báo cáo phân tích cấu trúc màng ghép mạch bức xạ trong pin nhiên liệu dùng phương pháp tán xạ tia x góc nhỏ

Đề tài: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC MÀNG GHÉP MẠCH BỨC XẠ CỦA PIN NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÁN XẠ TIA X GÓC NHỎ CBHD: TS. Trần Duy Tập CBPB : TS. Trịnh Hoa Lăng SVTH : Phạm Minh Hiền TP. HỒ CHÍ MINH 7/2014 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC 1 2 PIN NHIÊN LIỆU VÀ NGUYÊN LÝ TÁN XẠ TIA X GÓC NHỎ 1 HÀM TƯƠNG QUAN MỘT CHIỀU CỦA CẤU TRÚC LAMELLAR 2 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CẤU TRÚC LAMELLAR 3 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4 NỘI DUNG 1.1. PIN NHIÊN LIỆU 1.2. VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÀNG DẪN PROTON 1.3. PHƯƠNG PHÁP GHÉP MẠCH BỨC XẠ 2.2. HÀM TƯƠNG QUAN MỘT CHIỀU CỦA CẤU TRÚC LAMELLAR 1.4. CẤU TRÚC LAMELLAR 1.5. NGUYÊN LÝ ĐO TÁN XẠ TIA X GÓC NHỎ 2.1. CÔNG THỨC TÍNH HÀM TƯƠNG QUAN MỘT CHIỀU VÀ INVARIANT Q 2.3. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC CẤU TRÚC LAMELLAR 3.1. SỰ THAY ĐỔI CẤU TRÚC LAMELLAR THEO QUY TRÌNH CHẾ TẠO MẪU 3.2. SỰ THAY ĐỔI CẤU TRÚC LAMELLAR THEO MỨC ĐỘ GHÉP MẠCH BỨC XẠ 3.3. CÁC VẤN ĐỀ VỀ NGOẠI SUY CẬN TÍNH TÍCH PHÂN 3 1 1.1. PIN NHIÊN LIỆU Anode: 2H 2  4H + + 4e - Cathode: O 2 + 4H + + 4e -  2H 2 O Tổng hợp: 2H 2 + O 2  2H 2 O + năng lượng (điện) VẤN ĐỀ TỒN TẠI  Độ bền cơ học còn thấp  Tính dẫn proton bị suy giảm khi nhiệt độ tăng MÀNG DẪN PROTON CHẤT THẢI NHIÊN LIỆU HYDROGEN DÒNG ĐIỆN OXYGEN ANODE CATHODE CÁC PHẢN ỨNG XẢY RA Ở CÁC ĐIỆN CỰC Tìm kiếm vật liệu mới chế tạo màng dẫn proton 4 1.2. VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÀNG DẪN PROTON ETFE- PEM VẬT LIỆU THƯƠNG MẠI • GIÁ THÀNH CAO • HOẠT ĐỘNG Ở NHIỆT ĐỘ GIỚI HẠN (< 80 0 C) • KHUẾCH TÁN NHIÊN LIỆU QUA MÀNG CAO • QUY TRÌNH TỔNG HỢP KHÓ KHĂN HẠN CHẾ CỦA NAFION VẬT LIỆU ĐANG NGHIÊN CỨU • GIÁ THÀNH RẺ • ỔN ĐỊNH Ở NHIỆT ĐỘ CAO, BỀN VỀ MẶT CƠ HỌC • MÀNG DỄ TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP MẠCH BỨC XẠ ƯU ĐIỂM CỦA ETFE-PEM NAFION 5 1.3. PHƯƠNG PHÁP GHÉP MẠCH BỨC XẠ ETFE GRAFTED-ETFE ETFE -PEM CHIẾU XẠ Tia  GỐC TỰ DO GHÉP MẠCH Styrene monomer LƯU HUỲNH HÓA Sulfonic acid (SO 3 - ) (2) (3) (1)  QUY TRÌNH ĐƠN GIẢN  CHI PHÍ RẺ  KIỂM SOÁT ĐƯỢC TÍCH CHẤT VÀ CẤU TRÚC CỦA MÀNG ƯU ĐIỂM PHƯƠNG PHÁP GHÉP MẠCH BỨC XẠ 6 1.4. CẤU TRÚC LAMELLAR CẤU TRÚC LAMELLAR • BIẾN ĐỔI THEO QUY TRÌNH CHẾ TẠO MẪU • BIẾN ĐỔI THEO MỨC ĐỘ GHÉP MẠCH BỨC XẠ Hàm tương quan một chiều Nhóm lamellar O 2 e - e - Anode Cathode H 2 H 2 O Màng dẫn proton H +  H +  H +  H +  e - e - W • TÍNH DẪN PROTON • TÍNH NGẬM NƯỚC • TÍNH BỀN VỀ NHIỆT, CƠ HỌC Ảnh hưởng của cấu trúc lamellar lên màng dẫn proton ETFE-PEM Lamellar vô định hình Lamellar tinh thể 7 2 d q     4 sinq     K in K in K out Tia X tới () ) Mẫu 2θ q = K out -K in Vector tán xạ A B C D d  BC sin AC   DC sin AC   2 sinBC CD d   Khi hiệu quang trình giữa tia tán xạ và tia tới bằng 1 lần bước sóng: 2 sinnd   n = 1,2,3,…  2: Góc tán xạ d: là khoảng cách Bragg hay còn gọi là khoảng cách tương quan giữa hai cấu trúc gây ra hiện tượng nhiễu xạ 0 2 in S k    2 out S k    Phương pháp tán xạ tia X góc nhỏ có thể nghiên cứu cấu trúc có kích thước từ 1 nm - 1m Lưu ý rằng: Phương pháp SAXS được thực hiện dựa trên tán xạ đàn hồi của tia X với điện tử 1.5. THỰC NGHIỆM ĐO TÁN XẠ TIA X GÓC NHỎ S, S 0 là các vector đơn vị Góc < 5 0 10 -2 10 -1 10 0 10 1 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 I(q) (cm -1 ) q (nm -1 ) 10 -1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 ETFE Graft-ETFE (59%) ETFE-PEM (59%) I(q) (cm -1 ) 1 10 1001000 (3) (1) (2) SPring-8 Cr Mo NIMS NIMS 8 NIMS, Cr NIMS, Mo Detector Buồng chứa mẫu Nguồn tia X SPring-8 Khay chứa mẫu Detector 2D MẪU q = k s -k i Chùm tia tới |k i | = 2π/λ 2θ Chùm tia tán xạ đàn hồi |k s | = |k i | λ Góc tán xạ 𝒒 = 𝟒𝝅𝒔𝒊𝒏𝜽 𝝀 (1) Phim ETFE ban đầu (2) Grafted-ETFE (3) ETFE-PEM 1.5. THỰC NGHIỆM ĐO TÁN XẠ TIA X GÓC NHỎ (2) GD = 59% Đỉnh lamellar Dãy giá trị q = 0,003 – 3,12 nm -1 Kích thước d = 2 – 1600 nm q = 0,003 – 0,242 nm -1 q = 0,07 – 3,13 nm -1   2 0 2 0 ( )cos( ) () q I q rq dq r q I q dq       9 2.1 CÔNG THỨC TÍNH HÀM TƯƠNG QUAN MỘT CHIỀU  Q được gọi là cường độ tán xạ tổng cộng  q: Giá trị vector tán xạ (nm -1 )  I(q): Cường độ tán xạ tuyệt đối (cm -1 )  r: Khoảng cách tương quan của phân bố mật độ điện tử trong không gian(nm) Q = 0 ∞ 𝑞 2 𝐼 𝑞 𝑑𝑞 ∶ 𝒊𝒏𝒗𝒂𝒓𝒊𝒂𝒏𝒕 10 2.3. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC CỦA CẤU TRÚC LAMELLAR L= L a + L c = L c0 + L a0 + 2L i L = 𝐋 𝐜 𝐌 L c0 L a0 L c L a  c  a Vô định hình Tinh thể  r Miền chuyển tiếp 𝐋 𝐜 𝐦 L i L i [...]... đổi cấu trúc lamellar  Kiểm soát cấu trúc lamellar trong màng dẫn proton qua bước ghép mạch • Cấu trúc lamellar biến đổi theo mức độ ghép mạch bức x : Pha cấu trúc mới xuất hiện (miền chuyển tiếp)  Lựa chọn một mức độ ghép mạch hợp lý (59%) để kiểm soát được cấu trúc của màng dẫn proton  Kết quả ngoại suy cận tính tích phân: - Thăng giáng mật độ điện tử cũng như việc ngoại suy giá trị cận trên không... Debye-Bueche Phương trình ngoại suy: 𝐈 𝐪 = 𝐀 𝟐 𝟏+𝐚 𝐜𝟐 𝐪 𝟐 , trong đó A, ac là hằng số Việc ngoại suy cận dưới là không phù hợp với mẫu đang nghiên cứu q : 0,0033,12 nm-1 16 KẾT LUẬN  L, Lc, La, Lc0, Li, Crystallinity hoàn toàn được x c định  Cấu trúc lamellar biến đổi theo quy trình chế tạo mẫu: Chỉ có quá trình ghép mạch bức x làm thay đổi cấu trúc lamellar  Kiểm soát cấu trúc lamellar trong màng dẫn... nghiêm trọng hàm  tức là đã làm thay đổi thông tin cấu trúc lamellar 17 KIẾN NGHỊ  Tính cấu trúc lamellar từ hàm phân bố mặt tiếp x c (Interfacial distribution function)  Khảo sát sự phân bố của lamellar, cấu trúc lamellar tạo thành từ các nhóm lamellar (lamellar stacks) và ảnh hưởng của cấu trúc này lên tính chất của màng  Ngoại suy cận dưới theo phương pháp Guinier và Gaussian Sau đó tiến đến lựa chọn... tinh thể Ltr 12 3.2 SỰ THAY ĐỔI CẤU TRÚC LAMELLAR THEO MỨC ĐỘ GHÉP MẠCH BỨC X (2) Giảm dần khi GD = 4,2-59% Gần như không thay đổi L Giảm đột ngột Tăng lên Lc La La PSSA: Polystyrene Sulfonic acid Một phần lamellar tinh thể bị phá hủy và biến thành lamellar vô định hình Lamellar tinh thể + PSSA Lamellar vô định hình + PSSA Lc 13 3.3 CÁC VẤN ĐỀ VỀ NGOẠI SUY CẬN TÍNH TÍCH PHÂN (a) Ngoại suy cận trên IB(q)...3.2 SỰ THAY ĐỔI CẤU TRÚC LAMELLAR THEO QUY TRÌNH CHẾ TẠO MẪU Ban đầu 11 3.2 SỰ THAY ĐỔI CẤU TRÚC LAMELLAR THEO MỨC ĐỘ GHÉP MẠCH BỨC X 1.5 GD = 4,2% 1 (r) 0.5 L 0 Lamellar vô định hình -0.5 Lc -1 0 10 20 30 40 50 La 60 r (nm) 1.5 GD = 59% Lamellar tinh thể (r) 1 0.5 0 -0.5... Ngoại suy cận trên IB(q) = Fl + bqn  Thực nghiệm 2  r   q 0 (PHƯƠNG PHÁP VONK) I ( q ) cos( rq ) dq q : 0,0033,12 nm-1  q 2 Inet(q) = I(q) - IB(q) I ( q )dq 0 • LOẠI TRỪ THĂNG GIÁNG MẬT ĐỘ ĐIỆN TỬ • NGOẠI SUY CẬN TRÊN Giá trị ngoại suy là q = 8 nm-1 IB(q) = 7.10-5.q4 + 0,7029 GD = 19% Ngoại suy cận trên không làm thay đổi cấu trúc lamellar 14 (b) Ngoại cận dưới  Ngoại cận tuyến tính Ngoại suy... pháp Guinier và Gaussian Sau đó tiến đến lựa chọn mô hình ngoại suy phù hợp và đánh giá sai số của việc làm khớp  Tính bề dày miền chuyển tiếp Li và bề dày lõi lamellar tinh thể Lc0 theo phương pháp khác (phương pháp suy biến Porod) và so sánh các kết quả này với kết quả thu được từ hàm  18 19 . Đề tài: PHÂN TÍCH CẤU TRÚC MÀNG GHÉP MẠCH BỨC X CỦA PIN NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÁN X TIA X GÓC NHỎ CBHD: TS. Trần Duy Tập CBPB : TS. Trịnh Hoa. trình ghép mạch bức x làm thay đổi cấu trúc lamellar  Kiểm soát cấu trúc lamellar trong màng dẫn proton qua bước ghép mạch. • Cấu trúc lamellar biến đổi theo mức độ ghép mạch bức x : Pha cấu trúc. CƠ HỌC • MÀNG DỄ TỔNG HỢP BẰNG PHƯƠNG PHÁP GHÉP MẠCH BỨC X ƯU ĐIỂM CỦA ETFE-PEM NAFION 5 1.3. PHƯƠNG PHÁP GHÉP MẠCH BỨC X ETFE GRAFTED-ETFE ETFE -PEM CHIẾU X Tia  GỐC TỰ DO GHÉP MẠCH Styrene