđềtài Phươngpháp nghiên cứu Cácđónggópcủaluậnán Bốcụcluận án 10 Kếtluận 11 CHƯƠNG1:TỔNGQUAN 11 1.1 GIỚITHIỆUCHUNGVỀPIN 12 1.2 MỘT SỐKHÁINIỆMCƠ BẢN .14 1.2.1 Dunglượnglýthuyết 14 1.2.2 Nănglượnglýthuyết 15 1.2.3 Nănglượngriêngvàmậtđộnănglượngcủa pinthực tế 15 1.3 TỔNGQUANVỀPINKIMLOẠI-KHÍ 16 1.4 PIN Fe-KHÍ 19 1.4.1 NguyênlýhoạtđộngvàđặctrưngcủapinFe-khí 19 1.4.2 Điệncựcsắt 21 1.4.3 Nhữngtháchthứcđốivớiđiệncựcsắt 23 1.4.4 Phươngphápkhắcphục 24 1.4.5 Điệncựckhí 26 1.4.6 Dungdịchđiệnly .27 1.5 TỔNGQ U A N T ÌN H H ÌN H N G H I Ê N C Ứ U TRONGN Ư Ớ C V À Q U Ố C T ẾVỀPINFe-KHÍ .27 1.5.1 TổngquantìnhhìnhnghiêncứuquốctếvềpinFe-khí 27 1.5.2 TổngquantìnhhìnhnghiêncứutrongnướcvềpinFe-khí 29 1.6 THỰCNGHIỆMVÀCÁCPHƯƠNGPHÁPNGHIÊNCỨU 31 1.6.1 Thựcnghiệm 31 1.6.1.4 Dungdịchđiệnly 34 1.6.1.5 Chếtạocellbađiệncực 34 1.6.2 Cácphươngphápnghiêncứu .35 1.7 KẾTLUẬN 34 CHƯƠNG2 :K H Ả O S Á T T Í N H C H Ấ T Đ I Ệ N H Ó A C Ủ A V Ậ T L I Ệ U COMPOS ITÔXITSẮT/CÁCBONBẰNGPHƯƠNGPHÁPNGHIỀNTRỘN 2.1 GIỚI THIỆU 35 2.2 KẾTQ U Ả H Ì N H T H Á I H Ọ C V À Đ Ặ C T R Ư N G Đ I Ệ N H Ó A C Ủ A V Ậ T LIỆUÔXITSẮT/CÁC BON 36 2.2.1 HìnhtháihọccủavậtliệuAB,Fe2O3vàFe2O3/AB 36 2.2.2 SựphânbốcủathànhphầnvậtliệutrongcompositFe2O3/AB 38 2.2.3 ĐặctrưngđiệnhóacủađiệncựcAB .39 2.2.4 ĐặctrưngđiệnhóacủađiệncựcFe2O3 40 2.2.5 ĐặctrưngđiệnhóacủađiệncựcFe2O3/AB 42 2.2.6 SựphânbốcủathànhphầnvậtliệutrongđiệncựcFe2O3/ABsauphóng-nạp45 2.3 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐẶC TRƯNG ĐIỆN HÓA CỦA ĐIỆNCỰCnm-Fe2O3/AB .52 2.3.1 Ảnhhưởngcủachấtkếtdính .52 2.3.2 ẢnhhưởngcủahàmlượngFe2O3vàAB 50 2.3.3 ẢnhhưởngcủachấtphụgiaK2S 58 2.4 KẾTLUẬNCHƯƠNG2 61 CHƯƠNG3:NGHIÊNCỨUCHẾTẠOVẬTLIỆUCOMPOSIT ƠXITSẮT/CÁC BON BẰNG CÁC QUY TRÌNH THỦY NHIỆT VÀ KHẢO SÁTTÍNHCHẤTĐIỆNHĨACỦACHÚNG .57 3.1 GIỚI THIỆU 62 3.2 NGHIÊNCỨUCHẾTẠO VÀĐẶCTRƯNG ĐIỆN H Ó A CỦA VẬ TLIỆU Fe2O3TỔNGHỢPTHEOQUYTRÌNHTHỦYNHIỆT1 62 3.2.1 Quytrìnhthủynhiệt1chếtạovậtliệuFe2O3 .62 3.2.2 Kết quảphântíchcấutrúcvậtliệubằnggiảnđồnhiễuxạtiaX .63 3.2.3 Kết phân tích hình thái bề mặt vật liệu kính hiển vi điện tử quét(SEM-TEM) 63 3.2.4 ĐặctrưngđiệnhóacủađiệncựcFe2O3/AB 75 3.3 NGHIÊNCỨUCHẾTẠOVÀĐẶCTRƯNGĐIỆNHĨACỦAVẬTLIỆU Fe2 O3TỔNGHỢPTHEOQUYTRÌNHTHỦYNHIỆT2 .71 3.3.1 Quytrìnhthủynhiệt2chếtạovậtliệuFe2O3 .71 3.3.2 KếtquảphântíchcấutrúcvậtliệubằnggiảnđồnhiễuxạtiaX .72 3.3.3 Kết phân tích hình thái bề mặt vật liệu kính hiển vi điện tử quét(SEM) .73 3.3.4 ĐặctrưngđiệnhóacủađiệncựcFe2O3/AB 75 3.4 NGHIÊNCỨUCHẾTẠOVÀĐẶCTRƯNGĐIỆNHÓACỦAVẬTLIỆU Fe2 O3TỔNGHỢPTHEOQUYTRÌNHTHỦYNHIỆT3 .78 3.4.1 Quytrìnhthủynhiệt3chếtạovậtliệuFe2O3 .78 3.4.2 KếtquảphântíchcấutrúcvậtliệubằnggiảnđồnhiễuxạtiaX .79 3.4.3 Kết phân tích hình thái bề mặt vật liệu kính hiển vi điện tử quét(SEM) .80 3.5 NGHIÊNCỨUCHẾTẠO VÀĐẶCTRƯNG ĐIỆN H Ó A CỦA VẬ TLIỆU Fe2O3/ABTỔNGHỢP THEOQUYTRÌNHTHỦYNHIỆT2 BƯỚC 86 3.5.1 Quytrìnhthủynhiệt2bướcchếtạovậtliệuFe2O3/AB .86 3.5.2 ĐặctrưngđiệnhóacủavậtliệuFe2O3/AB .87 3.6 ĐẶCT R Ư N G Đ I Ệ N H Ó A C Ủ A Đ I Ệ N C Ự C F e 2O3/ ABS Ử D Ụ N G V Ậ T LIỆUFe2O3CĨKÍCH THƯỚCMICROMÉT 89 3.6.1 Hìnhtháihọccủa vậtliệuFe2O3kíchthước micro mét .89 3.6.2 ĐặctrưngđiệnhóacủađiệncựcFe2O3/ABsửdụngvậtliệuµm-Fe2O3 90 3.7 KẾTLUẬN CHƯƠNG3 95 CHƯƠNG4:ẢNHHƯỞNGCHẤTPHỤGIALÊNTÍNHCHẤTĐIỆNHĨACỦA ĐIỆNCỰCCOMPOSIT ƠXIT SẮT/CÁCBON 96 4.1 MỞĐẦU 96 4.2 ẢNHHƯỞNGCỦA K 2SLÊNTÍNH CH ẤT ĐIỆNHĨAĐIỆNCỰC Fe2O3/ ABCHẾTẠO BẰNGCÁCQUYTRÌNHTHỦYNHIỆT 96 4.2.1 ẢnhhưởngcủaK2SđếnđặctrưngđiệnhóacủavậtliệuFe2O3cầuxốp 96 4.2.2 ẢnhhưởngcủaK2SđếnđặctrưngđiệnhóacủavậtliệuFe2O3cầurỗng .99 4.2.3 ẢnhhưởngcủaK2SđếnđặctrưngđiệnhóacủavậtliệuFe2O3lậpphương 102 4.3 ẢNHHƯỞNGCỦABi 2S3LÊNTÍNHCHẤTĐIỆNHĨAĐIỆNCỰCFe2O3/ ABCHẾTẠO BẰNGQUYTRÌNHTHỦYNHIỆT 104 4.3.1 ẢnhhưởngcủaBi2S3đếnđặctrưngđiệnhóacủavậtliệuFe2O3cầuxốp 104 4.3.2 ẢnhhưởngcủaBi2S3đếnđặctrưngđiệnhóacủavậtliệuFe2O3cầurỗng 106 4.33.ẢnhhưởngcủaBi2S3đến đặctrưngđiệnhóacủavậtliệuFe2O3lậpphương108 4.4 ẢNHHƯỞNGCỦAK 2S+Bi 2S3LÊNTÍNHCHẤTĐIỆNHĨAĐIỆNCỰCFe2 O3/ABCHẾTẠO BẰNGBẰNGQUYTRÌNHTHỦYNHIỆT 110 4.4.1 ẢnhhưởngcủaK2S+Bi2S3đếnđặctrưngđiệnhóacủavậtliệuFe2O3cầugai .110 4.4.2 ẢnhhưởngcủaK2S+Bi2S3đếnđặctrưngđiệnhóacủavậtliệuFe2O3cầurỗng .113 4.4.3 ẢnhhưởngcủaK2S+Bi2S3đếnđặctrưngđiệnhóacủavậtliệuFe2O3lậpphương .114 4.5 KẾTLUẬNCHƯƠNG4 119 KẾTLUẬN 120 HƯỚNG NGHIÊNCỨUTIẾPTHEO .121 DANHMỤCCÁCCƠNGTRÌNHĐÃCƠNGBỐCỦALUẬNÁN 132 DANHMỤCCÁCKÝHIỆU,CÁCCHỮVIẾTTẮT STT Kýhiệu Tênchitiết m-Fe2O3 Sắtơxitkíchthướcmicromét nm-Fe2O3 Sắtoxitkíchthướcnanomét A AB Acetylenblackcácbon (carbonAcetylenBlack) Ah Ampe-giờ(dunglượng) Ca Dunglượngcủapin CV Qtthếvịngtuần hồn(Cyclicvoltammetry) DOD Độphóng sâu EVs Xeđiện 10 HEVs 11 M Kimloại 12 n Sốơxyhóa 13 Ni-MH 14 PTFE Polytetrafluoroethylene 15 PVdF Polyvinylidenefluoride 16 SEM Hiểnviđiệntửquét 17 SEM-EDS 18 TEM 19 V 20 W/kg 21 Wh 22 Wh/kg Nănglượngriêng 23 Wh/L (Oát–giờ)/lít(Mậtđộnănglượng) 24 XRD Giảnđồnhiễuxạ tiaX Nănglượngcủapin Xeđiệnhybrid Pinniken kimloại hyđrô(Nikel-MetalHydride) Hiểnviđiệntử quét–phổtánxạnănglượng Hiểnviđiệntửtruyền qua Điệnáp Côngsuất riêng Oát–giờ(nănglượng)