(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu tổng hợp vật liệu cấu trúc nano xốp co3o4 pha tạp cacbon ứng dụng trong xúc tác điện hóa tách nước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN TRẦN THỊ LỆ THƯ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU CẤU TRÚC NANO XỐP Co3O4 PHA TẠP CACBON ỨNG DỤNG TRONG XÚC TÁC ĐIỆN HÓA TÁCH NƯỚC h LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Bình Định – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN TRẦN THỊ LỆ THƯ NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU CẤU TRÚC NANO XỐP Co3O4 PHA TẠP CACBON ỨNG DỤNG TRONG XÚC TÁC ĐIỆN HÓA TÁCH NƯỚC h Chuyên ngành: VẬT LÍ CHẤT RẮN Mã số: 08440104 Người hướng dẫn thứ nhất: TS Nguyễn Thị Hồng Trang Người hướng dẫn thứ hai: PGS TS Nguyễn Minh Vương LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu đề tài trung thực, kết nghiên cứu thực Trường Đại học Quy Nhơn hướng dẫn TS Nguyễn Thị Hồng Trang PGS TS Nguyễn Minh Vương – Bộ môn lý khoa học vật liệu, khoa khoa học tự nhiên, trường Đại học Quy Nhơn Các tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ Học viên Trần Thị Lệ Thư h LỜI CẢM ƠN Đề tài “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu cấu trúc nano xốp Co3O4 pha tạp cacbon ứng dụng xúc tác điện hóa tách nước” nội dung tơi nghiên cứu làm luận văn tốt nghiệp sau hai năm theo học chương trình cao học chuyên nghành Vật lý chất rắn trường Đại học Quy Nhơn Tôi xin chân thành cảm ơn hướng dẫn bảo tận tình TS Nguyễn Thị Hồng Trang, PGS TS Nguyễn Minh Vương suốt thời gian làm thực nghiệm hoàn thành luận văn Trong trình thực luận văn, nhận nhiều quan tâm tạo điều kiện tốt từ thầy cô giáo tổ môn Khoa học Vật liệu - khoa Khoa học tự nhiên Trung tâm thí nghiệm thực hành A6 – Trường Đại Học Quy Nhơn Đặc biệt, NCS Nguyễn Văn Nghĩa người đã nhiệt tình truyền dạy kiến thức, phương pháp nghiên cứu công cụ hỗ trợ đắc lực cho trình nghiên cứu luận văn Tơi xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy, Cô h Cuối tơi xin cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè anh chị em lớp Vật lý Chất rắn – K21 động viên, giúp đỡ suốt trình học tập nghiên cứu khoa học Học viên Trần Thị Lệ Thư DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Chữ viết Tên đầy đủ Nghĩa tiếng Việt tắt HER Hydrogen evolution reaction Phản ứng tiến hóa hydro OER Oxygen evolution reaction Phản ứng tiến hóa oxy ORR Oxygen reduction reaction Phản ứng khử oxy PS Polystyrene Vật liệu polystyrene IO Inverse Opal Cấu trúc xốp nano (mao quản) SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét EDX Energy-dispersive X-ray Phổ tán xạ lượng tia X spectroscopy X-ray Difraction Nhiễu xạ tia X LSV Linear Sweep Votage Thế quét tuyến tính CV Cylic Voltammetry Thế qt vịng tuần hồn h XRD DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Kí hiệu mẫu khảo sát 32 Bảng 3.1 Bảng tính q mật độ dịng j = 20 mA.cm-2 giá trị mật độ dịng j = 150 mA.cm-2 cho q trình OER vật liệu C-Co3O4 IO với nồng độ pha tạp nhiệt độ nung kết khác 54 Bảng 3.2 Bảng tính mật độ dòng j = -20 mA.cm-2 giá trị mật độ dòng j = -150 mA.cm-2 cho trình HER vật liệu C-Co3O4 IO với nồng độ pha tạp nhiệt độ nung kết khác 57 Bảng 3.3 Bảng tính độ bền ổn định vật liệu Co3O4 IO 59 Bảng 3.4 Giá trị mật độ dòng đỉnh anode (Ip,a), mật độ dòng đỉnh cathode (Ip,c), thể đỉnh anode (Ep,a) định cathode (Ep,c) điện cực vật liệu C-Co3O4 IO tổng hợp với điều kiện khác đo 1M KOH 61 h DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Tế bào đơn vị tinh thể Co3O4 Hình 1.2 Cấu trúc hai dạng thù hình cacbon…………………………… Hình 1.3 (a)Sơ đồ minh họa quy trình tổng hợp lưới nano Co3O4, (b) ảnh SEM Co3O4 @NCNTs /CP .…………………………………………11 Hình 1.4 Đường cong phân cực cho hai cặp phản ứng điện hóa liên quan đến lượng phương trình phản ứng tổng thể chúng Các đường cong màu đỏ xanh lam phản ứng liên quan đến hydro oxy 12 Hình 1.5 Sơ đồ (overpotential) liên quan đến q trình xúc tác điện hóa oxy (OER, ORR) hydro (HER, HOR)………………………….13 Hình.1.6 Sơ đồ biểu diễn phân ly nước, hình thành chất trung gian M – Had, tái kết hợp sau hai nguyên tử Had để tạo thành H2 (mũi h tên tím), giải hấp OH từ miền Ni(OH)2 (mũi tên đỏ) hấp phụ phân tử nước khác vị trí (mũi tên xanh lam)……………………………………………………………………….….15 Hình.1.7 Cơ chế OER cho điều kiện kiềm Đường màu xanh biểu thị q trình 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………………………………………………….17 Hình 1.8 Sơ đồ điện phân nước sử dụng: (a) kiềm, (b) PEM (c) AEM….19 Hình 1.9 Phác thảo tế bào tách nước điện hóa mơi trường kiềm 19 Hình 1.10 Các mức lượng phản ứng điện hóa…………… 22 Hình 1.11 Thiết bị thí nghiệm cho tế bào điện hóa ba cực 23 Hình 2.1 Các thiết bị chế tạo vật liệu C-Co3O4 IO .27 Hình 2.2 Các hóa chất chế tạo vật liệu C-Co3O4 IO .28 Hình 2.3 Sơ đồ quy trình tổng hợp cầu PS 29 Hình 2.4 Quy trình chế tạo vật liệu C-Co3O4 IO 31 Hình 2.5 Sơ đồ minh họa hình thái vật liệu C-Co3O4 IO .33 Hình 2.6 Cấu tạo hệ đo điện hóa ba cực .38 Hình 2.7 (a) Hệ đo điện hóa Corr Test Electrochemial Worstation phịng vật lý chất rắn trường Đại học Quy Nhơn (b) Bình điện phân ba cực tự thiết kế 39 Hình 3.1 Ảnh SEM cầu PS với độ phóng đại khác nhau: (a) 10.103 lần, (b) 30.103 lần, (c) 50.103 lần, (d) 100.103 lần .40 Hình 3.2 Ảnh SEM vật liệu Co3O4 IO với độ phóng đại khác nhau: (a) 10.103 lần, (b) 50.103 lần, (c) 100.103 lần, (d) 200.103 lần 41 h Hình 3.3 Ảnh SEM với độ phóng đại khác vật liệu C-Co3O4 IO pha tạp với nồng độ P123 %, nung kết N2 nhiệt độ 500°C 42 Hình 3.4 Ảnh SEM với độ phóng đại khác vật liệu C-Co3O4 IO pha tạp với nồng độ P123 3,5 %, nung kết N2 nhiệt độ 500°C 43 Hình 3.5 Ảnh SEM với độ phóng đại khác vật liệu C-Co3O4 IO pha tạp với nồng độ P123 %, nung kết N2 nhiệt độ 500°C 43 Hình 3.6 Ảnh SEM với độ phón đại khác vật liệu C-Co3O4 IO pha tạp với nồng độ P123 %, nung kết N2 nhiệt độ khác nhau: 400°C (a, b, c), 500°C (d, e, f), 600°C (g, h, i) 45 Hình 3.7 Kết phân tích EDX vật liệu C-Co3O4 IO nung kết N2 nhiệt độ 500°C với nồng độ pha tạp P123 khác nhau: (a) %, (b) 3,5 % (c) % .47 Hình 3.8 Phổ EDX vật liệu C-Co3O4 IO nung kết N2 nhiệt độ 400°C với nồng độ pha tạp P123 % 48 Hình 3.9 Phổ Raman vật liệu Co3O4 IO C-Co3O4 IO, nung kết N2 nhiệt độ 500°C với nồng độ pha tạp P123 % 49 Hình 3.10 Phổ XRD vật liệu Co3O4 IO C-Co3O4 IO, nung kết N2 nhiệt độ 500°C với nồng độ pha tạp P123 % 50 Hình 3.11 Đặc trưng LSV cho trình OER vật liệu Co 3O4 IO nung kết N2 nhiệt độ 500°C với nồng độ pha tạp P123 khác (2 %, 3,5 % %) 51 Hình 3.12 Đặc trưng LSV cho trình OER vật liệu Co 3O4 IO với nồng độ pha tạp P123 %, nung kết N2 nhiệt độ khác (400°C, 500°C 600°C) 52 Hình 3.13 Đặc trưng LSV cho trình HER vật liệu Co 3O4 IO nung kết h N2 nhiệt độ 500°C với nồng độ pha tạp P123 khác ( %, 3,5 % %) 55 Hình 3.14 Đặc trưng LSV cho trình HER vật liệu Co 3O4 IO với nồng độ pha tạp P123 %, nung kết N2 nhiệt độ khác (400°C, 500°C 600°C) 56 Hình 3.15 Đặc trưng I – t q trình xúc tác điện hóa vật liệu CCo3O4 IO với nồng độ pha tạp P123 khác (2 %, 3,5 % %), nung kết N2 nhiệt độ khác (400°C, 500°C 600°C) 58 Hình 3.16 Đặc trưng CV cho q trình xúc tác điện hóa vật liệu C-Co3O4 IO với nồng độ pha tạp P123 khác (2 %, 3,5 % %), nung kết N2 nhiệt độ khác (400°C, 500°C 600°C) .60 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Bố cục đề tài h CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1.TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU Co3O4 1.1.1 Cấu trúc vật liệu Co3O4 1.1.2 Tính chất vật liệu 1.1.3 Ứng dụng vật liệu Co3O4 xúc tác điện hóa 1.1.4 Phương pháp tổng hợp vật liệu nano Co3O4 1.1.4.1 Các phương pháp chung tổng hợp vật liệu nano 1.1.4.2 Một số phương pháp tổng hợp vật liệu coban oxit Co3O4 1.2 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CACBON 1.2.1 Cấu trúc vật liệu cacbon 1.2.2 Tính chất vật liệu cacbon