Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano composite fe2o3 c ứng dụng làm điện cực âm cho pin fe khí

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phùng Thị Sơn NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO COMPOSITE Fe2O3/C ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC ÂM CHO PIN Fe/KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phùng Thị Sơn NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO COMPOSITE Fe2O3/C ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC ÂM CHO PIN Fe/KHÍ Chuyên ngành: Vật Lí nhiệt Mã số (Chương trình đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: HDC: TS BÙI THỊ HẰNG HDP: GS TS LƯU TUẤN TÀI Hà Nội – 2015 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô giáo Bùi Thị Hằng, viện ITIMS, Đại học Bách Khoa Hà Nội thầy giáo Lưu Tuấn Tài, Đại học Khoa học Tự nhiên, người tận tình hướng dẫn đề tài luận văn, người động viên, tạo điều kiện giúp đỡ để em hoàn thiện luận văn tốt nghiệp Thầy cô hướng dẫn em nghiên cứu đề tài luận văn thiết thực có nhiều ứng dụng sống khoa học Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn Vật Lí Nhiệt độ thấp, thầy cô giáo khoa Vật Lí – trường Đại học Khoa học Tự nhiên thầy cô giáo viện ITIMS, Đại học Bách khoa Hà Nội giảng dạy giúp đỡ em suốt trình học tập hoàn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn đến Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) Nghiên cứu luận văn tài trợ Quỹ đề tài mã số 103.02-2014.20, Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình bạn bè, người bên em, cổ vũ động viên tinh thần em lúc khó khăn để em vượt qua hoàn thành tốt luận văn Hà Nội, ngày 24 tháng 11 năm 2015 Học viên: Phùng Thị Sơn MỞ ĐẦU Năng lượng điện đóng vai trò quan trọng đời sống Tuy nhiên lượng điện không tích trữ Trong pin hợp chất hóa học hoạt động phương tiện lưu trữ lượng Các thiết bị di động ngày phát triển nhanh, mạnh số lượng, tính cấu hình đòi hỏi không ngừng việc cải tiến, nâng cao chất lượng loại pin sạc có Trong đó, công nghệ pin nhiều hạn chế, thách thức so với yêu cầu thiết bị Các nhà khoa học nhiều năm để nghiên cứu cố gắng tạo loại pin có khả lưu trữ lượng cao, thời gian sạc ngắn đạt kết định Nhu cầu pin hiệu suất cao, an toàn, mật độ lượng lượng riêng cao, chi phí thấp, thân thiện với môi trường cho thiết bị điện tử, xe điện ứng dụng lưu trữ lượng ngày cao Những năm gần đây, nhà khoa học giới phát triển hệ pin pin kim loại - khí với hoạt tính xúc tác cao hơn, bền hơn, chi phí thấp loại pin sử dụng rộng rãi Loại pin xem có tiềm ứng dụng loại xe điện, xe hybrid điện… chúng có mật độ lượng cao oxy không khí sử dụng vật liệu điện cực dương pin [4, 34, 43] Theo Giáo sư Hongjie Dai Đại học Stanford – Mỹ trích dẫn tài liệu tham khảo: ―Hầu hết ý giới tập trung vào pin lithium-ion mật độ lượng (lưu trữ lượng cho đơn vị thể tích) hạn chế, chi phí cao mức độ an toàn thấp Đối với pin kim loại - khí mật độ lượng lý thuyết cao so với pin lithium - ion hay pin Ni - MH, nguồn cung cấp nguyên liệu phong phú, chi phí thấp an toàn chất không cháy chất điện phân‖ Bảng 1.1 thể số liệu so sánh công nghệ số pin sạc lại, pin kim loại - khí cho thấy lượng lý thuyết lượng riêng mật độ lượng lớn [28] Bảng 1.1 Số liệu so sánh công nghệ số pin sạc lại Công nghệ Thế Dung Năng Thời Tự phóng mạch lượng lượng gian (%/tháng) hở (V) riêng lý riêng lý sạc 200C thuyếta thuyếta (h) (Ah/kg) (Wh/kg) Lead – acid 2.1 120 252 – 24 Nickel – cadmium 1.35 181 244 – 16 10 Nickel – iron 1.4 224 314 25 Nickel – hydrogen 1.5 289 434 - 24 60 Nickel – metal hydride 1.35 178 240 1–2 30 Nickel – zinc 1.73 215 327 15 Zinc/silver oxide 1.85 283 524 – 18 Zinc/bromine 1.83 238 429 - 12 – 15 Polysulfide/bromine 1.5 27 41 – 12 – 10 Vanadium – redox 1.4 21 29 –10 – 10 Zinc/air 1.6 825b 1320 - - Aluminum/air 2.73 2980b 8135 - - Iron/air 1.3 960b 1250 - 15 Sodium/sulfur 2.08 375 755 5–6 - Sodium/nickel chloride 2.58 305 787 3–6 - Li – Al/FeS 1.33 345 459 5–8 - Li – Al/FeS2 1.73 285 490 5–8 - Li – C/LiCoO2 3–4 100 360 - - Li – C/LiNi1-xCoxO2 3–4 - - 2.5 < 3.5 Li – C/LiMn2O4 – 3–4 105 400 < 2.5 polymer elect a Tính toán sở phản ứng điện hóa khối lượng vật liệu hoạt động điện cực b Tính toán sở vật liệu điện cực âm KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu, luận văn đạt số kết sau: Chế tạo thành công mẫu composit nm-Fe2O3, µm-Fe2O3, nm-Fe2O3/AB µm-Fe2O3/AB phương pháp nghiền học ứng dụng làm điện cực âm pin Fe - khí Đo đạc khảo sát tính chất vật lý điện hóa hệ mẫu AB, nmFe2O3; µm-Fe2O3 nm-Fe2O3/AB; µm-Fe2O3/AB Khảo sát ảnh hưởng chất phụ gia AB lên tính chất điện hóa điện cực nm-Fe2O3 µm-Fe2O3 Kết việc đưa AB vào làm chất phụ gia điện cực giúp làm tăng khả chu trình hóa điện cực Khảo sát ảnh hưởng chất phụ gia K2S dung dịch điện ly đến tính chất điện hóa điện cực nm-Fe2O3 µm-Fe2O3 Đối với điện cực nm-Fe2O3, có mặt K2S dung dịch điện ly làm tăng tốc độ phản ứng cặp oxy hóa khử Fe/Fe(II) với mẫu µm-Fe2O3 không tạo ảnh hưởng tích cực mặt hoạt động điện hóa điện cực µm-Fe2O3 Khảo sát ảnh hưởng chất phụ gia K2S dung dịch điện ly đến tính chất điện hóa điện cực nm-Fe2O3/AB µm-Fe2O3/AB Kết cho thấy chất phụ gia K2S dung dịch điện ly làm tăng khả chu trình hóa điện cực nm-Fe2O3/AB giảm lượng hydro sinh không tạo ảnh hưởng tích cực khả chu trình hóa điện cực µm-Fe2O3/AB Đo đạc khảo sát phổ tổng trở hệ mẫu nm-Fe2O3; µm-Fe2O3 nm-Fe2O3/AB; µm-Fe2O3/AB Các mẫu có điện trở tăng lên sau trình phóng nạp Mẫu µm-Fe2O3 µm-Fe2O3/AB có điện trở lớn mẫu nm-Fe2O3 nmFe2O3/AB tương ứng trước sau phóng nạp TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: Trương Ngọc Liên (2000), Điện hóa lý thuyết, NXB Khoa học kỹ thuật Tiếng Anh: Appleby J S., Jacquier M (1976/77), ―Circulating Zinc/Air Battery‖, J Power Sources, 1, tr 17-34 Binder L., Odar W (1984), “Experimental survey of rechargeable alkaline zinc electrodes‖, J Power Sources, 13, tr 9-21 Blurtin K F., Sammells A F (1979), ―Metal/air batteries: Their status and potential - a review‖, J Power Sources, 4, tr 263-279 Cerny J., Micka K (1989), ―Voltammetric study of an iron electrode in alkaline electrolytes‖, J Power Sources, 25, tr 111-122 Chakkaravarthy C., Periasamy P., Jegannathan S., Vasu K I (1991), ―The nickel/iron battery‖, J Power Sources, 35, tr 21-35 Chakkaravarthy C., Udupa H V K (1983), ―On the suppression of self discharge of the zinc electrodes of zinc-air cells and other related battery systems‖, J Power Sources, 10, tr 197 – 200 Chakkaravarthy C., Waheed A K A., Udupa H V K (1981), ―Zinc-air alkaline batteries - A review‖, J Power Sources, 6, tr 203-228 Chu D., Savinel R (1991), ―Experimental data on aluminum dissolution in KOH electrolytes‖, Electrochim Acta, 36, tr 1631-1638 10 Deiss E., Holzer F., Haas O (2002), “Modeling of an electrically rechargeable alkaline Zn-air battery‖, Electrochimica Acta, 47, tr 39954010 11 Dewi E L., Oyaizu K., Nishide H., E Tsuchida E (2003), ―Cationic polysulfonium membrane as separator in zinc-air cell‖, J Power Sources, 115, tr 149-152 12 Doche M L., Cattin F N., Durand R., Rameau J J (1997), ―Characterization of different grades of aluminum anodes for aluminum/air batteries‖, J Power Sources, 65, tr 197-205 13 Goldstein J., Brown I., Koretz B (1999), ―New developments in the Electric Fuel Ltd zinc air system‖, J Power Sources, 80, tr 171-179 14 Hampson N A., Latham R J., Marshall A., Giles R D (1974), ―Some aspects of the electrochemical behaviour of the iron electrode in alkaline solutions‖, Electrochim Acta, 19, tr 397-401 15 Bui Thi Hang, Doan Ha Thang, Eiji Kobayashi (2013), ―Fe/carbon nanofiber composite materials for Fe–air battery anodes‖, J Electroanalytical Chemistry, 704, tr 145–152 16 Bui Thi Hang, Doan Ha Thang, Nguyen Tuyet Nga, Phan Thi Le Minh, Eiji Kobayashi (2013), ―Nanoparticle Fe2O3-Loaded Carbon Nanofibers as IronAir Battery Anodes‖, J Electrochemical Society, 160 (9), tr A1442-A1445 17 Bui Thi Hang, Phan Thi Le Minh, Nguyen Tuyet Nga, Doan Ha Thang (2014), “Effect of iron particle size on the electrochemical properties of Fe/C electrodes in alkaline solution‖, Tạp chí Khoa học Công nghệ, 52 (3C), tr 670-675 18 Jayalakshimi N., Muralidharan S., (1990), ― Developmental studies on porous iron electrodes for the nickel-iron cell‖, J Power Sources, 32, tr 341-351 19 Jayalakshmi M., Begumi B N., Chidambaram V R., Sabapathi R., Muralidharan V S (1992), “Role of activation on the performance of the iron negative electrode in nickel/iron cells‖, J Power Sources, 39, tr 113119 20 Kalaignan G P., Muralidharan V S., Vasu K I (1987), ―Triangular potential sweep voltammetric study of porous iron electrodes in alkali solutions‖ ,J Appl Electrochem., 17, tr 1083-1092 21 Kannan A R S., Muralidharan S., Sarangapani K B., Balaramachandran V., Kapali V (1995), J Power Sources, 57, tr 93-98 22 Kapali V., Iyer S V., Balaramachandran V., Sarangapani K B., Ganesan M., Kulandainathan M A., Mideen A S (1992), J Power Sources, 39, tr 263269 23 Lars Ojefors (1974), ―Self-discharge of the alkaline iron electrode‖, Electrochim Acta, 21, tr 263-266 24 Lars Ojefors (1976), ―Slow Potentiodynamic Studies of Porous Alkaline Iron Electrodes‖, J Electrochem Soc., 123, tr 824-828 25 Lars Ojefors (1976), ―Temperature Dependence of Iron and Cadmium Alkaline Electrodes‖, J Electrochem Soc., 123, tr 1139-1144 26 Lars Ojefors (1976), ―SEM Studies of Discharge Products from Alkaline Iron Electrodes‖, J Electrochem Soc., 123, tr 1691-1696 27 Li Q., Bjerrum N J (2002), ―Aluminum as anode for energy storage and conversion: a review‖, J Power Sources, 110, tr 1–10 28 Linden D., Reddy T B (2002), ―Iron electrode batteries‖, Handbook of batteries, 3rd ed., McGraw-Hill, New York, tr 251-253 29 Macdonald D D., Owen D (1973), ―The Electrochemistry of Iron in lM Lithium Hydroxide Solution at 22° and 200°C‖, J Electrochem Soc., 120, tr 317-324 30 Marshall A., Hampson N A., Drury J S (1975), ―The discharge behaviour of the zinc/air slurry cell‖, J Electroanal Chem., 59,tr 33-40 31 Micka K., Zabransky Z (1987), ―Study of iron oxide electrodes in an alkaline electrolyte‖, ―Study of iron oxide electrodes in an alkaline electrolyte‖, J Power Sources, 19, tr 315-323 32 Mukherjee A., Basumallick I N (1993), ―Metallized graphite as an improved cathode material for aluminium/air batteries‖, J Power Sources, 45, tr 243246 33 Muller S., Holzer F., Haas O (1998), ―Optimized zinc electrode for the rechargeable zinc–air battery‖, J Appl Electrochem., 28, tr 895-898 34 Ojefors L.; Carlsson L (1977/1978), ―An iron - air vehicle battery‖, J Power Sources, 2, tr 287-296 35 Patnaik R.S.M., Ganesh S., Ashok G., Ganesan M., Kapali V (1994), ―Heat management in aluminium/air batteries: sources of heat‖, J Power Sources, 50, tr 331-342 36 Rand D A J (1979), ―Battery systems for electric vehicles — a state-of-theart review‖, J Power Sources, 4, tr 101-143 37 Rudd E.J., Gibbons D.W (1994), ―High Energy Density aluminum/oxygen cell‖, J Power Sources, 47, tr 329-340 38 Schrebler-Guzman R S., Viche J R., Arvia A J (1979), Electrochim Acta, 24, tr 395-403 39 Shukla A K., Ravikumar M K., Baasubramanian T S (1994), ―Nickel iron batteries‖, J Power Sources, 51, tr 29-36 40 Souza C A C., Carlos I A., Lopes M C., Finazzi G A., M R H de Almeida (2004), ―Self-discharge of Fe-Ni alkaline batteries‖, J Power Sources, 132, tr.288-290 41 Striebel K A., McLamon F R., Cairns E J (1994), ―Laboratory-scale evaluation of secondary alkaline zinc batteries for electric vehicles‖, J Power Sources, 47, tr 1-11 42 Tang Y., Lu L., Roesky H W., Wang L., Huanga B (2004), ―The effect of zinc on the aluminum-air battery‖,J Power Sources, 138, tr 313-318 43 Vijayamohanan K., Balasubramanian T S., Shukla A K (1991), “Rechargeable alkaline iron electrodes‖, J Power Sources, 34, tr 269-285 44 Yang C C., Lin S J (2002), ―Alkaline composite PEO–PVA–glass-fibre-mat polymer electrolyte for Zn–air battery‖, J Power Sources, 112, tr 497-503 45 Yang S., Knickle H (2002), ―Design and analysis of aluminum/air battery system for electric vehicles‖, J Power Sources, 112, tr 162-173 10 11