(Luận văn thạc sĩ) nâng cao hiệu suất xác tác điện hóa của vật liệu co3o4 có cấu trúc xopps nano biến tính bề mặt bằng các hạt nano kim loại ru

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN PHAN TƯỜNG NHÂN NÂNG CAO HIỆU SUẤT XÚC TÁC ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU Co3O4 CÓ CẤU TRÚC XỐP h NANO BIẾN TÍNH BỀ MẶT BẰNG CÁC HẠT NANO KIM LOẠI Ru LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Bình Định - Năm 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN PHAN TƯỜNG NHÂN NÂNG CAO HIỆU SUẤT XÚC TÁC ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU Co3O4 CĨ CẤU TRÚC XỐP h NANO BIẾN TÍNH BỀ MẶT BẰNG CÁC HẠT NANO KIM LOẠI Ru Chuyên ngành : Vật lí chất rắn Mã số : 44 01 04 Người hướng 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 thực hiên Trường Đại học Quy Nhơn hướng dẫn TS Nguyễn Thị Hồng Trang, tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ Học viên Phan Tường Nhân h LỜI CẢM ƠN Đề tài “Nâng cao hiệu suất xúc tác điện hóa vật liệu Co3O4 có cấu trúc xốp nano biến tính bề mặt hạt nano kim loại Ru” nội dung nghiên cứu làm luận văn sau khoảng thời gian theo học chương trình cao học chuyên ngành Vật lý chất rắn trường Đại học Quy Nhơn Trong trình nghiên cứu hồn thiện luận văn tơi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Thị Hồng Trang, Bộ môn Vật lý Khoa học vật liệu, Khoa Khoa học tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn Cơ người trực tiếp hướng dẫn, tận tình bảo tơi q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn Ngồi ra, tơi xin gửi lời cảm ơn đến q thầy, phịng thí nghiệm đặc biệt ThS NCS Nguyễn Văn Nghĩa nhiệt tình truyền dạy kiến thức, phương pháp nghiên cứu công cụ hỗ trợ đắc lực cho trình làm việc nghiên cứu tơi h suốt q trình làm thực nghiệm Tơi xin chân thành cảm ơn TS Lê Xuân Hùng, phòng thí nghiệm Quang phổ, Trường ĐH Duy Tân, Đà Nẵng tận tình giúp tơi kết phân tích Raman vật liệu Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè người thân động viên, quan tâm, giúp đỡ mặt để hoàn thành luận văn tốt nghiệp Học viên Phan Tường Nhân MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3 Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN h 1.1.Tổng quan vật liệu nano Co3O4 1.1.1.Cấu trúc tinh thể 1.1.2 Tính chất vật lý hóa học 1.1.4 Ứng dụng vật liệu nano Co3O4 1.2.Tổng quan vật liệu Ruthenium (Ru) 1.2.1 Cấu trúc vật liệu Ru 1.2.2 Ứng dụng kim loại Ru 1.3.Một số phương pháp tổng hợp vật liệu nano 10 1.3.1 Tổng hợp vật liệu 10 1.3.2 Một số phương pháp tổng hợp vật liệu biến tính bề mặt 11 1.4.Tổng quan q trình điện hóa: 15 1.4.1 Các q trình điện hóa oxy hydro 15 1.4.2 Quá trình điện phân nước 19 1.4.3 Tế bào điện hóa ba điện cực 23 1.4.Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài 24 1.4.1.Tình hình nghiên cứu giới 24 1.4.2.Tình hình nghiên cứu nước 27 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM CHẾ TẠO MẪU 28 2.1 Thiết bị chế tạo mẫu 28 2.2 Các dụng cụ hóa chất sử dụng 28 2.2.1 Dụng cụ: 28 2.2.2 Hóa chất 29 2.3.1 Tổng hợp Polystyrene (PS): 30 2.3.2 Tổng hợp Co3O4 có cấu trúc xốp nano: 32 2.3.3 Biến tính bề mặt Co3O4 có cấu trúc xốp nano hạt nano kim loại Ru: 34 2.3 Quy trình chế tạo mẫu Co3O4 có cấu trúc xốp nano biến tính bề mặt h hạt nano kim loại Ru 30 2.4 Một số phương pháp khảo sát mẫu 39 2.4.1 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 39 2.4.2 Phương pháp phổ tán xạ lượng tia X ( EDX) 39 2.4.3 Phương pháp nhiễu xạ tia X 40 2.4.4 Phương pháp phổ Raman 41 2.4.5 Đo thuộc tính điện hóa tách nước 42 Chương 3.KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 44 3.1 Hình thái bề mặt vật liệu 44 3.1.1 Hình thái bề mặt cầu PS 44 3.1.2 Hình thái bề mặt Co3O4 có cấu trúc xốp nano 44 3.1.3 Hình thái bề mặt Co3O4 IO biến tính bề mặt hạt nano Ru 46 3.2 Thuộc tính cấu trúc 48 3.2.1 Kết phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 48 3.2.3 Phân tích kết phổ Raman vật liệu Ru - Co3O4 IO 54 3.3 Thuộc tính xúc tác điện hóa cho q trình OER HER vật liệu 55 3.3.1 Đặc trưng qt tuyến tính (LSV) cho q trình OER HER vật liệu 55 3.3.2 Khảo sát độ bền vật liệu (đặc trưng I – t) q trình xúc tác điện hóa 63 3.3.3 Đặc trưng qt vịng tuần hồn (CV) vật liệu 64 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 h DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tên đầy đủ Nghĩa tiếng Việt OER Oxyren evolution reaction Phản ứng tạo ôxi HER Hydrogen evolution reaction Phản ứng tạo hiđrô ORR Oxyren reduction reaction Phản ứng khử ôxi HOR Hydrogen oxidation reaction Phản ứng oxi hóa hydro XRD X-ray Difraction Nhiễu xạ tia X SEM Scanning Electron Kính hiển vi điện tử quét Microscope EDX Energy-dispersive X-ray IO h spectroscopy Phổ tán xạ lượng tia X Inverse opal Vật liệu xốp nano (mao quản) LSV Linear Sweep Voltage Thế quét tuyến tính CV Cyclic Voltammetry Thế qt vịng tuần hồn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3.1 Bảng tính q cho q trình OER HER vật liệu Co3O4 IO với hai mẫu để ITO Niken 56 Bảng 3.2 Bảng tính cho trình OER HER vật liệu RuCo3O4 IO hai điều kiện vi sóng phút phút, nung khơng khí 58 Bảng 3.3 Bảng tính q cho q trình OER HER vật liệu RuCo3O4 IO với ba điều kiện vi sóng phút, phút nung khí N2 60 Ru - Co3O4 IO trình OER (b) HER (c) 62 Bảng 3.4 Bảng tính q cho q trình OER HER vật liệu Co3O4 IO, C - Co3O4 IO Ru - Co3O4 IO 62 Bảng 3.5 Bảng tính độ ổn định vật liệu Co3O4 IO Ru - Co3O4 IO 64 Bảng 3.6 Hoạt tính xúc tác vật liệu Co3O4 IO Ru - Co3O4 IO 65 h DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Tế bào đơn vị tinh thể Co3O4 Các hình cầu màu xanh nhạt màu xanh đậm biểu thị ion Co2+ Co3+, màu đỏ ion O2- Hình 1.2 Cấu trúc tinh thể dạng lục phương Ru Hình 1.3 Một Rutheni bị bẽ gãy Hình 1.4 (a) Chu trình lưu trữ lượng chuyển đổi lượng hydro oxy H (b) Sơ đồ (overpotential) liên quan đến q trình xúc tác điện hóa oxy (OER, ORR) hydro (HER, HOR) 16 Hình 1.5 Cơ chế phản ứng OER cho điều kiện kiềm Đường màu xanh biểu thị tiến hóa oxy liên quan đến hình thành chất trung gian peroxide (M–OOH) Đường màu tím phản ứng trực tiếp hai chất trung gian oxo (M–O) liền kề để tạo oxy 18 Hình 1.6 Các biểu diễn 2D chế chuyển đổi proton (pH = 1) h nước (pH = 13) thành H2 19 Hình 1.7 Phác thảo tế bào tách nước điện hóa 20 Hình 1.8 Các mức lượng phản ứng điện hóa 22 Hình 2.1 Các thiết bị chụp lại phịng thí nghiệm vật lí chất rắn trường Đại học Quy Nhơn 28 Hình 2.2 Các dụng cụ điển hình trình tiến hành thực nghiệm 29 Hình 2.3 Các hóa chất sử dụng trình chế tạo mẫu 30 Hình 2.4 Quy trình chế tạo cầu PS 31 Hình 2.5 Quy trình tổng hợp vật liệu Co3O4 IO 33 Hình 2.6 Sơ đồ quy trình biến tính bề mặt Co3O4 IO với Ru phương pháp polyol 35 Hình 2.7 Sơ đồ quy trình thực nghiệm biến tính bề mặt Co3O4 IO với Ru phương pháp ngâm tẩm mao quản 36