1. Trang chủ
  2. » Luận Văn - Báo Cáo

Tổng hợp vật liệu composite mno2carbon aerogel Ứng dụng cho siêu tụ Điện hóa và công nghệ khử mặn Điện dung cdi

110 0 0
Tài liệu đã được kiểm tra trùng lặp

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Tiêu đề Tổng hợp vật liệu composite MnO2/carbon aerogel ứng dụng cho siêu tụ điện hóa và công nghệ khử mặn điện dung (CDI)
Tác giả Phan Thị Diệu My
Người hướng dẫn TS. Nguyễn Thị Thu Trang, PGS.TS. Huỳnh Lê Thanh Nguyên
Trường học Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành Hóa vô cơ
Thể loại Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản 2024
Thành phố Thành phố Hồ Chí Minh
Định dạng
Số trang 110
Dung lượng 8,74 MB

Nội dung

cứu cho các ứng dụng tụ điện giả, Kích thước đường him cia ede dang tinh thé MnO: Nguyên liệu và hoá chất tết bị đã sử dụng, lệ khí lượng MnO;, “CA, PVA/GA và CB của các mẫu ổng hợp 6

Trang 1

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VAT CHAT

Thành phố Hồ Chí Minh - 2024

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

‘TRUONG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHÓ HÒ CHÍ MINH

Phan Thị Diệu My

TONG HOP VAT LIEU COMPOSITE MnO+/CARBON AEROGEL UNG DUNG CHO SIÊU TỤ ĐIỆN HOÁ VÀ CÔNG NGHỆ KHU MAN DIEN DUNG (CDI)

Chuyên ngành: Hóa vô cơ

Mã số: 8440113

LUẬN VAN THAC Si KHOA HOC VAT CHAT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HOC:

‘TS NGUYEN TH] THU TRANG PGS.TS HUYNH LE THANH NGUYEN

Thành phố Hồ Chí Minh - 2024

Trang 3

Tôi cam kết luận văn thạc sĩ ngành Hóa vô cơ, với để ải “Tổng hợp vật liệu composite MnOs/earbon aerogel ứng dụng cho siêu tụ điện hoá và công nghệ dẫn của TS Nguyễn Thị Thu Trang, PGS TS Huỳnh Lê Thanh Nguyên Những kết quả nghiên cứu của uận văn hoàn toàn trung thực và chính xác.

Trang 4

‘Toi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đến TS Nguyễn Thị Thu Trang và

PGS.TS Huỳnh Lê Thanh Nguyễn đã tận tỉnh hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu để thực hiện đề tài để đạt được kết quả tốt nhất Tôi cũng xin gửi lồi cảm ơn đến Thầy/Cô Khoa Hóa học Trường Đại Học Sư

phạm Thành Phố Hỗ Chí Minh, Thầy/Cô Khoa Hóa học Trường Đại học Khoa học

'Tự nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố Hỗ Chí Minh đã chỉ dạy truyền đạt những

kiến thức để tôi úch lũy và cũng như vận dụng vào quá tình thực hiện luận vẫn

Cuối cùng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và những anh/chi/bạn trong phòng thí nghiệm Điện hóa ~ Bộ môn Hóa Lý ~ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên ~ Đại

nh phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ, giúp đỡ tong quá tình học tập,

\ hoàn thiện đề tài, tuy nhiên luận văn không tránh khỏi những

in durge góp ý từ quý Thầy/Cô góp ý để luận văn được

Trang 5

Chương 1 TONG QUAN

1.1 Siêu tụ điện hóa

1.1.1 Nguồn gốc và sự phát triển của siêu tụ điện 1.1.2 Cấu trúc và thông số kĩ thuật

1.1.3 Phân loại siêu tụ điện hóa

1.2 Công nghệ khử ion điện dung (CDD)

12.1 Nguyên lý hoạt động

1.2.3 Ưu điểm của công nghệ CDI

1.2.3 Phin loại CDI

1.2.4 Các phương pháp vận hành và thử nghiệm CDI

1g ngh CDI

13.1 Một số yêu cầu về điện cực tong siêu tụ điện và công nghệ CDI

1.3 Điện cực trong siêu tụ điện và cí

1.32 Một số vật liệu điện cục ong siêu tụ điện và công nghệ CDI L4 Một phương pháp tổng hợp vật liệu MnO;

1.4.1 Phương pháp thuỷ nhiệt (hydrothermal method) và dung môi nhiệt (solvothermal method)

1.4.2 Phương pháp sol — gel

1.5 Vật liệu MaO;

1.5.1 Cấu trúc tinh thể và tính chất điện hóa

1.5.2 Cơ chế lưu trữ điện tích

1.6 Nghiên cứu trong nước và thể giới về CDI và vật liệu MnO> ứng dụng trong công nghệ CDI

1.6.1 Nghiên cứu trên thể giới

Trang 6

2.3.1, Phuome php niu x tia X (X-ray diffraction) 2 2.3.2, Phuong php quang phd Raman (Raman spectroscopy) 4

2.3.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét (scanning electron microscope -

SEM) “4 2.34 Phương pháp phân tích nhiệt (TGA ~ DSC) “ 2.35 Phổ tán xạ năng lượng tia X (Energy dispersive X-ray - EDX) 44 2.3.6, Phucmg pháp quét thé vong tuin hodn (Cyclic voltammetry) 45 23.7 Phuromg php do phd tng tr dign hod (Electrochemical Impedance Spectroscopy - EIS) 45 2.3.8, Phuong php do phingisacc8 dinh (Charge địcharee cyclinE) 46 2.3.9, Phuong pháp dòng thời gian (CA- chronoamperometry) 46 Chương 3 KÉT QUÁ VÀ THẢO LUẬN 48 3.1, Vat liga due ting hop bing phuomg phấp thủy nhiệt 48

3.1.2 Đánh giá tnh chất điện hoá của vật liệu 54 3.1.3 Đánh giá khả năng hap phy mudi 59 3.2, Vat ligu được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel 62

32.1 Đánh giá hình thái và cấu trú “ 3.2.2 Đánh giá tính chất điện hóa 65 3.23 Đánh giá khả năng hắp phụ muối 61 KÉT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ, n

Trang 7

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ TW VIET TAT

or ‘Capacitive Deionization (Khit fon điện dung)

€ Couneer Bleetrode (Điện cực đổi)

cv Cyelie Voltammetry (Quét Thế Vòng Tuần Hoàn)

DSC Differential Scanning Calorimetry EDL Electrode Double Layer (Lap Điện Kếp) EDLC Eleetrode Double Layer Capacitors (Ty Điện Lớp Kép) EDX Bnergy-Dispersive X-Ray (Tin Xa Nang Lượng Tìa X) E5 Electrochemical Impedance Spectroscopy (Pho Tang Trữ

Điện Hoá) FCDI Faradaic CDI

GA Glutaric Anhydride HCDI Hybrid CDI (CDI lãi) CDI Inverted CDI (CDI dao ngược) MCDI Membrane CDI (CDI màng) Mwexi Multi-Walled Nano Carbontubes (Ong Nano Carbon Da

Tường)

PVA Polyvinyl Alcohol

SC ‘Supereapacitor (Siéu Tụ Điện)

‘Single — Walled Carbon Nanotubes (Ông Nano Carbon Don

TGA ‘Thermogravimetrie Analysis (Phan Tich Nhiệt) XRD X-Ray Diffraction — XRD (Nhiễu Xạ Tia X)

Trang 8

cứu cho các ứng dụng tụ điện giả,

Kích thước đường him cia ede dang tinh thé MnO: Nguyên liệu và hoá chất

tết bị đã sử dụng,

lệ khí lượng MnO;, “CA, PVA/GA và CB của các mẫu ổng hợp

6 mang tinh thể và kích thước tính thể trung bình của vật liệu

“Thành phần nguyên tổ của các mẫu vật liệu

So sánh điện dung iêng và khả năng hắp phụ muối của các điện cực

'CDI khác nhau,

Trang 9

{a) Cấu trúc của tụ tĩnh điện, (b) cấu trúc của SC

Sơ đồ phân loại siêu tụ điện

Sự sắp xếp điện tích trong vật liệu điện môi ở trang thai tích điện

của tụ điện thông thường

Sơ đồ tích điện của EDLC,

Sơ đồ của các cơ chế lưu trữ điện tích cho (a) EDLC và (b ~ d) các

loại điện cục giả điện dung khác nhau: (b) tụ điện giã lắng đọng

dưới điện thế, (c) tụ điện giả oxi hóa khử và (d) tụ điện giả xen cài Mật độ năng lượng của tế bảo điện cực là hàm của điện áp và điện

dang riêng của các chất điện phân khắc nhau Xinh họa mật độ năng lượng của hai ế bảo điện cực sử dụng các

chất điện phân khác nhau

(@) Nguyên lý hoạt động điện hắp phụ và (b) giả hắp io sinh

Quá trình khử mặn (a) và tái sinh (b) điện cực trong MCDI [38]

Phân loại tế bio CDI

'Cơ chế khử muối: (a) CDI thông thường, (b) CDI lai và (c) CDL

faradai, Tach muối rong tế ào i:CDI: (4) Tái sinh (e) Hắp phụ

(f) Biéu diễn sơ đồ của tế bào MCDI

Sơ đồ của hai thiết kế thí nghiệm CDI: (a) Phương pháp SP: (b) Phương pháp BM

Biểu đồ thời gian về khả năng hấp thụ của các vật liệu điện cực

khác nhau, than hoạt tính (AC), sợi carbon hoạt tính (ACF), sợi nano carbon (CNF), than xốp hoạt tính (AMC), carbon aerogel

(CA), vai carbon (CC) catbon có nguén géc carbide (CDC), éng

Và các loại mesoporous carbon khác

Trang 10

(4) Hình ảnh kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) của các ống

tử quết (SEM) cũa dng nano carbon

Minh họa tắm graphene 2-D lam khéi xây dựng cho các vật liệu

canbon khác như hạt, CNT Ì-D và than chỉ 3-D

nh thái của (4) dây nano Co:Os; (b) đây

nano MnO; (c) cánh hoa nano NỈO; (đ) mạng nano V' Anh SEM minh họa các

Ô đơn vị cơ s6 cua MnO:

Cấu trúc tỉnh thể của, a-, B-, y-, 6, va -MnOz

'Quy trình tổng hợp y-MnO: bằng phương pháp thủy nhiệt

Quy tinh ting hợp 8-MnO2 ng phương pháp sol-gel

Quy trình chế tạo keo in điện cực composite Quy trình chế tạo điện cực composite

Hình minh hoạ các bước chế tạo điện eye composite

Sơ đồ hệ đo CDI khảo sát hấp phụ muối

Giản đồ XRD của y-MnO;, CA, CA//-MnO;-45, CA/y-MnO;-30

và CA/-MaOz-15

Kết quả Raman của ÿ-MnO;, CA, CA/y-MnO2-15, CA/Y-Mn0>-30, CA¿y-MnOs-45 trong vùng 100 em” - 2000 cm ' Ảnh SEM của mẫu (a) CA, (b) †-MaO›, (e) CA/y-MnO;-45, (4)

CA/y-MnOz-30 và (e) CA/y-MnOz- L5

Giản đồ phân bổ kích thước hạt -MnO; (Quy trình hình thành vậ liệu y-MnO;

Đường cong TGA/DSC của mẫu y-MnO;

Đường cong TGA cia ÿ-MnO;, CA/ÿ-MnO;-45, CA/-MnO,-30 và

CA y-MnOs 15 đo trung khoảng tử nhiệt độ phòng đến 1000*C

Trang 11

(a) Dd thị quét thể vòng tuần hoàn tại tốc độ quét 5 mV/s của y-

MnO2, CA/y-MnO245, CA/y-MnO2-30, CAly-MnO2-15 trong MnO>, CA/y-MnO2-45,

Dudng cong Nyquist cia dign eye y-MnOs, CAly-MnO:-15, CAVy-

lí NaSO, LOM

(2) Đường cong phóng nạp tại mật độ đồng điện 1.0 A/g của các mẫu điện cục y-MnO;, CA/r-MnO;-45, CA/y-MnO,-30, CA/r-

MnO:-15; (b) Dộ bền phóng nạp của điện cực cực y-MnO;, CA/y-

MnO;-45, CA/-MnO.-30, CA/y-MnOs-15 v6i mật độ đồng điện 1.0 Ag ở các mẫu

(&) Nông độ của dung dịch nước cấp NaC| 200pm thay đổi theo thời

của dung địch nước cấp NaCl 200pm thay đối theo thời gian khi

thực hiện khử mặn với điện cực CAV/CA/-MnO,s0 ở l.0 V 2 V

1,4 V 16 V; (c) SAC của các điện cực hoạt động tại 1,0 V 1/2 V

l4 V và LóV

Giản đồ CDI Ragone của các điện cực trong dung dịch nước cắp NaCl 200 ppm tại L4 V

Gián đồ XRD và (b) kết quả Raman của các mẫu vật liệu ö-

MnO; và CÀI ö-MnO; được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel

Anh SEM của (a) -MnO;; (b) CA/ö-MnO:-45; (c) CA/ä-MnO;-30; ({đ) CA/ð-MnOz

Đồ thị quét thế vòng tuẫn hoàn tại tổ

CA/ö-MnO-45, CA/ö-MnO-30, CA/ö-MnO¿-15 trong dụng dịch

điện l (a) Na2SOs 1,0 M và (b) NaCl 0,5 M

độ quết 5 mV/s của õ-Mn

Trang 12

Đường cong Nyquist của điện cực ö-MnO›, CA/ö-MnOs-45, CA/ö-

lì (a) Na:SO, 1,0 M và (b) NaCI 0,5 M

@) tông độ của dung dịch nước cấp NaCI 200pm thay đổi theo thôi

n khử mặn với các điện cực ở 1,4 V; (b) Nông độ

của dung địch nước cấp NaCl 200pm thay đổi theo điện thể hoạt

gian khi thực hi

động của điện cực CA/ö-MnO;-30; (c) SAC của các điện cực hoạt

động ti L0 V 12 V 1.4 V và l,6 Vị 4) Giản đổ CDI Ragone eta sắc điện cục trong dung dịch nuốc cấp NaCl 200 pm tại L0 V 1.2

V 14V và 6V

Trang 13

1, Lí do chọn để tài

Hiện nay nhiễm mãn đang là mối đe dọn của nhiều tỉnh ven biển Việt Nam Điều này gây khó hân tong canh tác nông nghiệp, thiếu hụt nước ngọt sinh hoạ,

nước bịnhiễm mặn Thực rạng đắt nhiễm mặn ở Việt Nam đang là vẫn đề quan trọng

ẳn giải quyết Khử mặn hiệu quả với chỉ phí thấp hiện là một trong những thách thức công nghệ trên toàn iu không chỉ tính riêng với Việt Nam Các công nghệ thương mại phổi fn nur thm thấu ngược (RO Water Trentenl) diện phân, chưng cắt nhiệt

đã liên tục phát triển đẻ đạt được hiệu quả khử mặn cao hơn Tuy nhiên, để vận hành

sắc công nghệ cao cằn tiêu thụ mức năng lượng lớn, điều này có thể khiến chúng

Mj Latinh va châu Phi, Trong bối cảnh ly, khử ion dign dung (CDI ~ capacitive

deionization), da thu hút sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu các công nghệ xử lí

nước từ giữa những năm 1960 Công nghệ này hoạt động dựa trên các điện cực có

diện ích bề mặt cao, khi tích điện, có thể hắp phụ - giải hấp cúc thành phần ion từ

nước, từ đó có khả năng khử muối [1]

KẾ từ khi khái niệm CDI lằn đầu tiên được đỀ xuất vào giữa những năm 1960

I2], |3], các nhà khoa học đã nỗ lực để phát triển các vật liệu có diện tích bŠ mặt riêng

lớn cho các ứng dụng CDI Đặc biệt, carbon xốp với các kich thước khác nhau ngày căng thu hút sự quan tâm vì chúng thưởng có độ xốp cao và dẫn diện tốt [4|, do đó

CDI Hign nay, một số loại carbon xốp đã

được nghiền cứu làm điện cực CDI, chẳng hạn như than hoạtính (AC) I5], ng nano

có iểm năng trong việc cải thiện hiệu st

carbon (CNT9 [6], gaphene [TÌ nhưng chúng thường có khả năng lưu trữ điện

hẹn làm điện cực cho siêu tụ điện do các đặc nh bắp dẫn như khả năng dẫn đi tóc,

độ xốp cao, cầu trú lỗ xốp có thể kiểm soát và diện tích bỀ mặt lớn Siêu tụ điện dựa

trên CA có tuổi thọ đãi, nhưng thường có điện dung riêng thấp (30-150 E/c) [S]

So véi điện cực dựa trên vật liệu carbon, các vật liệu giả điện dung điển hình

ếp như RuO¿, Ee:O¡, NIO và MnO;, và các polyme dẫn như polyaniline, polypyrroles và polythiophenes, thường được nghiên

bao gồm các ovide km loại chuyển

Trang 14

là một trong những vật iệu điện cực thay thể hứa họn nhất cho iêu tụ điện hiệu suất

cao, vì có nhiều ưu điểm như chỉ phí sản xuất thấp, độ thân thiện với môi trường và trữ lượng lớn trong tự nhiên [10] Tuy nhiên, điện cực MnO; thường có độ dẫn điện kém, làm hạn chế mật độ công suất và số chu kì hoạt động, điều này ngăn cản ứng

uy

“Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng sự kết hợp của MnO; và vật ligu carbon

dụng thực tẾ vật liệu nà

eó thể cải thiện hiệu suất siêu tụ điện, vì nó tạo ra các siêu tụ lai — hybrid

supercapactor có khả năng hoạt động điện dung và giả điện dung Các vật liệu từ

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Tổng hợp, khảo sát cấu trúc của vật liệu composite MnO,/carbon aerogeL

~ Khảo sát khả năng hấp phụ muỗi (khả năng khử mặn) của mảng điện cực sử dụng vật liệu composite MnO,/carbon aerosel theo công nghệ điện dung

3, Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

3⁄1 Đối tượng nghiên cứu

Vật liệu nano composite MnO,/earbon aerogel diều chế bằng phương pháp thủy nhiệt và sol-gel

3.2 Noi dung nghiên cứu

~ Tổng hợp composite MnOs/earbon aerogel bing phương pháp phương pháp thủy nhiệt và sol-gel

~ Khảo sát đặc điểm điện hóa và hình thái của mảng điện cực có sử đụng vật liệu composite MnOearbon aerogel

~ Chế tạo ming điện cực MaO,/eatbon aerosel sử dụng để điện cực dẫn bằng

‘graphite

Trang 15

~ Khảo sát tính chất điện hóa và độ bền của màng điện cực

~ Khảo sát hiệu suất hấp phụ muỗi của điện cục

33 Phuong phip nghiên cứu

~ Tổng hợp vật liệu bằng phương pháp thủy nhiệt và sol-gel

~ Khảo sắt các qu tình hoá í xây ra theo nhiệt độ bằng phương pháp phân tích nhiệt (TGA ~ DSC)

Khảo sát cấu trúc tỉnh thể bằng phương pháp nhiễu xạ tia X bột (XRD)

= Phan ich thành phần các nguyên tổ trong mẫu bằng phổ tán sắc năng lượng

- ip bin ita vat liệu điện cục được khảo sắt bằng phương pháp phông sạc cổ

định (Charge — discharge cycling)

~ Khảo sát khả năng hắp phụ muối của vậtliệu điện cực bằng phương pháp dòng,

~ thai gian (CA- chronoamperometry)

4, Bồ cục luận văn

Luận văn bao gồm phần mở đầu, 03 chương chính văn, kết luận và kiến nghị Cấu trú luận văn gm 86 trang chính văn: 44 hình vẽ, đồ this 13 bing bigu va 104 nguồn tà liệu tham khảo

Trang 16

Churong 1 TONG QUAN

1.1 Siêu tự điện hóa

1.1.1 Nguồn gốc và sự phát triển của siêu tụ điện

Siêu tụ điện (Supercapaeitor - SC) còn được gọi là tụ điện hóa là một loại thiết

bị lưu ữ năng lượng điện hóa mới khíc với tụ điệ và pin thông thưởng, Trái ngược với tụ điện truy thống, diện tích giữa điện cực và Ất điện môi của siêu tụ điện rắt lớn và độ đầy của chất điện môi là nanomet, do đó điện dung của siêu tụ điện cao hơn

so với tụ điện thông thường

Năm 1853, Helmholg lần đầu tiên khám phá cơ chế lưu trữ điện tích của tụ điện

và đề xuất mô hình lớp kép điện trong nghiên cứu huyển phủ keo Năm 1957, Becker tong dung dịch H;SO Năm 1978, Tập đoàn NEC của}

êu tụ điện” Năm 1989, Bộ Năng lượng Hoa Kỹ bắt lật Bản đã thương mại hóa

một tụ điện hóa và gọi nó l

hỗ trợ nghiên cứu về siêu tụ điện với mật độ năng lượng cao, sẽ được sử dụng

trong các hệ thống tuyển động điện va I mot phan trong kế hoạch ô tô điện và hybrid Hiện nay, các tập đoàn siêu tụ điện trên thể giới như Maxwvell (Mỹ), Nesseap (Hàn

Quốc), ELTON (Nga), Nippon Chemicon (Nhật Bản) đã phát triển, cung cấp các loại

siêu tụ điện khác nhau và bắt đầu ứng dụng thương mại [13]

1.1.2 CẤu trúc và thông số kĩ thuật

Nguyên tắc cơ bản của SC dựa trên các tụ điện tỉnh điện được đưa ra trong, phương tình (-) Trong phương tình này, hằng số điện môi của không khí (ạ),

số điện môi tương đối của vậtliệu điện môi (e,), diện tích bé mat (A) và khoảng cách giữa hai điện cực (đ) được thể hiện trong Hình 1.1 a (13) B

và độ đà

én dung được chỉnh bằng cách thay đổi di

trình (1.1) của vậtliệu điện môi theo phương,

= fA aa)

Trang 17

Hinh 1.1, (a) Cau trúc của tụ tĩnh điện, (b) cấu trúc của SC [1]

'Cấu trúc cơ bản của SC bao gồm các bộ thu dòng và các điện cực thay cho vat

liệu điện môi Nguyên lý hoạt động của SC dựa rên sự tích trữ năng lượng thông qua điện tích không gian được gọi là lớp điện kép (EDL), như trong Hình 1-I b, Do đó,

SC la nh điện và không có phản ứng điện hóa [14] [I5] 1.1.3 Phân loại siêu tụ điện hóa

“Siêu tụ điện có thể được phân thành ba loại như Hình 1.2

"Hình 1.2 Sơ để phân loại siêu ty điện [16]

Trang 18

3) Tự điện thông thường

‘Céc tu điện thông thường (conventional capacitors) lưu trữ năng lượng tỉnh điện

"Tụ điện thường bao gồm các vậtiệu điện môi như thủy nh, nhựa, gồm và giấy, ngăn

cách hai tắm dẫn điện (điện cực)

Điện trường có thể được tạo ra giữn các lớp điện môi tích điện nhờ sự chênh

lệch điện thể giữa các bảng tụ như Hình 1.3 Diện dung được tính bằng công thức

Ae

a

c d2)

Trong đó A là diện tích bề mặt của các bản tụ, ¢ là hằng số điện môi của vật liệu

điện môi và đ là khoảng cách giữa các bản tụ Các tụ điện thương mại có thể lưu trữ năng lượng trong phạm vi giữa pico- và micro-fara [16]

@

Hình 1.8 Sự sắp xếp điện tích trong vật liệu điện môi ở trạng thái tích điện của

0 điện thông thường

b) Tụ điện lớp kép điện hóa

Cơ chế hoạt động của EDLC tương tự với các tụ điện thông thường Tuy nhiên, thay vì nu rữ điện tích ong lớp điện môi, EDLC lưu trữ năng lượng trong giao diện

cực có cụ tính khác nhau, dẫn đến sự đi chuyn cửa các ion chất

lỗ của các điện cực như Hình 1.4

hi sang các vĩ

Trang 19

Điện dung của EDLC được xác định bởi độ dày của lớp điện kép ở giao điện điện cựe/chất điện phân (Hình 1.4) Độ dày của lớp kép nhỏ hơn nhiều so với độ dày dang của tụ điện thông thường theo phương trình (1-2) Ngoài khoảng cách đ ngắn

hơn, điện tích giao diện điện cực/chất điện phân lớn hơn đáng kể so với diện tích

trong tụ điện thông thưởng có thé lam tăng thêm điện dung của EDLC Bên cạnh đó,

tính dẫn điện của chất điện phân trong EDLC có thể làm giảm điện trở trong của các

di động của các on vào các lỗ của điện cực làm tăng hiệu suất điện dung [17] Thông cải thiện điện dung của vật liệu ÁC có thể sử dụng vậtliệu carbon có cấu trúc phức tap hơn như mesoporous carbon, ng nano carbon (CNTS) và graphene Những vật

liệu này thường đắt hơn AC; tuy nhiên, khá năng lưu trừ điện tích vượt trội so với

AC Ví dụ như Graphene được hoạt hóa bằng KOH có thể đạt điện dung riêng đến

166 Eig trong chất điện phân hữu cơ [18]

Trang 20

[Nam 1951, Comway đề xuất cơ chế tụ điện giả 19] Mô hình này để xuất cơ chế diện thể nạp điện cực đưới điện áp của phản ứng oi hóa khử hấp phụ - giải hắp thuận

nghịch Đối với tụ điện giả, quá trình lưu trữ điện tích bao gồm lưu trữ trên lớp kép

và các phản ứng oxi hóa-khử giữa các ion điện phân và vật liệu điện cực Khi các ion

trong chất điện phân (như H*, OH”, K*, hay Li*) khuếch tán từ dung dịch sang giao

diện điện cục/dung dịch dưới tác dụng của điện trường, chúng sẽ đi vào phase của

oxide trên bề mặt điện cực thông qua các phản ứng oxi hóa khử tại giao diện, dẫn đến

tích trữ một lượng lớn điện tích ở điện cực Trong quá trình phóng điện, các ion đi

vào odde sẽ được đưa trở lại chất diện phân thông qua phản ứng ngược của phân ứng

oxi hóa khử và điện tích tích lưu trữ được giải phóng qua mạch ngoài Đây là cơ chế sạc và xã của tụ điện lai

EDLC Tụ điện giả 4) ®) © hi @

|| oa en | 1

Hình 1.5, Sơ đồ của các cơ chế lưu trữ điện tích cho (a) EDLC và (b — đ) các

loại điện cực giá điện dung khác nhau: (b) tự điện giả lắng đọng dưới điện thể,

{c) tụ điện giả oxi hóa khử và (đ) tụ điện giả xen cài ion [13]

Điện dụng giã có th tạo ra trên bể mặt điện cực và bên trong điện cực; do đó,

só thể đạt được điện dung cao hơn và mật độ năng lượng cao hơn so với EDL.C Với

cùng một diện tích điện cực, điện dung của tụ điện giả có thẻ gắp 10 - 100 lần điện

dụng của EDLC Nhìn chung tụ điện giả có điện trở suất cao vì vậy quá tình vận

chuyển điện tích không hiệu quả trong quá trình điện hóa và mật độ năng lượng thấp,

Trang 21

nanomet [20] hoặc chế tạo vật liệu điện cực có hình thái và cấu trúc đặc biệt để chất ign li dé dàng khuếch tần vào bên trong vật liệu điện cực [21] Một trong những vậtliệu được nghiên cứu sử dụng cho tụ điện giã là Ruthenium oxide Kim loại quý này có nhiều pha oxi hóa khử [Ru(IV)/II) và Ru(II/RudD] trong môi trường

được ứng dụng tong thực atu điện Để giải quyết vẫn để này, các ni

cứu đã chuyển hướng sang sử dụng các chất thay thể ít độc hại và rẻ tiền hơn như

oxide cin cobalt, nickel, manganese va polymer din điện Ví dụ dây nano cobalt 1a 710 Fig [24], Polymer din din polypyrrole ( PPY) được sản xuất bởi Zhang và

suất hứa hẹn, nhưng độ dẫn điện thấp (so với vật liệu carbon) và thiểu độ ổn định

tong nhiễu chư kì cản trở ứng dụng của chúng tong các tụ điện giả ĐỂ củi thiện hiệu ông sự, khi kết hợp vật liệu carbon với NiOVa-Ni(OH): dign dung eda dign exe

triển SC lai, Wu và cộng sự lắp áp siêu tụ điện bắt đổi xứng mật độ năng lượng cao

tử đây nano MnO; va graphene với mật độ năng lượng là 30,4 Wh/k vượt trội đáng

Trang 22

cứng có thể dẫn đến giảm độ ôn định cũa điện cực

để chế tạ siêu tụ điện không đối

‘Tuy nhiên, các SC lai vẫn mang tiểm năng lớn cho các thiết bị lưu trữ năng lượng

tong tương lai vỀ mặt ải hiện mật độ năng lượng

1.1.4 Các thành phần khác trong siêu tụ điện ảnh hướng đến hiệu suất làm

suất cao Ba loại dung dịch điện li phổ biến là: dung dịch điện li nước (aqueous

electrolyte, chit hau co va chit ling ion (ionic liquids ~ IL) Bing 1.1 va Hình L6 mật độ năng lượng và điện

"mình họa ảnh hưởng của dung dịch điện lỉ khác nhau đ

carbonate

Trang 23

1315 125 (25°C) 40

28 (100°C) 325

Chất đện lí hữu cơi

Dung địch điện li nước chủ yếu được sử dụng trong các giai đoạn nghiên cứu vì

chi phi thip va da dang Salfuric acid, potassium hydroxide va potassium chloride lh

những chất điện li dạng nước phổ biến có ưu điểm là dễ xử lý trong môi trường và

điện trở suắt ion thấp Sự đa dạng giữa các chất điện ỉ acid, base và trung tính giúp H:SO sang KOII đối với các điện cực nickel oxide có thể làm tăng điện dung riêng

Of I32] Tuy nhiên, dung dịch điện lï nước không được sử dụng rong thương mại

điện phân nước, quá trình tạo ra oxygen và hydrogen tạo ra áp suất trong hệ thống,

Trang 24

điều này dẫn đến việc phá vỡ tế bào điện cục Iiơn nữa, môi trường aid-base có pH mạnh có thể gây ăn môn kim loại (ví đụ: ickel và aluminium), + Chất điện l hữu cơ

Các SC trên thị trường sử dụng các chất điện li hữu cơ như acetoniHrile và

2 = 2,7 V) Dai dign dp xông làm tăng một độ năng lượng đáp ứng nhủ cầu thương mi Acetonitrile th

* Chất lông ion (1L)

TL bao gồm các muối nóng chảy không dưng môi ở dạng lỏng ở nhit độ phòng

do nhiệt độ nóng chảy thấp, Loại chất điện l này không độc hại và không bắt lừa,

định nhiệt hoặc hóa học [34] IL cũng có thể được lâm nóng đến 300°C mà không bị thời cung cấp điện áp hoạt động rộng (0 bay hơi [35] Tuy nhiên, nhược điểm chính của IL là độ dẫn ion thấp hơn so với hai

loại chất điện ỉ còn li Độ dẫn điện có thể được ci thiện bằng cách làm nồng IL dn

125°C, những điều này đặt ra những thách thức khác về thiết kế El-Kady và cộng sự

đã thiết kế graphene khắc laser (LSG) cho SC và nghiên cứu trong các dung dịch điện

lí khác nhau [36] Hình 17 tóm tắt các kết quả, trong đó siêu tụ điện LS

IL vượt trội hơn cả thiết bị dựa trên hữu cơ và dung dịch nước về cả mật độ năng

lượng và mật độ công suất Mặc dù hiệu suất của IL đầy hứa hẹn, nhưng vẫn còn một

số thách thức như chỉ phí cao đổi với các ứng dụng thương mại

Trang 25

inh họa mật độ năng lượng của hai tế bào điện cực sử dụng các

*t điện phân khác nhau [36]

b) Lớp phân cách

Bộ phân cách có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của SC vì bộ phân cách được thiết

kế kém có thể tạo ra điện trở bổ sung trong tế bào điện cực Trong trường hợp xấu

nhất, điều này có thể làm đoàn mạch tế bào Một số lưu ý trong việc lựa chọn dãi phân cách thích hợp cho siêu tụ điện bao gồm:

~ Không dẫn điện (ngăn cán sự vận chuyển điện tử giữa các điện cực):

~ Khả năng thắm ướt tốt và điện trờion tối thiểu;

~ Kháng hóa chất đối với chất điện phân và vật liệu điện cực;

~ Độ bên cơ học cao (chịu được áp lực và thay đổi th tích như phòng điện cục);

“Các vật liệu tự nhiên, chẳng hạn như thủy tinh, giấy cellulose và gốm sử ban

đầu được sử dụng làm chất phân cảch rong các giai đoạn ban đầu của quế trình phát biển hơn hết ì chỉ phí thấp, tính linh hoạt và độ xốp cao

Trang 26

©) BO thu đồng

Phẳn lớn các thiết bị lưu trữ năng lượng cần các bộ th đồng do tính dẫn điện kếm của vật liệu hoạt tính Vai trồ của bộ thủ dòng là vận chuyển dòng điện từ các

điện cực đến các tải bên ngoài Do đó, chúng phải dẫn điện và đản hồi trong môi

trường làm việc, chịu được sự tác dụng hóa học từ chất điện phân Với những yên cầu

nay aluminium, thép và iron là những vật liệu cho bộ thu đòng phố biển hiện nay

L7 Tuy nhiên do chu kì hoạt động dài và sự suy giảm tính chất vật lí của các vật

liệu hoại tính, có thể xây ra sự kết dính giữa vậ liệu hoạt tính và bộ thu, dẫn đến điện

trở cao Để giải quyết vấn để này, các tác nhân liên kết polymer (Nañon® và tính khỏi bộ thủ Ngoài ra, điều quan trọng đối với các bộ thu đồng là tản nhiệt sinh

za trong tế bào, Vì các yếu tổ này nên aluminium thường được sử dụng 1.2 Công nghệ khử ion điện dung (CDI)

1.2.1 Nguyên lý hoạt động

'CDI hoạt động trên nguyên tắc: áp một điện trường một chiều lên trên hai điện cực, ion trong dung địch muỗi bị hấp phụ lên trên điện cực bằng lực điện trưởng

tích điện âm và ngược lại, các ion âm hắp phụ lên trên bể mặt điện cực tích điện

đương Kết quả là khi dòng dung dịch chứa ion chảy qua hai điện cực tích điện, các ion sẽ bị giữ lại trên các điện cực catbon xốp, còn lại dòng nước sạch đi ra khỏi tế bao CDI

Khi điện cục đã hấp phụ bão hòa on, điện cực được tái sinh bằng cách ngất điện

để giải hấp các ion như minh hoạ ở Hình 1.8 b Như vậy, chủ trình khử mặn theo

Trang 27

công nghệ CDI gồm hai bước: bước thứ nhất là quá trình điện hấp phụ ion (quá trình

o§i bộ lon) lầm sạch nước và bước thứ bai là quá tình giới hắp phụ ion ra khỏi điện

đủ để quá trình hắp phụ ion xảy ra Nếu hiệu điện thể cao (về lý thuyết > 1,23 V) sẽ

xảy ra các quá trình điện phân nước, làm giảm hiệu suất

giảm tuổi thọ của thiết bị, Quá trình tái sinh nhanh điện cực có thế được thục hiện bằng cách đảo chiều điệ

trường, Tuy nhiên các ion bị phóng thích ra khỏi điện cực

có thể bị tái hấp phụ lại trên các điện cực tích điện trái dấu, làm cho điện cực không

được tá sinh hoàn toàn, dẫn đến giảm khả năng hắp phụ ở những chu kỳ tip theo

Để khắc phục nhược điểm này, trên mỗi điện cực được bổ sung một mảng trao đổi

ion để ngăn chặn sự hấp phụ ngược trong quá

tái sinh, Công nghệ này được gọi

là công nghệ khử on điện dung màng (MCDI ~ Membrane capacidve deionization —

Membrane capacitive đeionization, Hình 1.9)

Hình 1.9 Quá trình khử mặn (a) và tải sinh (b) điện cực trong MCDI [38]

“Trong công nghệ MCDI, màng trao đổi cadon (cation exchange membrane - CEM) được đặt ở phía trước cực âm và màng trao đổi anion (anion exchange

(IEM) lá chắn loại trừ các ion không mong muốn hắp phụ lên điện cực MCDI làm

tăng đăng kể hiệu quả cia CDI nhờ việc cải thiện các thông số như hiệu suắt tích

điện, hấp phụ ion, Lee và cộng sự nghiên cứu MCDI đầu tiên vào năm 2006,

Nghiên cứu đã chứng mình rằng mảng trao đổi ion đã hạn chế quá trình chuyển và

âm tăng khả năng lưu trữ ion Sau đó công nghệ MCDI phát triển khá nhanh nhờ sự

ra đời của nhiề loại màng trao đổi ion có hoạt tính chọn lọc ion cao điểm hình như

Trang 28

4-styrenesulfonicacid-methacrylic acid-methy! methacrylate (NaSS -MAA-MMA), formaldehyde matrix, polyethylene véi lién két ngang sulfonated polystyrene (PE -

CSPS), poly (2, 6 -dimethyl -1, 4 -phenylene oxide) (PPO), poly (phenylene oxide)

(SPPO) vi polysulfone (APSF polyvinyl alcohol (QPVA) Nhin chung hi hét sắc công nghệ MCDI đều cho hiệu suất khử ion trén 80%, cao hon nhigu so với các ông nghệ CDI truyền thông (khoảng 4042) [38]

1.22 Ưu điểm của công nghệ CDI

So với các phương pháp khử muối thông thường bao cằm thẩm thấu ngược (Reverse osmosis-RO), dign phin (electrodialysis ~ ED), hip phy CDI e6 nhiều

điểm mạnh như hoạt động ở điện áp thấp, tiêu thụ ít năng lượng, hoạt động ở nhiệt

độ bình thường, hiệu suất năng lượng cao, tdi sinh đễ dàng, chỉ phí thấp và thân thiện với môi trường Ngoài ra, năng lượng tiêu thụ của quá trình khử muối có thể được

phục hồi một phần trong quá nh giải hắp vì nó có nhiễu điểm tương đồng với SC

“Trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng và sự nóng lên toàn cẩu, công nghệ CDI là người với ưu điểm lớn nhất là tiêu thụ năng lượng thấp như Bảng 1.2 [39]

Bang 1.2 Năng lượng tiêu thụ gần đúng của các công nghệ khử muối khác nhau

1.2.3 Phan logi CDI

Việc phân loại (Hình 1.16) các tế bào CDI dựa trên cầu trúc khác nhau: [40]

Trang 29

4) Phân loại theo vật liệu điện cực

~ Tế bào CDI thông thường (Hình 1.11 a) là cấu trúc CDI cơ bản với hai điện

cục điện dung được phân tách bằng một miếng đệm tong đó nước cấp đi qua các

điện cực này theo kiểu vuông góc hoặc song song Cả điện cực dương và âm đều

được làm từ vật liệu carbon và lưu trữ các ion trong EDLC thông qua cơ chế điện Jogi bo không chọn lọc

- TẾ bào CDI lai (Hybdd CDI - HCDD) (Hình 1-11 b) bao gồm một điện cực

điện dung và một điện cực giả điện dung, Quá trình hắp phụ ion xảy ra đồng thời cơ

cách khác, dưới sự phân cực, các ion được lưu

chế điện dung và giả điện dung Ni

Trang 30

trữ điện dung trong EDLL của điện cựe điện dung, trong khi ở điện cục giả điện dung,

sự hấp phụ xây ra bằng phương pháp xen cài hoặc phản ng oxi hóa khử bÈ mặt HCDI kết hợp cúc thuộc tính của CDI thông thường và faraduic CDI Sự kết hợp của

g một hệ thống làm cho khả

hiệu ứng điện dung và hiệu ứng giả điện dung trong

năng loại bỏ ion cao (31.2 mgig) so với CDI thông thường (13.5 mg/g)

inh 1.11 €) sử dụng hai điện cực giả cho cả cực âm

~ Earadaic CDI (FCDI (

và cực đương Không giống như cúc điện cực điện dung, các điện cực giả điện dune lưu trữ các ion thông qua cơ chế xen cài hoặc phản ứng oxi hóa khử ion tại giao điện

điện cục Điện cực giả điện dung mang những ưu điểm vượt trội như khả năng chọn,

lo lon, chu kì hoạt động đài và ôn định VỀ cơ bản, các ion được lưu trữ tong các vị

trí tỉnh thể của các vật liệu điện cực Các vật liệu đan cải có thể có khả năng hoạt

động điện hóa cao so với các diện cục điện dung mà không cần mảng ro đỗi ion

so với CDI duge trang bi TEM

b) Phân loại theo thành phần hoặc cấu trúc điện cực

~ CDI đôi xứng gồm một cặp điện cực giống nhau về khối lượng chức năng và sắu trú (độ xốp, kích thước) Tuy nhiên cấu bình diện cực có thé mắt dẫn tỉnh đổi

xứng điện hóa đo quá trình oxi hóa cực đương

~ CDI không đối xứng bao gồm ác cập điện cục có thành phần khác nhau, như

cấu trúc, khối lượng hoặc độ dày khác nhau, :ơ bản, kích thước của cation trong dung địch khác với anion dẫn đến sự mắt cân bằng trong quá trình hấp phụ muối cao, nâng cao hiện quả sạc tốt hơn so với CDI đổi xứng Ngoài ra, hệ thống không đối xứng có thể hấp phụ chọn lọc ion, đây là thuộc tính của CDI được tang bị IEM

“Tuy nhiên, hệ thống không đối xứng có hiệu ứng đảo ngược, quá trình giải hắp ion

trở nên chiếm tu thể trong quá trình sạc và hắp thụ trong quá tình xả

©) Phân loại theo cấu hình CDI nâng cao

- CDI đảo ngược (Inverted CDI - iCDI) (Mình 1.11 d-e) Hệ động theo cách ngược lại với CDI thông thường Trong tế bào iCDI, sự hình thành

EDLC dign ra tại

ống CDI hoạt mặt đã biển đổi về mặt hóa học (với các đi

Trang 31

của các điện cực carbon mà không cẳn nguồn điện bên ngoài Sự hắp phụ của các ion

xảy ra một cách thụ động, điện áp bên ngoài được sử dụng dé giải hấp ion Ưu điểm

đáng chủ ý của iCDI là tuổi thọ cao và không xảy ra hiện tượng đây ion trên cùng điện cực Tuy nhiên, các hệ thông ¡CDI có khoảng điện áp làm việc nhỏ, do đó khả năng hấp phụ vẫn thấp hơn khi so sánh với CDI và MCDI thông thường CDI màng (Membrane CDI - MCDI) (Hình 1.11 £) là tế bảo CDI thông thường

được ich hop IEM được đặt ở phí trước cúc điệ cực đễ tăng hiệu quả loại bỏ muối

và năng lượng CEM và AEM được đặt trên cực âm và cực dương tương ứng Các ion, do đó mang lại hiệu quả loi bỏ muỗi ốt hơn

1.2.4 Các phương pháp vận hành và thử nghiệm CDI

đo sự thay đổi nồng độ loa

"ĐỂ đo độ khử mặn của nước bằng hệ théng CDI, í

theo thời gian bằng cách lấy mẫu nước và phân tích thành phần ion Khi sử dụng dung

dich mu6i đơn (như NaCI hoặc KCl, có thể kim tra nồng độ ion bằng cách đo độ

dẫn của dung dịch [41]

“Có thể bổ trí thí nghiệm CDI theo hai phương pháp

- Chế độ liên tục - Single.pnss (SP) (Hình 1.12 a): độ dẫn diện của nước ra khỏi

tế bảo CDI được đo trực tiếp tại đầu ra Trong phương pháp này, độ mặn của nước

thai đo được sẽ bất đầu giảm ngay sau khi áp điện ấp vào tế bào CDI Tuy nl một thời gian độ mặn của nước thải đo được lại tăng lên bằng giá tr ban cắc điện cục đã bão hòa, Nước thải bị loi bỏ hoặc có thể được dẫn vào một bể chứa thai di vio (< 1%) để đảm bảo rằng nỗng độ đầu vào hẳu như không đổi trong suỗt chu kỳ

~ Chế độ tuần hoàn - Batch-mode (BM) (Hinb 1.12 b): trong phương pháp này

bể chứa nước thải nhỏ và đầu đò độ dẫn được đặt rong bỂ chứa Tỉ tích của hỗ chứa nước thải cần phải nhỏ để xác định sự thay đổi độ mặn khi nồng độ muối thay đổi

“Trong thí nghiệm này, độ mặn đo được giảm din và không có cực tiểu Từ sự khác

bị loại bỏ khỏi nước,

Trang 32

(b) Phương pháp Batch-Mode (BA),

Hinh 1.12 So dd cita hai thiét ké thi nghiệm CDI: (a) Phương pháp SP; (b)

Phuong phip BM

1.4, Điện cực trong siêu tụ điện và công nghệ CDI

Các vật liệu điện cực điền hình cho việc chế tạo thiết bị CDI là carbon hoạt tinh, Vật liệu tổng hợp nano alumina va silica, carbon aerogel, CNTs, graphene và

tức giá cũng đã nghiên cứu các hiệu ứng pha tạp va pha

Tesoporouscarbon, Một

trộn các vật iệu khác nhau đối với iệu sut của điện cục Hình 1.13 dưới đây tình

bày các vật liệu điện cực khác nhau với khả năng hấp thụ của chúng

Trang 33

(CNF), than xốp hoạt tính (AMC), carbon aerogel (CA), vãi carbon (CC),

carbon có nguồn gốc carbide (CDC), ống nano carbon (CNT), graphite oxi

(GO), mesoporous carbon (MC) va cac loai mesoporous carbon khae [38]

13⁄1 Một số yêu cầu về điện cực trong siêu tụ điện và công nghé CDI

Tinh năng của tụ điện và CDI phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu điện cực, vì vậy

ứu cãi thiện hiệu suất khử muối tập rung vào nghiên cứu vật liệu điện

gu xốp và có khả năng dẫn điện được lựa chọn làm vật liệu điện cực như than chỉ, than hoạt tính Tuy nhiên, đ sử dụng làm vậtliệu điện cực cần đáp ứng một số tiêu chí như [42]

~ Diện tích bể mặt riêng lớn CDI hắp phụ muối theo cơ chế EDLC thường phụ

thuộc vào điện tích bŠ mặt Tuy nhiên khả năng hắp phụ ion còn phụ thuộc vào kích

thước mao quản vì không phải toàn bộ ion đầu tiếp xức với toàn bộ bê mặt điện cực

Trang 34

~ Độ bên điện hóa cao tong điều kiện hoạt động bao gồm độ ph và điện áp Điện cục không bị oxi hóa, đảm bảo độ bỄn cơ học và ôn định tiết bị trong quá tình

chọn vật liệu điện cực không chỉ cân nhắc về độ xốp mà còn quan tâm đến cầu trúc

lỗ xốp được không chế bởi khoảng cách hạt và độ đầy điện eve

- Độ dẫn điện cao Vật liệu điện cục cần có độ dẫn điện như kim loại hoặc gắn

Kim loại cho phép điện cục tích diện với điện thể không quá lớn vả tiêu hao năng

lượng do tỏa nhiệt

- Điện trở tiếp xúc giữa lớp carbon xốp và bộ thụ đông thấp nhằm giảm th rơi

~ Trơ sinh học đâm bảo hoạt động lâu dài trong nước mật à nước ly mà không

bị phân hùy sinh học, nhiễm khuẩn

1.32 Một số vậ liệu điện cực trong siêu tụ điện và công nghệ CDI

a) Vật liệu điện cực cho tụ điện lớp kép điện hóa

‘Vat liệu được sử dụng rộng rãi cho các điện cực EDLC là carbon Chỉ phí sản xuất thấp, phong phú, diện tích bê mặt lớn, hình thái có th kiếm soát và độ dẫn điện được xử lí để thay đổi cấu trúc và tính chất hóa học/cơ học cho các ứng dụng khác

nhau Một số vật liệu carbon được phổ biển cho EDLC nr AC, CNT và graphene,

cA

® Than hoạt tính (AC)

Trang 35

CCác siêu tụ điện hiện có trên thị trường sử dụng AC làm vật liệu điện cực AC được xử lý bằng nhiệt hoặc hóa học của các iễn chất carbon như cao su dầu mỏ, than,

gỗ và vỏ cứng Hoạt hóa potassium hydroxide (KOH) 1A một trong những kĩ thuật

phố biến nhất được sử dụng để sản xuất AC do chỉ phí xử lý thập AC có thể lưu trừ

dén 150 Fig trong chất điện phân hữu cơ [43]

+ Ong nano carbon

CNT 18 vat liệu carbon có các đặc tính vượt trội so với AC CNT bao gồm các

lớp graphite được lắp ráp thành các hình trụ (Hình 1.14) Dựa vào số lớp graphite

chia các ống CNTs thành ông nano carbon don vách (SWWCNT) và ông nano carbon

“Cấu trúc 1-D đài của CNTs mang lại các tính chất cơ học tuyệt vời và ngăn chặn

dén 200 Fig [45] Tay nhiên, trở ngại lớn nhất đối với iệc sử dựng CNT tong các

siêu tụ điện thương mại là chỉ phí sản xuất cao Phóng điện hồ quang (arc-discharge)

1g dong hoi héa hge (chemical vapor deposition ~ CVD) hiện đang là những kỹ

Trang 36

thuật được triển khai đ sản xuất một lượng CNT có độ tình khiết cao ở quy mô phòng thí nghiêm Tuy nhiên những kỹ thuật này cằn nghiên cứu thêm trước khi mở rộng quy mô sản xuất và tỉnh chế

*Graphene

Graphene mang nhiễu tu điểm để tr thành vật liệu điện cực cho SC như tính

dẫn nhiệt/điện cao, độ bền cơ học, tính ổn định hóa học và diện tích bề mặt lớn [46]

Gmphene là một tắm nguyên từ catbon đơn lớp hình tổ ong hai chiều phẳng, là khối

xây dựng cơ bản của các vật liệu carbon khác như được minh họa trong Hình 1.15

carbon khác như hạt, CNT 1-D và than chì 3-D [21] Graphene c6 thé c6 di 2675 m°/g và có điện dung

550 Eig 481 Tuy nhiên sự kết tụ và xếp chồng các tắm graphene gigi han dign dung

rigng trong khoảng tử 100 đến 200 E/g Để giảm việc kết tụ Wang và cộng sự kết hợp

CCNTS như một miếng đệm giữa các tắm graphene, điều ny da ải thiện đáng kể sự

Trang 37

kết tụ của graphene và điện dune riêng có thể đạt 318 E/g [49] Một số kĩ thuật khác

cách này có thể làm tăng dign tich bé mat Ién 3100 m2/g Hassan và cộng sự đã pha

tạp các mặt phẳng graphene bằng nguyên tứ nitrogen đẻ tăng tính dẫn điện và thúc

đấy tương tác graphene-ion trong dung dich dign phan, Graphene pha tap nitrogen &6

giá trị điện dung riêng là 194 F/g [50]

*Carbon acrogel

Carbon aerogel (CA) Ia vit ligu nano carbon v6 dinh hinh ¢6 độ xốp cao Cầu

trúc mạng ba chiều liên tục của nó có thể được kiểm soát va điều chỉnh ở cấp độ

anomet Đây là loại aerogel có độ xốp 80-9894, kích thước lỗ nhỏ hơn 50 nm, đường

kính hạt keo mạng là 3-20 nm, diện tích bÈ mặt riêng là 600-1100 mề/g và dẫn điện

độ dẫn dign 25-100 S/em [51] Nghiên cứu của Lỉ và cộng sự cho thấy rằng điện

eye CA ổn định trong dung địch điện li KOH, điện dung tương ing Ia 28 Fig Vật liệu điện cực lý tưởng phải có cấu trúc xốp phân cấp với macropore chứa ion, mesopore để vận chuyển ion và mieropore để lưu trữ điện Do đó, cấu trúc CA

phù hợp nhất cho SC cần có nhiều lỗ xốp Lưu và cộng sự đã chế tạo các siêu tụ điện

bằng cách sử dụng CA tổng hợp dựa trên nanocellulose có điện dung cao 109.4 m/enẺ ở 0,4 mA/emÊ Độ xếp của cấu trúc tổ ong của vật liệu giúp vận chuyển ion nhanh chóng Do những đặc điểm này, 8596 điện dung được duy tì sau 10000 chu ki [52] Yu và cộng sự điều chế CA sử dụng carboxymethyl cellulose làm nguyên liệu thô bằng phương pháp nhiệt phân sản phẩm sau đó được hoạt hóa bằng Kết quả cho

CA không không hoạt hóa KOH (108 m°/g) Hơn nữa, CA hoạt hóa có cấu trúc nano của các ion điện li và điện tử Các CA hoạt hóa có điện dung riêng cao 152,6 E/g ở bằng CO:, việc này làm tăng đáng kể diện tích b mặt riêng của CA, Trong điều tích

hoạt hóa tối ưu, di da dat 3431 még Mat dé năng lượng và điện dung riêng tôi đa của EDLLC sử dụng CA hoạt nh lẫn lượt là 152 E/g và 27,5 „riêng

Trang 38

Whikg, ở mật độ đồng điện là 03 A/E trong tetaetbylammoniumstetrafluoroborate- ammonium (EBuiNBE,) IM trong acetonitrile làm dụng địch điện li [54] Liệu điện cực giả điện dung

‘Cac oxide kim loại chuyển tiếp và polymer dẫn điện thường được chọn làm vật

liệu điện cực cho các tụ điện giả Các điện cục giả điện dung sử dụng các phản ứng

điện cực và thay đối kh sạc và số Cơ chế này cung cắp điệ dung và mật độ năng lượng vượt trội so với EDLC hoàn toàn dựa trên carbon Tuy nhiên, phản ứng trên điện cực có thể làm hỏng vat ti giả điện dung và gây ra những thay đổi không mong, muốn đối với hình thái học, dẫn đến giảm hiệu suất trong chu kì tiếp theo và giảm tuổi thọ của điện cực “Các oxide kim loại chuyển tiếp phổ biển đang được nghiên cứu cho các điện

1, MnO», NiO va Vi0s, [13], [55] Các oxide kim loại này trải qua nhiều trang thai oxi he:

cực giả điện dung là RuO;, C

dẫn đến tăng điện dung RuO; tột rong những vật liệu giả điện dung phổ biển nhất vì khả năng đảo ngược tốt, ba trạng thái diện tích của RuO› ngậm nước có th cải thiện bằng cách ũ nó ở nhiệt độ cao để đạt

được điện dung 1340 F/g [56] Tuy nhiên, kim loại ruthenium độc hại va đắt tiền do

khan hiếm Diễu này đã chuyên hướng nghiên sang các kim loại có sẵn trên thị trường dung rệng và hình thái của một số oxide kim loại phổ biển ứng dung cho EDLC và Mình 1.16 mình họa hình thái vật liệu

Bảng 1.3 Hình thái học và hiệu suất ca cic oxide kim loại đang được nghiên

cứu cho các ứng đụng tụ điện

Vật liệu Hình thái Điện dung riêng (Fig) Tham khảo C@O, — Brush-like nanowires 1525 157] MnO; ‘Nanowires ~800 I8] Nanopetals 710 I59I Nanoporous network 316 (60)

Trang 39

1g nano V20s [55]

nano MnQ;; (c) cánh hoa nano

“Tuy nhiên, các oxide kim loại thường bị giảm hiệu suất do có độ dẫn điện thấp

hơn so với vật liệu carbon Để khắc phục nhược điểm này, các nhà nghiên cứu đã bổ nông cao hiệu sut điện dung [61] Kim và cộng sự đã nghiên cứu tác động của việc

thêm các chất hỗ trợ carbon khác nhau lên oxide nickel, việc bổ sung SWCNT có thể dung từ 474 lên 810 E/g ở tốc độ sạc/xả nhanh [62]

Bén cạnh các oxide kim loại chuyển tiếp, các polymer dẫn dign nhu polypyrrole,

polyaniline (PANI), cũng được sử dụng làm vật liệu điện cực do quá trình tổng hop thuật chủ yếu tổng hợp các vật liệu này Diễu chỉnh các điều kiện tổng hợp có thể tạo

ra sản phẩm với bình thái khác nhau Trong giai đoạn sạc va xa, polymer din

chuyển đổi giữa hai trạng thái pha tạp (p-doping/ n-doping) trong đó các ion

phân được đưa vào cấu trúc khung của polymer.|55l

Trang 40

Không giống như cée oxide kim loại, toàn bộ cấu trúc polymer được tiếp xúc

‘visu pha tap của các ion, tạo ra điện dung cao Ví dụ, PANI tổng hợp bởi Zhou va

nhanh của siêu tụ điện có thể làm hỏng cấu trúc polymer bởi sự phông và nút vật liệu,

Jam rất ngắn vòng đời của polymer Để cải thiện vòng đời, polymer dẫn điện và chất

nền carbon được kết hợp Điện dung của PANI được cải thiện bằng cách pha tạp

graphene oxide (GO) vào PANI, Điện dung riêng của PANI có thể đạt 216 E/g, khi pha tạp GO có thể tăng lên S31 Fig [64]

1-4 Mật số phương pháp tổng hợp vật liệu MnO;

1-41 Phương pháp thuỷ nhigt (hydrothermal method) via dung mỗi nhiệt

(solvothermal method)

Nghy nay các nhà khoa học xem tổng hợp thủy nhiệt hoặc dung nhiệt là tổng

hợp bằng phán ứng hóa học của các chất trong dung dịch nước hoặc dung môi hữu

ch hợp (100 = 1000 °C) va dp su (1-100 Ma) Thông thường các phản ứng thủy nhiệt và dung moi nhiệt được tiến hành trong

cơ kín và được đun nồng ở nhiệt độ

một hình chứa kín đặc biệt hoặc nỗ hắp áp suất eo (autoclave) trong digu kign đưới

dung nhiệt chủ yếu tập trung vào khả năng phán ứng của các chất phản ứng, quy luật

của các phân ứng, điều kiện tổng hợp, mối quan hệ của chúng vớ chất của sản phẩm

Sự khác biệt chính giữa phản ứng thủy nhiệt và tran thái rắn nằm ở "khả năng

phản ứng” Các phản ứng ở trạng thái rắn phụ thuộc vào sự khuếch tần của các nguyên

ion hoặc phân tử chất phản ứng phản ứng trong dung dịch Sự khác biệt về cơ chế dựng cùng một chất phân ứng Quan trọng hơn, nhiễu hợp chất hoặc vật iu có

trúc và tính chất đặc biệt, không thể điều chế được từ quá trình tổng hợp ở trạng thái

sắn nhưng có thể tổng hợp được bằng các phản ứng thủy nhiệt và dung môi nhiệt

“Theo nhiệt độ phản ứng, tổng hợp thủy nhiệt và dung môi nhiệt có thể được

phân loại thành phản ứng tổng hợp dưới tới hạn và siêu tới hạn Nhiệt độ trong khoảng

Ngày đăng: 30/10/2024, 12:46

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN