ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- Đồng Thị Diệp NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH OXI HÓA ĐIỆN HÓA GLYCEROL TRONG MÔI TRƯỜNG KIỀM CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP CÓ CHỨA Pt, Pd, Ni
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
Đồng Thị Diệp
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH OXI HÓA ĐIỆN HÓA GLYCEROL TRONG MÔI TRƯỜNG KIỀM CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP
CÓ CHỨA Pt, Pd, Ni TRÊN NỀN GLASSY CACBON
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội - 2016 Header Page 1 of 126
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
- Đồng Thị Diệp
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH OXI HÓA ĐIỆN HÓA GLYCEROL TRONG MÔI TRƯỜNG KIỀM CỦA VẬT LIỆU TỔ HỢP
CÓ CHỨA Pt, Pd, Ni TRÊN NỀN GLASSY CACBON
Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý
Mã số: 60440119
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS Nguyễn Thị Cẩm Hà
TS Nguyễn Văn Thức
Hà Nội - 2016
Trang 3MỤC LỤC
CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC HÌNH
DANH MỤC BẢNG
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 3
1.1 Pin nhiên liệu 3
1.1.1 Khái niệm về pin nhiên liệu 3
1.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu 4
1.1.3 Phân loại pin nhiên liệu 5
1.2 Pin nhiên liệu kiềm (AFC) 6
1.2.1 Giới thiệu về pin nhiên liệu kiềm 6
1.2.2 Ưu nhược điểm của pin nhiên liệu kiềm 7
1.3 Xúc tác nano kim loại cho pin nhiên liệu kiềm 8
1.3.1 Các loại cacbon làm vật liệu nền cho điện cực 8
1.3.2 Vật liệu điện cực xúc tác cho pin nhiên liệu kiềm 11
1.3.3 Phương pháp chế tạo vật liệu điện cực xúc tác 13
1.4 Sự oxi hóa điện hóa glycerol 15
1.4.1 Tính chất hóa lí của glycerol 15
1.4.2 Ưu điểm của việc sử dụng glyceol làm nhiên liệu cho pin nhiên liệu 15
1.4.3 Qúa trình oxi hóa điện hóa của glycerol 16
1.5 Ảnh hưởng của sản phẩm quá trình oxi hóa ancol tới hoạt tính xúc tác của vật liệu điện cực 17
CHƯƠNG 2- THỰC NGHIỆM ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED
2.1 Hóa chất sử dụng, thiết bị, dụng cụ thí nghiệm Error! Bookmark not defined 2.2 Các phương pháp nghiên cứu Error! Bookmark not defined
Header Page 3 of 126
Trang 42.2.1 Phương pháp quét thế vòng (Cyclic voltammetry) Error! Bookmark not
defined
not defined
2.2.3 Phương pháp chụp ảnh SEM Error! Bookmark not defined
not defined
2.3 Tiến trình thí nghiệm Error! Bookmark not defined
3.1 Phân tích hình thái học bề mặt điện cực Error! Bookmark not defined
3.1.1 Vật liệu điện cực biến tính một kim loại Pt/GC, Pd/GC và Ni/GC Error!
Bookmark not defined
3.1.2 Vật liệu tổ hợp hai kimloại Pt-Pd/GC, Pt-Ni/GC và Pd-Ni/GC Error!
Bookmark not defined
3.1.3 Vật liệu tổ hợp ba kim loại Pt-Pd-Ni/GC Error! Bookmark not defined
3.2 Đánh giá khả năng xúc tác điện hóa và độ bền hoạt động của vật liệu điện cho quá trình oxi hóa glycerol trong môi trường kiềm Error! Bookmark not defined
3.2.1 Vật liệu điện cực biến tính một kim loại Pt/GC, Pd/GC, Ni/GC Error!
Bookmark not defined
Trang 53.2.2 Vật liệu điện cực tổ hợp hai kim loại Pt-Pd/GC, Pt-Ni/GC, Pd-Ni/GC Error!
Bookmark not defined
3.2.3 Vật liệu điện cực tổ hợp ba kim loại Pt-Pd-Ni Error! Bookmark not
defined
3.3 Vật liệu tổ hợp ba kim loại Pt, Pd, Ni trên nền glassy cacbonError! Bookmark not defined
3.3.1 Ảnh hưởng tỉ lệ nồng độ đầu của các muối trong dung dịch điệnphân đến
tính chất của vật liệu… Error! Bookmark not defined
3.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hoạt tính xúc tác Error! Bookmark not
3.3.5 Khảo sát mức độ chuyển hóa glycerol theo thời gian điện phân Error!
Bookmark not defined
KẾT LUẬN ERROR! BOOKMARK NOT DEFINED TÀI LIỆU THAM KHẢO 20
Header Page 5 of 126
Trang 6CÁC TỪ VIẾT TẮT
AFC Alkaline fuel cell (Pin nhiên liệu kiềm)
CA Chronoamperometry (Phương pháp dòng – thời gian)
CV Cyclic voltammetry (Phương pháp quét thế tuần hoàn)
EDX hay EDS Energy–dispersive X-ray spectroscopy (Phương pháp tán xạ
năng lượng tia X)
MCFC Molten cacbonate fuel cell (Pin nhiên liệu cacbon nóng
chảy)
PAFC Phosphoric acid fuel cell (Pin nhiên liệu axit photphoric)
PEMFC Proton exchange membrance fuel cell (Pin nhiên liệu màng
trao đổi proton)
SEM Scanning electron microscopy (Kính hiển vi điện tử quét)
SOFC Solid oxide fuel cell (Pin nhiên liệu oxit rắn)
Trang 7DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Sơ đồ mô tả pin nhiên liệu
Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của pin nhiên liệu
Hình 1.3 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu kiềm
Hình 1.4 Sơ đồ phương pháp mạ điện
Hình 1.5 Quá trình oxi hóa glycerol có mặt chất xúc tác kim loại quý trong môi trường kiềm
Hình 2.1 Quan hệ giữa dòng điện – điện thế trong quét thế tuần hoàn
Hình 2.2 Thiết bị Autolab 30 (a) và điện cực làm việc (b)
Hình 2.3 Bước nhảy điện thế (a), Sự suy giảm nồng độ chất hoạt động điện hóa (b) Sự phụ thuộc của dòng điện đo được theo thời gian (c)
Hình 2.4 Sơ đồ chế tạo vật liệu điện cực biến tính và tổ hợp trên nền GC
Hình 3.1 Ảnh SEM của các vật liệu điện cực biến tính một kim loại trên nền GC
Hình 3.2 Ảnh SEM của các vật liệu điện cực tổ hợp hai kim loại trên nền GC
Hình 3.3 Phổ EDX của vật liệu điện cực Pt-Pd/GC
Hình 3.4 Phổ EDX của vật liệu điện cực Pt-Ni/GC
Hình 3.5 Phổ EDX của vật liệu điện cực Pd-Ni/GC
Hình 3.6 Ảnh SEM của vật liệu điện cực tổ hợp ba kim loại Pt-Pd-Ni/GC (tỉ lệ 1:1,5:60)
Hình 3.7 Phổ EDX của vật liệu điện cực Pt-Pd-Ni/GC (tỉ lệ 1:1,5:60)
Hình 3.8 Đường phân cực vòng của điện cực GC, Pt/GC, Pd/GC và Ni/GC trong môi trường KOH 1M có mặt glycerol 1M (v=50mV/s)
Hình 3.9 Đường cong dòng- thời của các vật liệu biến tính Pt/GC, Pd/GC, Ni/GC trong dung dịch KOH 1M có mặt glycerol 1M
Header Page 7 of 126
Trang 8Hình 3.10 Đường phân cực vòng của các vật liệu điện cực Pt-Pd/GC mạ trong các khoảng thời gian khác nhau trong môi trường KOH 1M có mặt glycerol 1M (v=50mV/s)
Hình 3.11 Đường phân cực vòng của các vật liệu điện cực Pt/GC, Pd/GC, Pt-Pd/GC trong môi trường KOH 1M có mặt glycerol 1M (v=50mV/s)
Hình 3.12 Đường phân cực vòng của các vật liệu điện cực Pt/GC, Ni/GC, Pt-Ni/GC (tỉ
lệ 1:60) trong môi trường KOH 1M có mặt glycerol 1M (v=50mV/s)
Hình 3.13 Đường phân cực vòng của các vật liệu điện cựcPd/GC, Ni/GC, Pd-Ni/GC (tỉ lệ 1,5:60) trong môi trường KOH 1M có mặt glycerol 1M (v=50mV/s)
Hình 3.14 Đường cong dòng- thời gian của các vật liệu Pt/GC, Pd/GC, Pt-Pd/GC trong dung dịch KOH 1M có mặt glycerol 1M
Hình 3.15 Đường cong dòng- thời của các vật liệu Pt/GC, Ni/GC, Pt-Ni/GC trong dung dịch KOH 1M có mặt glycerol 1M
Hình 3.16 Đường cong dòng- thời gian của các vật liệu Pd/GC, Ni/GC, Pd-Ni/GC trong dung dịch KOH 1M có mặt glycerol 1M
Hình 3.17 Đường phân cực vòng của các điện cực tổ hợp Pt-Ni/GC, Pd-Ni/GC, Ni/GC (tỉ lệ 1:1,5:60), trong môi trường KOH 1M có mặt glycerol 1M (v=50mV/s) Hình 3.18 Đường cong dòng- thời gian của các vật liệu Pt-Pd/GC, Pt-Ni/GC, Pd- Ni/GC và Pt-Pd-Ni/GC( tỉ lệ 1:1,5:60) trong dung dịch KOH 1M có mặt glycerol 1M Hình 3.19 Đường phân cực vòng của các điện cực Pt-Pd-Ni/GC được chế tạo từ dung dịch có tỉ lệ nồng độ muối platin, paladi và niken khác nhau trong môi trường KOH 1M có mặt glycerol 1M (v=50mV/s)
Pt-Pd-Hình 3.20 Đường cong dòng- thời gian của các vật liệu Pt-Pd-Ni/GC được chế tạo từ dung dịch có tỉ lệ nồng độ muối platin, paladi và niken khác nhau trong dung dịch KOH 1M có mặt glycerol 1M, trong 60s (a), 1200s (b)
Hình 3.21 Đường phân cực vòng của điện cực Pt-Pd-Ni (tỉ lệ 1:1.5:300) trong dung dịch KOH 1M có mặt glycerol 1M (v=50mV/s) tại các nhiệt độ khác nhau
Trang 9Hình 3.22 Đường phân cực vòng của điện cực tổ hợp Pt-Pd-Ni (tỉ lệ 1:1,5:300) trong môi trường KOH 1M có mặt glycerol 1M (v=50mV/s) với số vòng quét khác nhau (n) Hình 3.23 Đường phân cực vòng của vật liệu tổ hợp Pt-Pd-Ni (tỉ lệ 1:1,5:300) trong môi trường KOH 1M có mặt glycerol 1M và đường phụ thuộc đỉnh pic anot 1 vào v 1/2 Hình 3.24 Sự phụ thuộc của ln i vào 1/T trong quá trình oxi hóa glycerol trên điện cực Pt-Pd-Ni/GC (tỉ lệ 1 :1,5 :300)
Hình 3.25 Sơ đồ qui trình xác định mức độ chuyển hóa glycerol theo thời gian điện phân
Hình 3.26 Sự phụ thuộc của ia max theo nồng độ glycerol
Hình 3.27 Sự phụ thuộc của nồng độ glycerol còn lại sau điện phân (Cx) theo thời gian điện phân khi sử dụng vật liệu điện cực Pt-Pd-Ni/GC
Hình 3.28 Sự phụ thuộc của ln Cx theo thời gian điện phân khi sử dụng vật liệu điện cực Pt-Pd-Ni/GC
Header Page 9 of 126
Trang 10Bảng 2.1 Điều kiện chế tạo vật liệu Pt/GC, Pd/GC và Ni/GC
Bảng 2.2 Điều kiện chế tạo vật liệu tổ hợp Pt-Pd/GC, Pt-Ni/GC, Pd-Ni/GC
Bảng 2.3 Điều kiện chế tạo vật liệu tổ hợp Pt-Pd-Ni/GC
Bảng 3.1 Mức độ chuyển hóa glycerol theo thời gian điện phân khi sử dụng vật liệu điện cực xúc tác là Pt-Pd-Ni/GC
Bảng 3.2 Mức độ chuyển hóa glycerol theo thời gian điện phân khi sử dụng vật liệu điện cực xúc tác là Pt khối
Trang 111
MỞ ĐẦU
Cùng với sự phát triển của công nghệ nhiên liệu sinh học, sản lượng glycerol, một sản phẩm phụ của quá trình ngày càng tăng [21].Glycerol có mật độ năng lượng cao (~5 kWh/kg), số electron trao đổi lớn (14e cho phân tử glycerol) [28, 33]ít độc hại hơn so với metanol và có thể bị oxi hóa điện hóa Vì vậy,các nhà nghiên cứu đã và đang nỗ lực tìm hướng ứng dụng mới cho hợp chất này.Trong đó, vấn đề nghiên cứu sự chuyển hóa glycerol trong quá trình hoạt động của pin nhiên liệu với mục đích làm tăng hiệu quả của bài toán năng lượng cũng như khép kín chu trình “xanh” của việc sử dụng nhiên liệu sinh học được nhiều nhà khoa học trên thế giới đang thực sự quan tâm Tuy nhiên, việc sử dụng glycerol cho hoạt động của pin nhiên liệu còn có những vướng mắc do quá trình oxi hóa các hợp chất rượu đa chức xảy ra phức tạp và khó khăn hơn nhiều so với quá trình oxi hóa metanol [17, 19] Quá trình oxi hóa điện hóa glycerol nói riêng và các hợp chất ancol nói chung trong môi trường kiềm đã được nghiên cứu trên các xúc tác như Pt [20, 21, 23, 35, 38], Au [21, 37], Pd [20, 21, 23, 33, 35] Tuy nhiên, sự dễ bị ngộ độc bởi các sản phẩm trung gian của quá trình oxi hóa ancol của Pt [16, 31]và giá thành cao của các kim loại quý là những hạn chế của việc sử dụng platin
và paladi tinh khiết Hàm lượng của Pt và Pd trong vật liệu xúc tác có thể giảm nhờ việc chế tạo vât liệu biến tính của chúng trên nền chất dẫn điện [35] hoặc chế tạo vật liệu tổ hợp có chứa chúng cùng với các kim loại khác [11, 24, 27, 35, 37] Sự có mặt thêm của các kim loại trong mạng tinh thểcó thể mang đến cho vật liệu tổ hợp các đặc trưng của từng kim loại cũng như sự cộng hưởng tính chất của chúng để tạo ra loại vật liệu điện cực xúc tác ưu việt hơn Nhằm tìm ra một vật liệu tổ hợp có được những ưu điểm kể trên, một số nghiên cứu [6, 10, 15, 18, 22, 34, 39] đã đưa Ni vào thành phần kim loại xúc tác Quá trình oxi hóa điện hóa ancol khi có mặt xúc tác Ni có sự tham gia của cặp oxi hóa khửNiOOH / Ni(OH)2.Ngoài ra với sự hỗ trợ củamột lượng phù hợp
niken hidroxit dạng β- Ni(OH)2có kích thước nhỏ, nhiều khuyết tật trong cấu trúc mạng Header Page 11 of 126
Trang 122
tinh thể, đã góp phần tạo nên khả năng xúc tác điện hóa khá tốt của Ni Nhưng khi so với các kim loại quý thì hoạt tính xúc tác của Ni được đánh giá thấp hơn hẳn Vì vậy nhằm mục đích nâng cao khả năng xúc tác cho quá trình oxi hóa điện hóa các hợp chất ancol trong môi trường kiềm, vật liệu xúc tác có chứa niken thường chế tạo bằng cách đồng kết tủa điện hóa niken với một lượng không lớn các kim loại quý như Pt, Pd, Au [10, 18, 22]
Trên thế giới đã có một số nghiên cứu chuyên sâu về quá trình chuyển hóa glycerol, định hướng cho pin nhiên liệu Tuy nhiên ở Việt Nam hướng nghiên cứu này còn khá mới.Vì vậy, chúng tôi đã lựa chọn vấn đề “Nghiên cứu quá trình oxi hóa điện hóa glycerol trong môi trường kiềm của vật liệu tổ hợp có chứa Pt,Pd,Ni trên nền glassy cacbon” làm đề tài của luận văn với mục tiêu chủ yếu là:
Chế tạo các vật liệu tổ hợp có chứa Pt, Pd, Ni trên nền chất dẫn điện glassy cacbon bằng phương pháp kết tủa điện hóa
Đánh giá khả năng xúc tác điện hóa của các vật liệu tổ hợp đã chế tạo được
Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố: nhiệt độ, thời gian mạ,… đến khả năng xúc tác điện hóa của vật liệu chế tạo được
Khảo sát độ bền hoạt động của vật liệu thông qua phương phép quét dòng- thời gian
Khảo sát mức độ chuyển hóa glycerol theo thời gian điện phân trên hệ vật liệu
Bước đầu khảo sát động học quá trình oxi hóa glycerol
Trang 133
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN
1.1 Pin nhiên liệu
1.1.1 Khái niệm về pin nhiên liệu [35]
Năm 1838, Sir William Robert Grove phát minh ra một thiết bị có khả năng kết hợp hydro vàoxy để sản xuất điện, thiết bị này được gọi là một tế bào nhiên liệu Thiết
bị này có thể chuyển đổi trực tiếp hóa năng của nhiên liệu thành điện năng nhờ vào các quá trình điện hóa Trong pin nhiên liệu hoàn toàn không có sự cháy như trong động cơ đốt trong, do đó pin nhiên liệu sinh ra lượng khí ít gây ô nhiễm môi trường…Mặt khác,
nó không có sự chuyển hóa nhiệt thành cơ như khi sử dụng nguyên liệu hóa thạch nên hiệu suất của pin không bị giới hạn bởi hiệu suất nhiệt của chu trình Cacno, ngay cả khi vận hành ở nhiệt độ tương đối thấp Khác với pin và ácquy, pin nhiên liệu có thể tạo ra dòng điện liên tục khi cung cấp đầy đủ nhiên liệu
Nguồn nhiên liệu cơ bản cần thiết cho pin vận hành bao gồm: hydro (H2), metan (CH4), metanol (CH3OH), etanol (C2H5OH)…và oxy lấy từ không khí Sản phẩm của quá trình chuyển hóa này gồm có nhiệt năng, điện năng, nước và khí cacbonic Dưới đây là sơ đồ hệ thống đơn giản của pin nhiên liệu:
Nhiên liệu H2O, CO2
Điện năng
Hình 1.1 Sơ đồ mô tả pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu hiđro biến đổi trực tiếp hóa năng thành điện năng thông qua phản ứng: H2 + ½ O2→ H2O, nhờ tác động của những chất xúc tác như: kim loại platin
Pin nhiên liệu
Header Page 13 of 126
Trang 144
nguyên chất, hỗn hợp platin với kim loại khác và chất điện phân được sử dụng như kiềm axit, muối cacbonat, oxit rắn…
1.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu
Hình 1.2 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý làm việc của pin nhiên liệu
Cấu trúc chung của pin nhiên liệu bao gồm ba phần cơ bản: cực dương (catot), cực âm (anot) và một chất điện phân (môi trường điện li) thực hiện việc di chuyển ion giữa hai điện cực
Anot: là nơi xảy ra quá trình oxi hóa, khuếch tán nhiên liệu đến bề mặt điện cực
Anot được chọn cần thỏa mãn những tiêu chí sau: có khả năng dẫn điện cao, bền, dễ chế tạo và giá thành rẻ… Trong thực tế, kim loại được sử dụng nhiều nhất để làm chất hoạt động anot Điện cực anot thường là các kim loại quý như:
Au, Pt…, ngoài ra còn các kim loại với giá thành thấp hơn như: Pd, Ni, Ru
Catot: là nơi xảy ra quá trình khử oxy Catot được chọn cần thỏa mãn những
tiêu chí: tính bền cao khi tiếp xúc với chất điện li, là vật liệu dẫn điện
Môi trường điện li: có nhiều loại như axit, kiềm và muối nóng chảy tồn tại các
dạng rắn, lỏng hay cấu trúc màng Tùy vào mục đích, người ta sẽ chọn ra loại tối
ưu nhất
Ngoài ra, người ta còn sử dụng chất xúc tác nhằm tăng tốc độ phản ứng điện cực Tùy vào từng loại pin nhiên liệu khác nhau, chất xúc tác có thể đặt ở giữa dung
Trang 155
dịch chất điện li và các điện cực hoặc dùng trực tiếp như một điện cực hoặc phủ trên bề mặt của điện cực Chất xúc tác thường là platin hoặc hợp kim của platin với các kim loại khác như Ru, Ni, Co, Pd…
1.1.3 Phân loại pin nhiên liệu
Có nhiều cách khác nhau để phân loại pin nhiên liệu, nhưng chủ yếu được phân loại dựa vào chất điện li mà chúng sử dụng Trên cơ sở đó, pin nhiên liệu được chia thành một số loại chính sau:
Pin nhiên liệu axit photphoric (Phosphoric acid fuel cell - PAFC)
Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton exchange membrance fuel cell- PEMFC)
Pin nhiên liệu cacbon nóng chảy (Molten cacbonate fuel cell - MCFC)
Pin nhiên liệu oxit rắn (Solid oxide fuel cell - SOFC)
Pin nhiên liệu kiềm (Alkaline fuel cell - AFC)
Bảng 1.1 So sánh đặc điểm của một số pin nhiên liệu
Pin nhiên
Nhiệt độ làm việc ( o C)
Hiệu suất chuyển hóa năng lượng (%) PAFC Sản xuất điện(qui
Trang 166
Trong số những loại pin nhiên liệu trên, pin nhiên liệu kiềm trong những năm gần đây rất được quan tâm nghiên cứu vì những ưu điểm của nó so với các hệ pin còn lại như: hiệu suất chuyển hóa nhiên liệu cao, khoảng nhiệt độ làm việc thấp, hơn nữa
có thể sử dụng xúc tác là những kim loại có giá thành thấp, ít gây ăn mòn, Kết quả của luận văn cũng góp phần vào nghiên cứu và phát triển chung của pin nhiên liệu kiềm
1.2 Pin nhiên liệu kiềm (AFC) [9, 12, 25]
1.2.1 Giới thiệu về pin nhiên liệu kiềm
AFC là loại pin nhiên liệu được chế tạo, nghiên cứu, phát triển sớm nhấtvà đã từng được NASA sử dụng trong các chương trình không gian như đội tàu con thoi và các du thuyền Apolo Theo nghiên cứu [26], quá trình oxi hóa xảy ra trong môi trường kiềm tốt hơn trong môi trường axit, đồng thời KOH có độ dẫn điện tốt nhất trong các hydroxit kiềm nên KOH thường được chọn làm chất điện li cho pin AFC
Hình 1.3 Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu kiềm
Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực:
Trên catot: O2 + 2H2O + 4e- → 4OH- (1.1) Trên anot: Nhiên liệu + nOH- - ne- → Sản phẩm (1.2) Tổng quát: Nhiên liệu + O2 →Sản phẩm (1.3)
Trang 177
Như vậy, ở anot, hiđro bị oxi hóa, các electron sinh ra sẽ di chuyển qua mạch điện bên ngoài đi về catot của pin nhiên liệu Còn ở catot, oxi bị khử, sinh ra các ion hydroxit (OH-) Các ion OH- sẽ di chuyển từ catot sang anot
1.2.2 Ưu nhược điểm của pin nhiên liệu kiềm
1.2.2.1 Ưu điểm
Ưu điểm của việc sử dụng pin nhiên liệu kiềm khi so sánh với pin nhiên liệu axit truyền thống là khả năng sử dụng chất xúc tác không chứa platin trong các điện cực Việc phát triển một hệ thống xúc tác anot và catot là khả thi hơn trong môi kiềm
do có nhiều sự lựa chọn về mặt nguyên liệu so với môi trường axit [36] Sự thay thế Pt tinh khiết bằng những vật liệu biến tính, tổ hợp có thể cho hiệu quả oxi hóa nhiên liệu cao hơn so với Pt tinh khiết, ngoài ra việc sử dụng điện cực biến tính cũng như điện cực tổ hợp có thể làm giảm sự nhiễm độc của điện cực bởi các sản phẩm của quá trình oxi hóa Việc thay thế Pt bằng các điện cực biến tính giúp giảm chi phí của pin AFC rất nhiều lần Ngoài ra, tốc độ của phản ứng khử oxi trong môi trường kiềm dễ hơn trong một số môi trường axit như H2SO4 sử dụng chất xúc tác Pt và HClO4 sử dụng chất xúc tác Ag Do sử dụng môi trường điện li là kiềm nên pin ít bị ăn mòn, tuổi thọ được kéo dài hơn
Tại một số khoảng thế, quá trình oxi hóa rượu trong môi trường kiềm cho mật
độ dòng cao hơn trong môi trường axit Sử dụng môi trường kiềm mang lại nhiều hiệu quả hơn: giảm hàm lượng chất xúc tác cũng như cho phép sử dụng một số chất xúc tác không chứa kim loại quý Hơn nữa, khả năng gây ngộ độc khi sử dụng vật liệu điện cực Pt/C trong môi trường kiềm thấp hơn môi trường axit
Sử dụng môi trường kiềm giúp cải thiện động học ở cả anot và catot, đặc biệt là trong trường hợp quá thế anot thấp
Header Page 17 of 126