nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite pt-ứng dụng làm xúc tác cho pin nhiên liệu

LỜI CẢM ƠN u tiên chúng em xin gi li ci Hc Lc Hng, quý thy cô khoa Công Ngh Hóa  Thc Pht kin thc và tu kin cho chúng em hoàn tt khóa hc.  tài nghiên cc hoàn thành là nh vào s  ca B môn Hóa Lý, Khoa Hóa i Hc Khoa hc  T nhiên TP HCM, s ng dn tn tình ca PGS.TS Nguyn Th  ch o kp thi và tu kin trong sut quá trình thc hin, chúng em xin gi ng và thy cô li ct. Cn Cnh Minh Thng, anh Ngô Thanh Liêm, ch Quang Th Ngc Anh cùng các anh ch trong phòng thí nghi chia s i kin thc giúp chúng em hoàn thành t tài này. MỤC LỤC DANH MC T VIT TT DANH MC BNG BIU M U 1 PHN 1:TNG QUAN 3 PHN 1 3 1. Pin nhiên liu 3 1.1. Khái nim v pin nhiên liu 3 1.2. Cu to và nguyên lý hong ca pin nhiên liu 3 1.3. Phân loi pin nhiên liu 4 1.3.1. Pin nhiên liu acid phosphoric (Phosphoric acid fuel cell - PAFC) 5 1.3.2. Pin nhiên liu màng i proton (Proton Exchange Membrane Fuel Cell  PEMFC) 5 1.3.3. Pin nhiên liu carbonat nóng chy (Molten carbonate fuel cell - MCFC) 5 1.3.4.Pin nhiên liu oxide rn (Solid oxide fuel cell - SOFC) 6 1.3.5. Pin nhiên liu kim (Alkaline fuel cell - AFC) 6 1.3.6. Pin nhiên liu methanol trc tip (Direct methanol fuel cell - DMFC) 6 2. Vt liu nanocomposite 7 n cc 8 2.1.1. Xúc tác platinum 8 2.1.2. Xúc tác hp kim Pt-Au/C 10 m và các loi cht mang trong pin nhiên liu 11  11 2.2.2. Các loi cht mang 11 2.2.2.1. Carbon black 11 2.2.2.2. Carbon nanotube (CNT) 14 2.2.2.3. Graphene 15  to nanocomposite 16 o mm xúc tác trên cht mang 16 m 16  16 4. Tình hình nghiên cc 17 4.1. Tình hình nghiên cc 17 4.2. Tình hình nghiên cc 17 PHN 2: THC NGHIM 19 1. Nguyên liu dng c và thit b nghiên cu 19 1.1. Nguyên liu 19 1.2. Dng c và thit b nghiên cu 19 2. Ni dung nghiên cu 20 c nghim ch to nanocomposite Pt-Au/C 20 3.1 X lý b mt carbon Vulcan 20 u ch nanocomposite Pt-Au/C 21  22  vòng tun hoàn 22 4.1.1.Ch tn cc 23 4.1.2.Kho sát hon hóa 23 p nh TEM 27 u x tia X (XRD) 27 n tích b mt BET 28 PHN 3: KT QU VÀ THO LUN 29 1.Kt qu ch to các vt liu nanocomposite Pt-Au/carbon 29 2. Kho sát các yu t n quá trình ch to vt liu nanocomposite Pt- Au/C. 31 2.1. ng ca pH trong quá trình ch to 31 2.2.ng cng Pt-Au trên cht mang 34 2.3.ng ca t l vàng so vi platin trong vt liu nanocomposite Pt-Au/C . 36 3. Kt qu phân tích XRD 38 4. Kt qu TEM 40 4.1. Kt qu TEM  pH= 6,5 40 4.2. Kt qu TEM  pH= 11 42 5. Kt qu n tích b mt BET 43 PHN 4: KT LUN VÀ KIN NGH 46 1.Kt lun 46 2.Kin ngh 46 TÀI LIU THAM KHO DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Chrono ampe i (Chrono amperometry) CV     vòng tun hoàn (Cyclic voltammetry) DMFC Pin nhiên liu methanol trc tip PAFC Pin nhiên liu acid phosphoric MCFC Pin nhiên liu carbonat nóng chy AFC Pin nhiên liu kim PEM i proton CNT Carbonnanotube EG Ethylene glycol E f Th oxy hóa ci ng quét ti (V) E b Th oxy hóa cng quét v (V) i f n cng quét ti (mA) i b n cng quét v (mA) i pa M dòng c   ng quét ti tính theo din tích cc (mA/cm 2 ) i pc M  dòng c   ng quét v tính theo din tích n cc (mA/cm 2 ) i  M dòng cng quét ti tính theo khng n cc (mA/mgPt) i  M dòng cng quét v tính theo khng n cc (mA/mgPt) Pt-Au/C Nanocomposite platin và vàng trên cht mang carbon Pt-Au/C-25-11 Nanocomposite platin và vàng trên cht mang carbon Vulcan  c x lý bng HNO 3 5% trong 16h, vi t l Pt- u ch ng pH=11 TEM Kính hi  n t truyn qua (Transmission electron microscope) FC Pin nhiên liu (Fuel cell) XRD Nhiu x tia X (X-ray difaction) DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1.  mô t nguyên lý hong ca pin nhiên liu. Hình 1.2.  pin nhiên liu methanol trc tip. Hình 1.3. . Hình 1.4. Carbon black. Hình 1.5. p. Hình 1.6. Graphene - Vt lin cho buckyball, carbon nanotube và graphite. Hình 2.1. Quy trình x lý Carbon. Hình 2.2. composite Pt-Au/C. Hình 2.3. -Au/C. Hình 2.4. Máy Autolab PGSTAT 100N. Hình 2.5. H n hóa gn cc. Hình 2.6. n ci (CE). Hình 2.7. n cc glassy carbon (WE). Hình 2.8. n cc so sánh Ag/AgCl (RE). Hình 2.9. Máy TEM, JEM-. Hình 2.10. Máy nhiu xtiaX BRUKER XRD-D8 ADVANCE. Hình 2.11. . Hình 3.1. S i màu sc và sau phn ng. Hình 3.2. Sn phc sau phn ng. Hình 3.3. Gi  CV ca vt liu nanocomposite Pt- u ch trong môi ng pH khác nhau. Hình 3.4. Gi  CV ca vt liu nanocomposite Pt- u ch trong môi ng pH khác nhau. M dòng trên khng Pt-Au trên din cc (mA/mgPt-Au). Hình 3.5. Gi  CV ca vt liu nanocomposite Pt- u ch trong t l Pt:Au khác nhau. M dòng trên din cc (mA/cm 2 ). Hình 3.6. Gi  CV ca vt liu nanocomposite Pt- u ch trong t l Pt:Au khác nhau. M dòng trên Pt-Au trên din cc (mA/mgPt-Au). Hình 3.7. Gi  CV ca vt liu nanocomposite Pt- u ch trong môi ng pH khác nhau. M dòng trên din cc (mA/cm 2 ). Hình 3.8.       nanocomposite Pt-      -Au  (mA/mgPt-Au). Hình 3.9. -Au(1:1)/C-25-6,5. Hình 3.10. Gi XRD ca nanocomposite Pt-Au(3:1)/C-25-6,5. Hình 3.11. -Au(1:1)/C-25-11. Hình 3.12. Gi XRD ca nanocomposite Pt-Au(3:1)/C-25-11 Hình 3.13.  phân b c ht nano Pt- Au trong vt liu nanocomposite Pt-Au(1:1)/C-25-6,5. Hình 3.14.  phân b c ht nano Pt- Au trong vt liu nanocomposite Pt-Au(3:1)/C-25-6,5. Hình 3.15.  phân b c ht Pt-Au trong vt liu nanocomposite Pt-Au(1:1)/C-25-11. Hình 3.16.  phân b c ht Pt-Au trong vt liu nanocomposite Pt-Au(3:1)/C-25-11. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bng 2.1: Các hóa cht s d tài.    Pt-Au     Vulcan XC-  khác nhau. Bng 3.2: So sánh hot tính xúc tác ca vt liu nanocomposite Pt-c tng hng pH khác nhau. Bng 3.3: So sánh hot tính xúc tác ca vt liu nanocomposite Pt-Au/C vi hàm ng Pt/Au khác nhau. Bng 3.4: So sánh hot tính xúc tác ca vt liu nanocomposite Pt-Au/C vi t l ng pH khác nhau. 1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài u kin kinh t xã hi ngày càng phát trin, nhu ci si ng là yu t không th thii sng sinh hon xut ci. Theo thng kê ca B ng M, , các ngu ng tái t   t tr ng sinh hc chim khong h ng hóa thch không tái to chim 86% tng s ngun cung cng ca th gii   y, hu ht ngu  ng trên th gi u xut phát t ngu  ng hóa thch. Tuy nhiên liu hóa th     ng trong cuc s     ng.  na, ngun nhiên liu hóa thch s dn cn kit theo thng tái to dn dc nghiên cu. Mt trong nhng ngung tái to có hiu sut cao và thân thin vng là pin nhiên liu. Pin nhiên liu c  n các ch   n cc cho phn ng xy ra ng nhu c dng. S phát trin mnh m ca công ngh nano trong nhn ving s dng các vt liu mi c nano hp kim (Pt-kim loi khác) trên các cht mang c nghiên cu rng rãi, s dn cc xúc tác cho quá trình oxy hóa trong pin nhiên liu.   Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite Pt-Au/C ứng dụng làm xúc tác cho pin nhiên liệuc ch tài nghiên cu. Cơ sở khoa học của đề tài  c ti tng hp vt liu nanocomposite. Kho sát các tính cht lý-ng ng dng làm xúc tác n cc cho pin nhiên liu. Xúc tác Pt/C sau mt thi gian hong s b gim ho nh. Nhng ho nh, vt liu Pt-c ch to và ng dn cc cho pin nhiên liu. 2 Mục tiêu của đề tài Nghiên cu quy trình tng hp vt liu nanocomposite Pt-Au/C bng  pháp polyol ng ethylenglycol. Kho sát các yu t ng ti kích c ht nano Pt-Au to thành và kh a nanocomposite Pt-Au/C. Nhm ng dng làm xúc tác cho pin nhiên liu. Nội dung nghiên cứu Tng hp nanocomposite Pt-Au/C vc va là cht kh va ng phân b. Kho sát s ng ca pH (pH= 6,5; 11,0; 11,5) n c ht nano Pt-Au. Kho sát s ng ca t l Pt:Au (bao gm 3 t l Pt:Au là 3:1; 2:1; 1:1) n kh a nanocomposite và kho sát kh    a nanocomposite Pt-  ng ng dng xúc tác cho pin nhiên liu. t ca vt lic s dng: XRD, TEM, BET, quét th vòng tuc tin hành nhm hoàn thành các ni dung nghiên cu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Vic ch to thành công vt liu nanocomposite Pt-Au/C nht  nh ca xúc tác Pt còn khá mi  tài nghiên c hc và thc tin. S có mt ca Au s  nh và hot tính xúc tác ca Pt. Sn phm nanocomposite Pt- c ng dng làm xúc tác cho pin nhiên liu vi m xúc tác Pt. Kt qu c tài nghiên c khoa hc cho nhng nghiên cu tip theo vic ch to nanocomposite khác bng  polyol. [...]... 1.3.6 Pin nhiên liệu methanol trực tiếp (Direct methanol fuel cell DMFC) Pin nhiên liệu methanol trực tiếp DMFC được xem là pin nhiên liệu xanh DMFC sử dụng methanol làm nhiên liệu, đây là nhiên liệu dạng lỏng, có thể dễ dàng vận chuyển và lưu trữ [9] DMFC sử dụng màng polymer trao đổi proton (Nafion) làm chất điện giải, cathode và anode sử dụng vật liệu nanocomposite Pt-Au/C để làm xúc tác cho các... nhóm tác giả Nguyễn Thị Phương Thoa, nhóm tác giả Nguyễn Mạnh Tuấn…[14] Tuy nhiên, cho đến hiện nay chưa có công trình nghiên cứu nào trong nước chế tạo vật liệu nanocomposite Pt-Au trên chất mang carbon làm úc tác điện cực cho pin nhiên liệu Đây cũng là tính mới của đề tài nghiên cứu 19 PHẦN 2: THỰC NGHIỆM 1 Nguyên liệu dụng cụ và thiết bị nghiên cứu 1.1 Nguyên liệu Bảng 2.1: Các hóa chất sử dụng. .. anode của pin nhiên liệu để tạo thành nước Sản phẩm tạo ra của pin còn có thể có CO2, nhưng lượng CO2 do pin nhiên liệu tạo ra ít hơn nhiều so với động cơ đốt trong thông thường [2] Lượng điện thu được từ pin nhiên liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loại pin nhiên liệu, kích cỡ pin, nhiệt độ hoạt động, áp suất không khí được cung cấp vào pin, … Tùy theo từng loại pin nhiên liệu mà điện áp của pin sẽ... khí ít gây ô nhiễm môi trường Tương tự như acquy, pin nhiên liệu cũng là một thiết bị tạo ra dòng điện thông qua cơ chế phản ứng điện hóa Tuy nhiên, pin nhiên liệu có thể tạo ra dòng điện liên tục khi cung cấp đầy đủ nhiên liệu cho nó mà không cần phải nạp điện lại như acquy [5] 1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu Một pin nhiên liệu đơn giản gồm có hai điện cực là anode và cathode... độ dẫn điện cao và đặc biệt là có thể sản uất từ các vật liệu có chi phí thấp cho nên graphene hứa hẹn là chất mang úc tác trong pin nhiên liệu hoạt động ở nhiệt độ thấp [3] 16 3 Các phƣơng pháp chế tạo nanocomposite 3.1 Phƣơng pháp tạo mầm xúc tác trên chất mang Phương pháp tạo mầm xúc tác trên chất mang là phương pháp tổng hợp xúc tác hoặc tự úc tác trong đó muối kim loại platin và muối kim loại vàng... nay, người ta thường sử dụng vật liệu carbon và các hợp chất của nó làm chất mang úc tác Bởi vì, độ bền của chất mang úc tác trong môi trường pin nhiên liệu là yếu tố rất quan trọng trong quá trình phát triển các chất nền mới ứng dụng cho pin nhiên liệu Hơn nữa ngoài diện tích bề mặt lớn, kích thước l ốp và độ dẫn điện, việc chống ăn mòn trong môi trường làm việc của pin nhiên liệu cũng là một yếu tố... pin nhiên liệu [9] 7 Hình 1.2 Sơ đồ pin nhiên liệu methanol trực tiếp [5] Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực: Phản ứng trên anode: CH 3OH  H 2 O  CO2  6H   6e  Phản ứng trên cathode: 3 O2  6 H   6e   3H 2 O 2 2 Vật liệu nanocomposite Vật liệu composite là vật liệu được tạo thành ít nhất từ hai loại vật liệu ban đầu có bản chất khác nhau thường được gọi là matri (nền) và vật liệu. .. hóa tạo dạng Au_OHads đóng vai trò úc tác cho quá trình o y hóa CO hấp phụ thành CO2 Nhờ vậy, lượng CO bao phủ lên trên úc tác Pt sẽ giảm uống và các tâm úc tác cho phản ứng o y hóa H2 sẽ tăng lên [10] 2.2 Đặc điểm và các loại chất mang trong pin nhiên liệu 2.2.1 Đặc điểm của chất mang xúc tác Yêu cầu chính của chất mang úc tác sử dụng cho pin nhiên liệu là: có diện tích bề mặt lớn, phân tán úc tác. .. thành công các tính chất của vật liệu nanocomposite với các bài báo như [14]: “Tổng hợp nanocomposite Pt/C XC72R ứng dụng úc tác cho pin nhiên liệu methanol” Sản phẩm thu được là nanocomposite Pt/C dạng bột mịn được phân tích hoạt tính bằng giản đồ CV, kích thước hạt trung bình của hạt nano Pt là 3-4nm [14] Nghiên cứu chế tạo và khảo sát các tính chất đặc trưng của vật liệu nano kim loại platin” Sản... từ 0,3 đến 0,9V [2] 1.3 Phân loại pin nhiên liệu Hiện nay, có rất nhiều kiểu pin nhiên liệu, sự khác nhau của chúng chủ yếu là ở chất điện giải, loại nhiên liệu mà chúng sử dụng, nhiệt độ vận hành của chúng,… Tuy nhiên, người ta thường dựa vào chất điện giải để phân loại cho chúng Theo cách phân loại này, pin nhiên liệu hiện nay có các loại sau [11]: 5 1.3.1 Pin nhiên liệu acid phosphoric (Phosphoric . c nghiên cu rng rãi, s dn cc xúc tác cho quá trình oxy hóa trong pin nhiên liu.    Nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite Pt-Au/C ứng dụng làm xúc tác. tính xúc tác ca Pt. Sn phm nanocomposite Pt- c ng dng làm xúc tác cho pin nhiên liu vi m xúc tác Pt. Kt qu c tài nghiên c khoa hc cho. nano Pt-Au to thành và kh a nanocomposite Pt-Au/C. Nhm ng dng làm xúc tác cho pin nhiên liu. Nội dung nghiên cứu Tng hp nanocomposite Pt-Au/C vc