nghiên cứu chế tạo vật liệu nanocomposite pt-au c 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. [...]... thu đư c là hạt nano Pt c kích thư c trung bình là 3,5nm…[14] Ngoài ra c n c c c bài báo c a nhóm t c giả Nguyễn Thị Phương Thoa, nhóm t c giả Nguyễn Mạnh Tuấn…[14] Tuy nhiên, cho đến hiện nay chưa c c ng trình nghiên c u nào trong nư c chế tạo vật liệu nanocomposite Pt-Au trên chất mang carbon làm c t c điện c c cho pin nhiên liệu Đây c ng là tính mới c a đề tài nghiên c u 19 PHẦN 2: TH C NGHIỆM... và khảo sát thành c ng c c tính chất c a vật liệu nanocomposite với c c bài báo như [14]: “Tổng hợp nanocomposite Pt /C XC72R ứng dụng c t c cho pin nhiên liệu methanol” Sản phẩm thu đư c là nanocomposite Pt /C dạng bột mịn đư c phân tích hoạt tính bằng giản đồ CV, kích thư c hạt trung bình c a hạt nano Pt là 3-4nm [14] Nghiên c u chế tạo và khảo sát c c tính chất đ c trưng c a vật liệu nano kim loại... mang x c t c Yêu c u chính c a chất mang c t c sử dụng cho pin nhiên liệu là: c diện tích bề mặt lớn, phân tán c t c trên bề mặt cao, c kích thư c l ốp hợp lý để tăng dòng truyền khối trong pin nhiên liệu, chất mang phải c tính ổn định cao trong quá trình hoạt động c a pin nhiên liệu Một vấn đề c n chú ý khi sử dụng chất c t c nano trong phản ứng là c c hạt kim loại c u hướng kết tụ lại và làm. .. tr c tiếp DMFC đư c xem là pin nhiên liệu xanh DMFC sử dụng methanol làm nhiên liệu, đây là nhiên liệu dạng lỏng, c 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 x c t c cho c c quá trình phản ứng xảy ra trên c c điện c c trong pin nhiên liệu [9] 7 Hình 1.2 Sơ đồ pin nhiên liệu. .. tính c t c Để tránh hiện tượng này ảy ra, c c hạt phải đư c phân tán trên c c vật liệu mao dẫn thích hợp hay c n gọi là lớp nền, lớp mang chất c t c [5] Hiện nay, người ta thường sử dụng vật liệu carbon và c c hợp chất c a nó làm chất mang c t c Bởi vì, độ bền c a chất mang c t c trong môi trường pin nhiên liệu là yếu tố rất quan trọng trong quá trình phát triển c c chất nền mới ứng dụng cho pin nhiên. .. hóa lý ứng dụng ĐH-KHTN) Điện c c Ag/AgCl 3M (Metrohm) (Phòng hóa lý ứng dụng ĐH-KHTN) 2 Nội dung nghiên c u Nghiên c u và chế tạo vật liệu nanocomposite Pt-Au/ C bằng phương pháp polyol với t c chất là acid chloroplatinic H2PtCl6 và axit chloroauric HAuCl4 trên chất mang carbon Vulcan XC72R; khảo sát c c yếu tố ảnh hưởng đến kích thư c hạt PtAu trên chất mang cacbon và ảnh hưởng c a tỷ lệ Pt-Au/ carbon... số nguyên tử, diện tích bề mặt c a vật liệu tăng Chính vì vậy c c hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất c a vật liệu c kích thư c nano kh c biệt so với vật liệu ở dạng khối u điểm vượt trội c a c c hạt c t c nano là hiệu ứng bề mặt gia tăng góp phần th c đẩy c c phản ứng điện hóa tại c c điện c c [4] Phản ứng điện hóa ảy ra trong c c điện c c của pin nhiên liệu đóng vai trò quan... hóa h c và hoạt hóa vật lý [5]  Hoạt hóa hóa h c Hiệu quả c a quá trình hoạt hóa hóa h c rất cao trong vi c thay đổi diện tích bề mặt, tăng độ phân tán c a c c hạt c t c trên bề mặt chất mang, làm giảm kích thư c hạt c t c, tăng hoạt tính c a c t c bằng c ch sử dụng c c hóa chất hoạt hóa làm thay đổi bề mặt c a chất mang carbon tạo thành c c nhóm ch c trên bề mặt carbon như c c nhóm carbo ylic, nhóm... nhóm lacton, nhóm ether Theo 14 nhiều nghiên c u thì độ phân tán c a c c hạt c t c trên bề mặt carbon tăng khi tăng c c nhóm ch c có chứa o y trên bề mặt chất mang Mặt kh c, c c nhóm ch c có chứa o y này đóng vai trò giữ chặt c c hạt c t c, giới hạn khả năng phát triển c a chúng dẫn đến c c hạt c t c có kích thư c nhỏ hơn bình thường Hơn nữa, quá trình hoạt hóa hóa h c cũng làm thay đổi diện tích bề... sản uất từ c c vật liệu c chi phí thấp cho nên graphene hứa hẹn là chất mang c t c trong pin nhiên liệu hoạt động ở nhiệt độ thấp [3] 16 3 C c phƣơng pháp chế tạo nanocomposite 3.1 Phƣơng pháp tạo mầm x c t c trên chất mang Phương pháp tạo mầm x c t c trên chất mang là phương pháp tổng hợp x c t c ho c tự c t c trong đó muối kim loại platin và muối kim loại vàng đư c khử tại một vị trí c thể trên .  c nghiên c u rng rãi, s dn c c x c t c cho quá trình oxy hóa trong pin nhiên liu.    Nghiên c u chế tạo vật liệu nanocomposite Pt-Au/ C ứng dụng làm x c t c. tin. S c mt c a Au s  nh và hot tính x c t c ca Pt. Sn phm nanocomposite Pt-  c ng dng làm x c t c cho pin nhiên liu vi m x c t c Pt ethylenglycol. Kho sát c c 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 x c t c cho pin nhiên liu. Nội dung nghiên c u