Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật hóa học: Tổng hợp vật liệu chuyển pha Pyrogallol

Một hướng đi đang được mở rộng hiện nay là nghiên cứu vật liệu chuyển pha ở nhiệt độ trung bình 80 - 250 ℃ khi mà lưu trữ năng lượng ở nhiệt độ cao hơn mang lại tiềm năng cũng như khả nă

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

GVHD: TS NGUYỄN TIẾN GIANG SVTH: ĐẶNG QUANG HƯNG

TỔNG HỢP VẬT LIỆU CHUYỂN PHA PYROGALLOL/EXPANDED GRAPHITE VỚI KHẢ NĂNG CHUYỂN ĐỔI VÀ LƯU TRỮ QUANG/ĐIỆN - NHIỆT

TẠI NHIỆT ĐỘ TẦM TRUNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

TỔNG HỢP VẬT LIỆU CHUYỂN PHA

PYROGALLOL/EXPANDED GRAPHITE VỚI KHẢ NĂNG CHUYỂN ĐỔI VÀ LƯU TRỮ QUANG/ĐIỆN - NHIỆT TẠI NHIỆT ĐỘ TẦM

TRUNG

SVTH: Đặng Quang Hưng MSSV: 20128121

GVHD: TS NGUYỄN TIẾN GIANG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2024

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

TỔNG HỢP VẬT LIỆU CHUYỂN PHA

PYROGALLOL/EXPANDED GRAPHITE VỚI KHẢ NĂNG CHUYỂN ĐỔI VÀ LƯU TRỮ QUANG/ĐIỆN - NHIỆT TẠI NHIỆT ĐỘ TẦM

TRUNG

SVTH: Đặng Quang Hưng MSSV: 20128121

GVHD: TS NGUYỄN TIẾN GIANG

Tp Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2024

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CNHH & TP Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BỘ MÔN CN HÓA HỌC -

-

PHIẾU ĐÁNH GIÁ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP, NGÀNH CNKT HÓA HỌC

HỌC KỲ: II – NĂM HỌC: 2023-2024, MÃ MÔN HỌC: GRAT476803

(NGƯỜI PHẢN BIỆN)

I Thông tin chung

Họ và tên người phản biện: TS Lê Minh Tâm

Đơn vị công tác: Khoa Công Nghệ Hóa Học và Thực Phẩm

Học hàm, học vị: TS Chuyên ngành: CNHH

Họ và tên sinh viên: Đặng Quang Hưng

MSSV: 20128121 Chuyên ngành: Hóa vô cơ

Tên đề tài: Tổng hợp vật liệu chuyển pha pyrogallol/expanded graphite với khả năng chuyển đổi

và lưu trữ quang/điện - nhiệt tại nhiệt độ tầm trung

Mã số khóa luận:

Họ và tên người hướng dẫn: TS NGUYỄN TIẾN GIANG

II Nhận xét về khóa luận

2.1 Hình thức:

Tổng số trang: 43 ; Số chương: 3 ; Số bảng: 7 ; Số hình: 22

Số tài liệu tham khảo: 63 ; Phần mềm tính toán:

Bố cục: Hợp lý

Hành văn: Sử dụng thành thạo văn phong khoa học

Sử dụng thuật ngữ chuyên môn: Một số thuật ngữ chuyên môn cần chính xác hơn hoặc phải thêm minh chứng để sử dụng thuật ngữ được chính xác

2.2 Mục tiêu và nội dung:

- Tổng hợp vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng PYL/EG

- Khảo sát tính chất của vật liệu SSPCM PYL/EG gồm: hình thái, cấu trúc, hành vi chuyển pha, khả năng lưu trữ nhiệt, độ ổn định nhiệt của vật liệu và khả năng chuyển đổi quang/điện – nhiệt

2.3 Kết quả đạt được: Khóa luận đã đạt được các mục tiêu đề ra

2.4 Ưu điểm của khóa luận :

Tổng quan đầy đủ, phương pháp nghiên cứu tương đối khoa học, biện luận các kết quả đạt được tương đối logic

2.5 Những thiếu sót của khóa luận: Cần thận trọng trong việc sử dụng các thuật ngữ chuyên môn ví dụ “kết tinh” Vật liệu dạng rắn có thể tồn tại ở trạng thái vô định hình Dòng xoay chiều/một chiều?

2.6 Câu hỏi phản biện (ít nhất 02 câu hỏi)

1 Sinh viên đưa vào các tỉ lệ phối trộn ví dụ 60, 70, 80, 90% ➔ có kiểm tra lượng thật sự đi vào vật liệu không?

2 Trên các hình 3.5, 3.6, 3.11: tại sao mẫu 80% không biến đổi theo quy luật?

3 Sinh viên sử dụng nguồn xoay chiều, nhưng hình 3.15 trình bày nguồn một chiều (DC), giải thích?

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Ứng dụng vật liệu chuyển pha (PCM) để lưu trữ năng lượng là đề tài đã được nghiên cứu rộng rãi nhiều năm qua Một hướng đi đang được mở rộng hiện nay là nghiên cứu vật liệu chuyển pha ở nhiệt độ trung bình (80 - 250 ℃) khi mà lưu trữ năng lượng ở nhiệt độ cao hơn mang lại tiềm năng cũng như khả năng ứng dụng cao hơn Thêm vào

đó việc tìm cách chuyển đổi và lưu trữ một số nguồn năng lượng giá rẻ, có sẵn thành nhiệt năng như ánh sáng, điện đang là xu hướng nghiên cứu mới cho vật liệu chuyển pha Khóa luận này tập trung vào việc nghiên cứu tính chất nhiệt của vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng (SSPCM) pyrogallol/expanded graphite (PYL/EG) được tổng hợp bằng phương pháp ngâm tẩm dung môi Kết quả cho thấy mẫu SSPCM PYL/EG có khả năng chống rò rỉ tốt lên tới 80wt%, PYL được giam giữ tốt trong cấu trúc của EG thông qua các tương tác vật lý và không có phản ứng hóa học nào xảy ra trong quá trình tổng hợp Nhiệt tiềm ẩn của vật liệu PCM ban đầu là 113.2 J/g, bằng việc kết tinh lại bằng dung môi tăng lên tới 192.3 J/g (tăng 69.8%) kèm theo đó là nhiệt độ siêu lạnh của các mẫu SSPCM được giảm xuống còn 11-14.5 oC so với nhiệt độ 35.1 oC của PCM ban đầu Vật liệu thể hiện độ ổn định dù trải qua 50 chu kỳ nóng chảy/kết tinh ở nhiệt độ cao Bên cạnh đó, việc sử dụng EG làm vật liệu lưu trữ còn giúp cho vật liệu có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt trời, có khả chuyển đổi quang – nhiệt, với nhiệt độ mẫu 80wt% tăng từ 33.4-146.5 oC trong vòng 640s, kèm theo hiệu suất chuyển đổi quang-nhiệt lên tới 72.6% Thêm vào đó, với khả năng dẫn điện cao của EG, vật liệu có khả năng chuyển đổi điện – nhiệt, với nhiệt độ của mẫu 80wt% tăng từ 37.2-149.6 oC trong vòng 300s chỉ với hiệu điện thế là 2.5V Với khả năng lưu trữ và đa dạng cách thức lưu trữ nhiệt của mình, vật liệu cho thấy tiềm năng cho các ứng dụng lưu trữ nhiệt ở nhiệt

độ tầm trung

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn đến ban lãnh đạo và các cán bộ Trường đại học Sư phạm kỹ thuật đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất để em có thể thực hiện và hoàn thành khóa luận này

Tiếp theo, em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Tiến Giang đã hướng dẫn, hỗ trợ, giúp đỡ em hoàn thành khóa luận Em cũng xin cảm ơn các thầy cô bộ môn Công nghệ hóa học đã truyền tải kiến thức bổ ích cho em trong suốt 4 năm qua, để em có thể ngồi đây hoàn thành khóa luận này

Cuối cùng em muốn dành lời cảm ơn đến gia đình cũng như bạn bè đã ở bên cạnh động viên, hỗ trợ em trong suốt quá trình học tập và làm khóa luận Trong quá trình làm khóa luận do kiến thức còn hạn hẹp nên không thể tránh khỏi những sai sót, mong thầy cô góp ý để em hoàn thành khóa luận một cách trọn vẹn

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả nghiên cứu và số liệu trong khóa luận này hoàn toàn trung thực, được thực hiện độc lập bởi tôi và với sự hướng dẫn tận tình của TS Nguyễn Tiến Giang Những tài liệu tham khảo sử dụng trong khóa luận được trích dẫn đầy đủ và nêu

rõ tại mục Tài liệu tham khảo

TP Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2024

Sinh viên thực hiện

Đặng Quang Hưng

MỤC LỤC

TÓM TẮT KHÓA LUẬN i

LỜI CẢM ƠN x

LỜI CAM ĐOAN xi

MỤC LỤC xii

DANH MỤC BẢNG xiv

DANH MỤC HÌNH xv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xvi

MỞ ĐẦU xvii

CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu 1

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 1

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 1

1.2 Vật liệu lưu trữ nhiệt năng 4

1.3 Vật liệu chuyển pha 5

1.3.1 Giới thiệu 5

1.3.2 Phân loại PCM 6

1.3.3 Pyrogallol 7

1.4 Vật liệu xốp 7

1.5 Khả năng chuyển đổi quang/điện-nhiệt 9

1.5.1 Chuyển đổi quang-nhiệt 9

1.5.2 Chuyển đổi điện-nhiệt 10

1.6 Vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng SSPCM 11

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 12

2.1 Nguyên liệu, hóa chất, dụng cụ và thiết bị nguyên cứu 12

2.1.1 Nguyên liệu, hóa chất 12

2.1.2 Dụng cụ 12

2.1.3 Thiết bị nghiên cứu 12

2.1.4 Quy trình thực nghiệm 12

2.1.5 Quy trình kiểm tra độ bền vòng lặp của mẫu 80 wt% PYL/EG SSPCM 14

2.1.6 Quy trình kiểm tra độ rò rỉ mẫu PYL và PYL/EG SSPCM 14

2.2 Các phương pháp phân tích đánh giá 15

2.2.1 Kính hiển vi điện tử quét 15

2.2.2 Phương pháp quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier 15

2.2.3 Nhiễu xạ tia X 15

2.2.4 Phân tích nhiệt lượng quét vi sai 16

2.2.5 Phân tích nhiệt trọng lượng 16

2.2.6 Đánh giá khả năng chuyển đổi quang/điện-nhiệt 16

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 17

3.1 Phân tích hình thái cấu trúc 17

3.2 PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG TƯƠNG THÍCH HÓA HỌC 17

3.3 ĐẶC TÍNH NHIỆT CỦA VẬT LIỆU PYL/EG SSPCM 18

3.4 Đặc tính tinh thể của các mẫu SSPCM và PYL 21

3.5 ĐỘ BỀN NHIỆT CỦA VẬT LIỆU PYL/EG SSPCM 25

3.6 KHẢ NĂNG CHỐNG RÒ RỈ 26

3.7 ĐỘ BỀN VÒNG LẶP CỦA VẬT LIỆU PYL/EG SSPCM 27

3.8 KHẢ NĂNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG ÁNH SÁNG-NHIỆT 28

3.9 KHẢ NĂNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG ĐIỆN-NHIỆT 32

KẾT LUẬN 34

Tài liệu tham khảo 35

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Một vài nghiên cứu tổng hợp tổng hợp vật liệu chuyển pha trên nền vật liệu

xốp có nguồn gốc carbon với khả năng chuyển đổi quang-nhiệt 10

Bảng 1.2: Một vài nghiên cứu tổng hợp tổng hợp vật liệu chuyển pha trên nền vật liệu xốp có nguồn gốc carbon với khả năng chuyển đổi điện-nhiệt 11

Bảng 2.1: Thống kê các hóa chất được sử dụng 12

Bảng 2.2: Hàm lượng các chất trong mẫu 13

Bảng 3.1: Tính chất nhiệt của mẫu PYL và các mẫu SSPCM 21

Bảng 3.2: Tính chất nhiệt của mẫu PYL ban đầu, kết tinh lại và các mẫu SSPCM 23

Bảng 3.3: Kết quả hiệu suất chuyển đổi quang-nhiệt của các mẫu 32

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Chu trình lưu trữ năng lượng của hệ thống TES [16] 4

Hình 1.2: Phân loại PCM theo bản chất hóa học [30] 7

Hình 1.3: Phân loại và một vài ví dụ về vật liệu xốp [35] 8

Hình 1.4: Graphite và Expanded Graphite 9

Hình 2.1: Quy trình tổng hợp vật liệu PYL/EG SSPCM 13

Hình 2.2: Quy trình kiểm tra độ bền vòng lặp của mẫu 80 wt% PYL/EG/ SSPCM 14

Hình 2.3: Quy trình kiểm tra độ rò rỉ của PYL và SSPCM 15

Hình 3.1: Ảnh SEM của (a-b) Expanded graphite, (c) 60 wt% PYL/EG, (d) 70 wt% PYL/EG, (e) 80 wt% PYL/EG, (f) 90 wt% PYL/EG 17

Hình 3.2: Phổ FTIR của mẫu PYL và mẫu SSPCM PYL/EG 18

Hình 3.3: Đường cong DSC của PYL và mẫu SSPCM ở quá trình (a) nóng chảy và (b) kết tinh 20

Hình 3.4: Biểu đồ so sánh enthalpy lý thuyết và thực nghiệm của các mẫu SSPCM 20

Hình 3.5: Phổ XRD của mẫu PYL và PYL/EG SSPCM 22

Hình 3.6: Đường cong DSC của PYL ban đầu, kết tinh lại và mẫu SSPCM ở quá trình (a) nóng chảy và (b) kết tinh 23

Hình 3.7: Biểu đồ so sánh enthalpy lý thuyết và thực nghiệm của các mẫu SSPCM 24

Hình 3.8: Biểu đồ so sánh sự thay đổi nhiệt độ siêu lạnh của các mẫu 25

Hình 3.9: Đường cong TGA của mẫu PYL và SSPCM 26

Hình 3.10: Ảnh test rò rỉ của mẫu SSPCM 27

Hình 3.11: a) Đường cong DSC b) Phổ FTIR c) Phổ XRD của mẫu 80wt% PYL/EG SSPCM trước và sau 50 cycles 28

Hình 3.12: Kết quả đo UV-Vis 29

Hình 3.13: a) Mô tả thí nghiệm ánh sáng mặt trời; b) Đường cong nhiệt độ-thời gian của mẫu 80% PYL/EG và PYL khi đặt dưới ánh nắng mặt trời 29

Hình 3.14: a) Mô tả thí nghiệm đèn hồng ngoại b) Đường nhiệt độ-thời gian của thí nghiệm đèn halogen 30

Hình 3.15: a) Mô tả thí nghiệm chuyển đổi điện-nhiệt b) Đường nhiệt độ-thời gian của các hiệu điện thế khác nhau 33

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

material

Vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng

FT-IR Fourier − transform Infrared

Spectroscopy

Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

DSC Differential scanning calorimetry Phân tích nhiệt lượng quét vi sai

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Khủng hoảng năng lượng diễn ra gần đây đã gây nên vấn đề thiếu hụt năng lượng trầm trọng Do đó vấn đề về lưu trữ năng lượng đang là mục tiêu nghiên cứu hằng đầu trên thế giới, đặc biệt là nguồn năng lượng nhiệt Năng lượng nhiệt đóng vai trò quan trọng trong đời sống, do đó việc tìm ra cách để lưu trữ nguồn năng lượng này để sử dụng lâu dài là một điều cần thiết Một hướng đi mới trong việc lưu trữ năng lượng nhiệt gần đây chính là tận dụng các nguồn năng lượng giá rẻ, có sẵn như điện, quang chuyển đổi dưới dạng năng lượng nhiệt để lưu trữ phục vụ cho nhu cầu sử dụng khi cần thiết [1, 2] Để giải quyết vấn đề trên, hệ thống lưu trữ nhiệt ẩn (LHS) với sự trợ giúp của vật liệu chuyển đổi pha (PCM), có thể lưu trữ một lượng lớn năng lượng dưới dạng nhiệt ẩn [3] Các nghiên cứu cho ứng dụng hệ thống LHS phần nhiều ở khoảng nhiệt độ tầm thấp (<80 oC) Tương đối ít các nghiên cứu ứng dụng ở nhiệt độ trên 80 oC, đặc biệt là các ứng dụng cho năng lượng mặt trời và thu hồi nhiệt thải Do đó nhiều nghiên cứu gần đây đang hướng đến những mức nhiệt độ này Tuy nhiên vật liệu chuyển pha gặp phải một số vấn đề như duy trì tính ổn định hình dạng của vật liệu trong quá trình chuyển pha, độ dẫn nhiệt dẫn điện thấp, khả năng hấp thụ ánh sáng kém Để giải quyết các vấn

đề trên, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện bằng cách đưa PCM vào các vật liệu xốp

hỗ trợ để cố định hình dạng với mục đích ngăn cản sự rò rỉ của PCM trong quá trình chuyển pha cũng như cải thiện khả năng dẫn nhiệt, cung cấp cho vật liệu khả năng chuyển đổi quang – nhiệt, điện – nhiệt, từ đó giúp đa dạng hóa khả năng chuyển đổi, lưu trữ năng lượng [4, 5]

Nhằm nghiên cứu về tiềm năng phát triển của PCM ở mức nhiệt độ trung bình, bài luận văn sử dụng vật liệu chuyển pha dạng hữu cơ để nghiên cứu là Pyrogallol (PYL) với nhiệt độ chuyển pha khoảng 130 oC Kèm theo đó, expanded graphite (EG) – một loại vật liệu xốp rẻ tiền, thể tích lỗ xốp lớn, độ dẫn nhiệt dẫn điện cao, có khả năng hấp thụ ánh sáng được sử dụng để cố định PYL tạo ra vật liệu SSPCM với khả năng chuyển đổi quang/điện – nhiệt cũng như tính ổn định, giảm thiểu sử rò rỉ trong quá trình chuyển pha

2 Mục tiêu nghiên cứu

Tổng hợp vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng PYL/EG

Khảo sát tính chất của vật liệu SSPCM PYL/EG gồm: hình thái, cấu trúc, hành vi chuyển pha, khả năng lưu trữ nhiệt, độ ổn định nhiệt của vật liệu và khả năng chuyển đổi quang/điện – nhiệt

3 Đối tượng nghiên cứu:

Khóa luận này tập trung nghiên cứu về PYL, EG và vật liệu SSPCM PYL/EG

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tổng hợp vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng PYL/EG bằng phương pháp ngâm tẩm dung môi

Đánh giá độ bền của vật liệu bằng phương pháp vòng lặp nóng chảy – kết tinh

Phân tích và đánh giá vật liệu PYL tinh khiết, EG và SSPCM PYL/EG thu được bằng các phương pháp phân tích hiện đại như: kính hiển vi điện tử quét (SEM), nhiễu xạ tia

X (XRD), phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC), phân tích nhiệt trọng lượng (TGA), phân tích quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR)

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Kết quả của khóa luận là góp phần nghiên cứu chế tạo ra vật liệu chuyển pha ổn định PYL/EG có khả năng lưu trữ năng lượng cao, độ ổn định nhiệt tốt, phương pháp chế tạo đơn giản và chi phí thấp, có tiềm năng cho ứng dụng lưu trữ nhiệt

CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu

1.1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Năm 2023, TS Nguyễn Tiến Giang [6] giảng viên của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã cùng với các cộng sự nghiên cứu sử dụng Glutaric acid (GA) và expanded graphite (EG) điều chế thành công vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng (SSPCM) GA/EG EG với độ xốp cao có thể giam giữ hàm lượng GA lên tới 85%

mà không làm vật liệu bị rò rỉ, đồng thời duy trì độ kết tinh tuyệt vời của PCM do lực mao dẫn và sức căng bề mặt Kết quả cho thấy SSPCM có khả năng lưu trữ nhiệt tiềm

ẩn cao lên tới 167 J/g và độ kết tinh lên tới 96,8% Ngoài ra, SSPCM còn giúp ngăn chặn hiện tượng siêu lạnh của GA xuống dưới 5 oC, khiến chúng trở nên lý tưởng cho các ứng dụng thực tế do sự thay đổi về cả nhiệt độ nóng chảy và đông đặc SSPCM cũng cho thấy sự cải thiện rõ rệt về độ dẫn nhiệt và tốc độ nạp/thải nhiệt so với GA tinh khiết Cuối cùng, độ bền vòng lặp của SSPCM 85% GA/EG đã được nghiên cứu lên tới 300 vòng, khiến vật liệu trở thành ứng cử viên đầy triển vọng cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng nhiệt lâu dài ở nhiệt độ tầm trung

1.1.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Năm 2013, Shuping Wang cùng cộng sự [7] đã nghiên cứu phát triển vật liệu composite sebacic acid (SA)/expanded graphite (EG) cho lưu trữ năng lượng mặt trời ở nhiệt độ tầm trung Kết quả cho thấy tỷ lệ phần trăm khối lượng SA trong CPCM SA/EG tối đa lên tới 85% mà tại đó không xảy ra hiện tượng rò rỉ CPCM với 85wt% SA có nhiệt độ chuyển pha 128oC và nhiệt tiềm ẩn lên tới 187 J/g Bài nghiên cứu chỉ ra rằng việc thêm

SA vào EG giúp làm giảm hiện tượng siêu lạnh, cũng như tăng độ bền nhiệt và độ dẫn nhiệt khi so sánh với SA tinh khiết Với những tính chất nhiệt và khả năng ổn định của mình, CPCM SA/EG cho thấy sự tiềm năng cho việc ứng dụng vào hệ thống lưu trữ nhiệt tiềm ẩn

Năm 2014, Chang-Bo Wu cùng cộng sự [8] đã nghiên cứu chế tạo vật liệu chuyển pha bằng cách đưa Tris(hydroxymethyl)methyl aminomethane (Tris) vào SiO2 bằng phương pháp sol-gel Kết quả thu được vật liệu Tris@SiO2 với khả năng lưu trữ tốt, giúp ngăn chặn sự rò rỉ của Tris ra bên ngoài Việc sử dụng SiO2 làm vật liệu lưu trữ còn giúp tăng

gấp đôi độ dẫn nhiệt của CPCM lên 0,478 W/(m.K) so với Tris tinh khiết Kết quả DSC cho thấy vật liệu Tris@SiO2 có khoảng chuyển pha thuận nghịch từ 110-155 oC với khả năng lưu trữ nhiệt tiềm ẩn khoảng 146 J/g và thể hiện độ bền vòng lặp sau 70 chu kỳ nóng chảy/kết tinh Vật liệu cho thấy tiềm năng của chúng trong việc ứng dụng lưu trữ năng lượng nhiệt ở nhiệt độ trung bình

Năm 2018, Qi Zhang và cộng sự [9] đã nghiên cứu tổng hợp vật liệu chuyển pha Sebacic acid (SA) bằng cách bao bọc bằng ống carbon (CNTs) Kết quả nghiên cứu cho thấy vật liệu tổng hợp được có nhiệt độ nóng chảy lên tới 121.1 oC và nhiệt tiềm ẩn khoảng 131.8 J/g CPCM có thể duy trì độ ổn định sau 200 chu kỳ nóng chảy/kết tinh

mà không xảy ra hiện tượng rò rỉ Độ dẫn nhiệt của vật liệu tổng hợp được tăng gấp 27 lần so với SA tinh khiết Thêm vào đó, CPCM cho thấy hiệu suất quang nhiệt tuyệt vời dưới bức xạ của ánh sáng mặt trời mô phỏng, cho thấy tiềm năng của CPCM cho các ứng dụng năng lượng mặt trời

Năm 2021, Ha Soo Hwang cùng với các cộng sự [10] đã nghiên cứu và chế tạo vật liệu chuyển pha ổn định hình dạng CPCM từ azelaic acid/expanded graphite (AA/EG) cho lưu trữ năng lượng nhiệt ở nhiệt độ tầm trung Kết quả cho thấy vật liệu có nhiệt độ siêu lạnh thấp, khả năng lưu trữ nhiệt cao và khả năng giam giữ AA bên trong EG lên tới 85%wt mà không làm vật liệu bị rò rỉ AA với nhiệt độ nóng chảy 108oC và mức độ siêu lạnh 5,8oC Việc đưa AA vào EG làm cho nhiệt độ nóng chảy của vật liệu giảm xuống còn 105,8oC và độ siêu lạnh giảm xuống 1oC CPCM AA/EG có khả năng lưu trữ nhiệt cao với nhiệt tiềm ẩn 162,5 J/g Độ bền vòng lặp của CPCM được thử nghiệm qua 200 chu kỳ nóng chảy/kết tinh cho thấy độ bền nhiệt cao và độ ổn định hóa học của vật liệu Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng độ dẫn nhiệt của vật liệu CPCM tăng lên gấp 15,7 lần so với AA tinh khiết, cũng như khả năng lưu trữ/giải phóng năng lượng của vật liệu nhanh hơn lần lượt là 5 và 7,4 lần so với AA tinh khiết do ảnh hưởng của EG trong vật liệu Năm 2022, Yu Bai và các cộng sự [11] đã nghiên cứu tổng hợp vật liệu chuyển pha eutectic từ D-mannitol làm vật liệu chuyển pha và Kbr làm chất điều chỉnh nhiệt độ nóng chảy Expanded graphite (EG) được sử dụng làm vật liệu xốp hỗ trợ để tổng hợp vật liệu chuyển pha (CPCM) Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng CPCM 10wt% EG có nhiệt

độ chuyển pha khoảng 136.88 oC, enthalpy chuyển pha cao (215.7 J/g) cùng với khả năng chuyển đổi quang nhiệt lên tới 81.9% Ngoài ra, độ dẫn nhiệt của CPCM 10wt%

được ghi nhận lên tới 6.01 W/(m.K), cao gấp 10 lần so với D-mannitol tinh khiết Với những tính chất nhiệt tuyệt vời, CPCM là vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng và chuyển đổi quang nhiệt

Năm 2022, Feilong Shao và các công sự [12] đã nghiên cứu chế tạo CPCM bằng cách

sử dụng vật liệu carbon xốp từ sinh khối (PC) và vật liệu chuyển pha acid adipic (AA) Kết quả cho thấy hiệu suất chuyển đổi quang nhiệt của hỗn hợp PCM AA + 7wt% PC lên tới 93,83% Độ dẫn nhiệt của AA+7 wt% PC là 1,18 W/(m.K), cao hơn 149% so với

AA nguyên chất (0,45 W/(m.K)) CPCM có ưu điểm là không xảy ra hiện tượng siêu lạnh và nhiệt ẩn lên tới 195,05 J/g Kết quả của bài nghiên cứu giúp ứng dụng chế tạo

hệ thống hấp thụ năng lượng mặt trời từ các vật liệu giá thành rẻ, đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng nhiệt không bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết và thời gian

Năm 2022, Chao Ma cùng các cộng sự [13] đã nghiên cứu tăng cường khả năng dẫn nhiệt của vật liệu chuyển pha erythritol bằng cách phân tán vật liệu vào expanded graphite (EG) Kết quả cho thấy hỗn hợp PCM erythritol/EG với 2% EG có độ bền vòng lặp tốt nhất và cải thiện khả năng dẫn nhiệt một cách rõ rệt Bài nghiên cứu cũng chỉ ra rằng bằng cách thêm vào 1% calcium pimelate (CaPi) giúp làm giảm quá trình siêu lạnh của CPCM Hỗn hợp PCM 2%EG/1%CaPi/erythritol bắt đầu đông đặc ở 98,5°C và nhiệt độ cân bằng là khoảng 115°C trong suốt 100 chu kỳ Nhiệt ẩn của vật liệu là 352,66 J/g và độ dẫn nhiệt là 1,287 W/(m.K), cao hơn 52,5% so với erythritol tinh khiết Từ những kết quả nghiên cứu trên, vật liệu tổng hợp được trở thành ứng cử viên mới ứng dụng trong lĩnh vực thu hồi nhiệt thải, hấp thụ năng lượng mặt trời ở nhiệt độ tầm trung

và các lĩnh vực khác

Năm 2023, Huan Wang cùng với các cộng sự [14] nghiên cứu chế tạo vật liệu CPCM ứng dụng cho nhiệt độ tầm trung sử dụng d-mannitol (DM) làm vật liệu chuyển pha, polyethylene mật độ cao (HDPE) làm vật liệu hỗ trợ và expanded graphite (EG) làm vật liệu lưu trữ và cải thiện khả năng dẫn nhiệt.Kết quả cho thấy trong số các mẫu đã chuẩn

bị, CPCM3 (26,4 % HDPE + 61,6 % DM + 12 % EG) có độ dẫn nhiệt cao nhất; lên tới 2,66 W/(m.K), cao hơn 6,04 lần so với hỗn hợp HDPE/DM CPCM3 còn có các đặc tính thuận lợi khác như nhiệt độ nóng chảy khoảng 163,2 °C, nhiệt ẩn cao 224,1 J/g, nhiệt

độ siêu lạnh 37,4 °C và nhiệt độ phân hủy 411,3 °C Nghiên cứu có ý nghĩa giúp cung

cấp ý tưởng thiết kế cho vật liệu lưu trữ nhiệt ở nhiệt độ tầm trung ứng dụng cho các hệ thống lưu trữ nhiệt hiện đại trong tương lai

1.2 Vật liệu lưu trữ nhiệt năng

Lưu trữ nhiệt năng (Thermal Energy Storage (TES)) là hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt được thực hiện bằng cách thay đổi nhiệt độ lưu trữ nhiệt khi làm nóng hoặc làm lạnh hệ thống Điều này cho phép năng lượng được dự trữ nhằm phục vụ cho các mục đích khác nhau như sưởi ấm, làm mát, thu hồi nhiệt Việc sử dụng TES giúp bảo toàn năng lượng, khắc phục tình trạng mất cân bằng cung-cầu năng lượng, giảm chi phí đầu

tư và vận hành, từ đó làm tăng hiệu quả sự dụng năng lượng cũng như giảm thiểu khí thải CO2 và các chất gây ô nhiễm môi trường.[15]

Trong hệ thống TES, năng lượng trãi qua 3 bước để có thể lưu trữ và sử dụng sau này, 3 bước gồm: sạc, lưu trữ và thải nhiệt tạo thành một chu kì nhiệt được mô tả ở hình 1.1

Hình 1.1: Chu trình lưu trữ năng lượng của hệ thống TES [16]

Có thể phân loại hệ thống lưu trữ lượng nhiệt thành: lưu trữ nhiệt hiện, lưu trữ nhiệt ẩn

và lưu trữ nhiệt hóa học

Lưu trữ nhiệt hiện

Lưu trữ nhiệt hiện (Sensible Heat Storage – SHS) là quá trình lưu trữ nhiệt xảy ra khi thay đổi nhiệt độ của hệ nhưng không làm hệ chuyển pha Lượng nhiệt lưu trữ phụ thuộc vào khối lượng, nhiệt dung riêng và sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu lưu trữ [17] Các loại vật liệu thường được sử dụng trong hệ thống SHS có thể kể đến như: nước, dầu, ceramic, kim loại, [18] Ưu điểm đáng chú ý của hệ thống SHS chính là giá thành rẻ và vật liệu sử dụng không độc hại.[19] Tuy nhiên, một vài nhược điểm có thể kể đến của

hệ thống này là mật độ năng lượng thấp, sự thất thoát năng lượng ở bất kỳ nhiệt độ nào [15, 18]

Lưu trữ nhiệt tiềm ẩn

Lưu trữ nhiệt tiềm ẩn (Latent Heat Storage – LHS) là quá trình lưu trữ nhiệt xảy ra do quá trình chuyển pha của vật liệu ở một nhiệt độ nhất định[15] Lượng nhiệt lưu trữ phụ thuộc vào khối lượng và ẩn nhiệt quá trình chuyển pha của vật liệu [17] Quá trình chuyển pha thường là quá trình chuyển pha rắn-lỏng hoặc rắn-rắn Vật liệu được sử dụng cho hệ thống LHS là vật liệu chuyển pha (Phase Change Materials – PCM) Một số vật liệu chuyển pha có thể kể đến như nước, acid béo, paraffin, ester, muối hydrate [20] Một số ưu điểm có thể nhắc đến của LHS sử dụng là khả năng lưu trữ năng lượng cao, chi phí rẻ Nhưng một số nhược điểm mà LHS mắc phải như: độ dẫn nhiệt kém, độ ổn định, tính chống ăn mòn là những vấn đề cần giải quyết [18]

Lưu trữ nhiệt hóa học

Lưu trữ nhiệt hóa học (Thermochemical energy storage – TCES) xuất hiện thông qua các phản ứng hóa học thuận nghịch liên quan đến sự hấp phụ và giải phóng nhiệt để lưu trữ năng lượng [15] Khả năng lưu trữ năng lượng của TCES tốt hơn các phương pháp SHS và LHS, khả năng lưu trữ nhiệt lâu và độ thất thoát nhiệt thấp Tuy nhiên, hệ thống TCES gặp một số khó khăn trong việc ứng dụng như vật liệu lưu trữ nhiệt phù hợp nhằm giảm tối đa sự thất thoát nhiệt khi lưu trữ và khả năng giải phóng nhiệt dễ dàng khi cần thiết [18]

1.3 Vật liệu chuyển pha

1.3.1 Giới thiệu

Vật liệu chuyển pha (Phase change materials – PCM) là vật liệu lưu trữ và giải phóng năng lượng nhiệt dưới dạng nhiệt ẩn, ứng dụng cho hệ thống LHS Trong quá trình chuyển pha, PCM có thể lưu trữ và giải phóng lượng lớn năng lượng PCM mang lại ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt, hệ thống sưởi ấm

và làm mát, hệ thống tiện nghi nhiệt trong các tòa nhà [21] Một số điểm nổi bật của PCM là mật độ lưu trữ nhiệt cao, khả năng lưu trữ nhiệt lớn, chi phí rẻ độ ổn định hóa học tốt [22] Tuy nhiên, một số nhược điểm mà PCM mắc phải chính là khả năng dẫn

nhiệt dẫn điện thấp, bị ảnh hưởng bởi hiện tượng siêu lạnh , điều này làm giảm tốc độ lưu trữ và giải phóng năng lượng của vật liệu [23]

1.3.2 Phân loại PCM

Theo trạng thái chuyển pha

Dựa vào trạng thái chuyển pha có thể chia vật liệu chuyển pha gồm PCM rắn-rắn, PCM rắn-lỏng, PCM rắn-khí và PCM lỏng-khí Trong đó, vật liệu chuyển pha rắn-lỏng đang được ưu tiên sử dụng nhiều nhất do khả năng lưu trữ nhiệt ẩn cao, sự thay đổi thể tích trong quá trình chuyển pha thấp [24] Một số trở ngại mà PCM rắn-lỏng gặp phải khi ứng ứng dụng vào thực tế là khả năng bị rò rỉ, hiện tượng siêu lạnh và khả năng dẫn nhiệt kém, từ đó làm giảm tính ứng dụng của vật liệu vào thực tiễn [25]

Theo bản chất hóa học

Dựa vào bản chất hóa học có thể chia vật liệu chuyển pha thành ba nhóm chính: PCM

vô cơ, PCM hữu cơ, PCM Eutectic (Hình 1.2) Trong đó, PCM vô cơ có thể kể đến là nước, muối hydrate, muối molten, kim loại, ceramic với những ưu điểm như khả năng chống cháy, độ dẫn nhiệt cao PCM hữu cơ có thể được chia làm 2 nhóm: paraffin và non-paraffin, trong đó nhóm non-paraffin gồm các acid béo, các hợp chất cồn, nhóm ester Tính không ăn mòn, không độc hại, khả năng nóng chảy đồng đều, độ ổn định hóa học, và gần như không xảy ra hiện tượng siêu lạnh là những điểm cộng của PCM hữu cơ Vật liệu chuyển pha Eutetics là sự kết hợp của hai hay nhiều loại PCM hữu cơ hoặc vô cơ [22, 26, 27]

Theo nhiệt độ chuyển pha

Ngoài ra có thể phân loại vật liệu chuyển pha dựa theo nhiệt độ nóng chảy (Tm) của vật liệu, gồm ba loại: PCM nhiệt độ thấp (Tm < 80 oC) với một vài ứng dụng có thể kể đến như hệ thống làm mát, hệ thống điều hòa không khí, hệ thống sưởi ấm và làm mát cho tòa nhà PCM nhiệt độ trung bình (80 oC < Tm < 250 oC) được ứng dụng trong máy sưởi ấm không khí, bếp năng lượng mặt trời, hệ thống làm mát thiết bị điện Cuối cùng

là PCM nhiệt độ cao (Tm > 250 oC) với một vài ứng dụng như hệ thống hấp thụ năng lượng mặt trời, thu hồi nhiệt thải, hệ thống sản xuất nhiệt điện Việc phân loại PCM dựa vào nhiệt độ nóng chảy giúp đưa ra gợi ý phù hợp cho việc lựa chọn ứng dụng phù

hợp cho vật liệu Lưu trữ năng lượng nhiệt ở khoảng nhiệt độ 80 – 250 oC có hiệu năng kinh tế cao đặc biệt trong các lĩnh vực công nghiệp và tận dụng nhiệt thải [3, 28, 29]

Hình 1.2: Phân loại PCM theo bản chất hóa học [30]

1.3.3 Pyrogallol

Các nghiện cứu sử dụng vật liệu chuyển pha hữu cơ ở nhiệt độ trung bình hiện nay thường sử dụng nhóm vật liệu hữu cơ họ đường như d-mannitol, erythiol, glucose-D Tuy nhiên các vật liệu nhóm này mắc phải một nhược điểm đó là nhiệt độ siêu lạnh khá cao Qua quá trình tìm kiếm và tham khảo tài liệu, pyrogallol là vật liệu được chọn để nghiên cứu, khảo sát cho ứng dụng vật liệu chuyển pha ở nhiệt độ tầm trung Hiện nay vẫn chưa có nghiên cứu nào sử dụng pyrogallol làm vật liệu chuyển pha Pyrogallol là hợp chất phenol với 3 nhóm -OH gắn vào vòng benzene, có nhiệt độ nóng khoảng 130

oC với khả năng lưu trữ nhiệt khoảng 188 J/g [31] Bên cạnh đó, pyrogallol còn có tính

ổn định nhiệt cao, độ giãn nở thể tích thấp khi chuyển pha, không bị ăn mòn, nhiệt độ siêu lạnh khi chuyển pha không quá cao

1.4 Vật liệu xốp

Vật liệu xốp là vật liệu nhẹ, chứa nhiều lỗ rỗng Tuy nhiên không phải vật liệu nào chứa nhiều lỗ rỗng cũng được gọi là vật liệu xốp Vật liệu xốp phải có 2 đặc điểm cơ bản: đầu tiên là phải có nhiều lỗ rỗng, thứ hai là các lỗ rỗng phải thỏa mãn các chỉ số về hiệu suất của vật liệu [32] Vật liệu xốp đang được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi do những ứng

PCM

Hữu cơ

Nhóm paraffin Nhóm non- paraffin

Kim loại

Eutectic

dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực như hấp thụ, xúc tác, cảm biến, lưu trữ năng lượng

và nhiều lĩnh vực khác [33]

Một số loại vật liệu xốp có thể kể đến như: kim loại xốp, silica, khoáng xốp, đất sét, vật liệu xốp carbon, vật liệu xốp polymer Với các tính chất nổi bật như khả năng dẫn nhiệt cao, diện tích bề mặt lớn và thể tích lưu trữ lớn, vật liệu xốp là ứng viên tiềm năng cho việc lưu trữ PCM, có thể giúp khắc phục nhược điểm của PCM và giúp PCM tránh thất thoát trong quá trình chuyển pha [34]

Dựa trên danh pháp IUPAC thì vật liệu xốp được phân thành ba nhóm chính [32]:

- Vật liệu vi xốp (microporous): < 2nm

- Vật liệu trung xốp (mesoporous): 2 – 50 nm

- Vật liệu xốp vĩ mô (macroporous): > 50nm

Hình 1.3: Phân loại và một vài ví dụ về vật liệu xốp [35]

Expanded graphite nằm trong nhóm vật liệu xốp carbon, được tạo ra khi xử lý nhiệt graphite ở nhiệt độ cao EG với những tính chất như: mật độ thấp, thể tính lỗ rỗng lớn,

độ bền hóa học, độ bền nhiệt cao, khả năng dẫn nhiệt tuyệt vời, có diện tích bề mặt lớn, khả năng hấp phụ tốt, khả năng chống ăn mòn cao Từ những lý do này mà EG là vật liệu tiềm năng để giúp cải thiện các tính chất của PCM [36, 37]

Hình 1.4: Graphite và Expanded Graphite

1.5 Khả năng chuyển đổi quang/điện-nhiệt

1.5.1 Chuyển đổi quang-nhiệt

Bức xạ mặt trời được xem là một trong những nguồn năng lượng tự nhiên, miễn phí đầy tiềm năng trên trái đất Việc tận dụng ánh sáng mặt trời để lưu trữ, bảo quản chuyển đổi thành năng lượng nhiệt và sau đó giải phóng để sử dụng khi cần thiết đang là mục tiêu hướng đến nghiên cứu hiện nay [38] Một vài nhóm vật liệu có khả năng hỗ trợ chuyển đổi quang-nhiệt có thể kể đến là nhóm vật liệu có nguồn gốc carbon (CNTs, graphene, expanded graphite…), chất bán dẫn (titan oxide…), nano kim loại (vàng nano…) Trong

đó, nhóm vật liệu xốp có nguồn gốc carbon vừa có thể giúp tăng cường khả năng hấp thụ ánh sáng, vừa có khả năng lưu trữ vật liệu PCM giúp ngăn cản sự rò rỉ khi chuyển pha Do đó việc tổng hợp vật liệu PCM ổn định hình dạng trên nền vật liệu xốp có nguồn gốc carbon được sử dụng cho ứng dụng chuyển đổi quang- nhiệt [39] Một số nghiên cứu về việc tổng hợp vật liệu chuyển pha trên nền vật liệu xốp có nguồn gốc carbon với khả năng chuyển đổi quang-nhiệt được tổng hợp ở bảng 1.1

Bảng 1.1: Một vài nghiên cứu tổng hợp tổng hợp vật liệu chuyển pha trên nền vật liệu xốp có nguồn gốc carbon với khả năng chuyển đổi quang-nhiệt

Tham khảo

1.5.2 Chuyển đổi điện-nhiệt

Ở các thành phố lớn hiện nay thường xuyên xuất hiện hiện tượng mất điện vào giờ cao điểm do quá tải điện Để giải quyết sự mất cân bằng cung cầu năng lượng này, giải pháp được đưa ra là tìm cách lưu trữ, tận dụng nguồn năng lượng điện ở các thời gian ngoài giờ cao điểm để sử dụng sau Việc chuyển đổi năng lượng điện thành nhiệt bằng cách

sử dụng vật liệu chuyển pha cho thấy tiềm năng tuyệt vời cho việc giải quyết vấn đề trên Một vài vật liệu có thể giúp hỗ trợ cho việc chuyển đổi điện-nhiệt gồm kim loại và hợp kim của chúng, các vật liệu xốp có nguồn gốc từ carbon như CNTs, graphene, expanded graphite… Sự hỗ trợ của vật liệu xốp có nguồn gốc carbon với khả năng dẫn điện tốt cũng như ngăn cản sự rò rỉ khi chuyển pha của PCM Việc kết hợp chúng với các PCM tạo nên một số PCM ổn định hình dạng với khả năng chuyển đổi điện – nhiệt [39] Một số nghiên cứu về việc tổng hợp vật liệu chuyển pha trên nền vật liệu xốp có nguồn gốc carbon với khả năng chuyển đổi điện-nhiệt được tổng hợp ở bảng 1.2