Báo cáo nghiên cứu khoa học Chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa nano PTC ứng dụng cho pin nhiên liệu metanol trực tiếp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CƠNG NGHỆ HĨA – THỰC PHẨM  BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC ĐIỆN HÓA NANO Pt/C ỨNG DỤNG CHO PIN NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP VŨ MINH HÀO BIÊN HÒA, THÁNG 12/2012 TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CƠNG NGHỆ HĨA – THỰC PHẨM  BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC ĐIỆN HÓA NANO Pt/C ỨNG DỤNG CHO PIN NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG PHONG Sinh viên thực : VŨ MINH HÀO BIÊN HÒA, THÁNG 12/2012 i LỜI CÁM ƠN Ca dao Việt Nam có câu để nhắn nhủ người trẻ xã hội:“Công cha, nghĩa mẹ ơn thầy, nghĩ cho bõ ngày ước ao” Đó câu thật ngắn gọn lại chứa đựng toàn truyền thống tốt đẹp dân tộc ta Hôm nay, xin mượn để nói lên tâm tình biết ơn bậc sinh thành quý thầy cô người giúp đỡ tơi hồn tất tốt luận văn tốt nghiệp Đầu tiên, xin gửi lời biết ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Thị Phương Phong, người trực tiếp hướng dẫn tơi tồn q trình thực đề Tơi vơ cảm kích giúp đỡ tận tâm Mặc dù, cương vị PGS.TS công việc giảng viên bận rộn với trăm công ngàn việc cô dành thời gian để sửa góp ý cách chân thành cho đề tài Tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến quý thầy cơ, anh chị khoa hóa lý trường ĐHKHTN, Tp.HCM tận tình hướng dẫn q trình tơi thí nghiệm Cách riêng cho anh Ngơ Thanh Liêm, người đồng hành bước chập chững suốt thời gian tham gia nghiên cứu tơi Đối với thầy khoa hóa trường ĐH Lạc Hồng, tơi khơng biết lấy để nói lên lời cám ơn trước điều kiện vơ thuận lợi, mà thầy cô dành cho để q trình nghiên cứu tơi diễn kết thúc thật tốt đẹp Tôi xin gửi lời cám ơn đến sở, phịng thí nghiệm cho làm việc nơi Lời biết ơn cuối cùng, xin gửi đến cha mẹ người sinh thành vất vả bao ngày tháng qua để có kết ngày hôm Sau cùng, xin cảm ơn tất cả, thiết nghĩ khó mà đáp trả lại tất ân tình Song ước mong người đón nhận lời cảm tạ chân thành từ thân tơi ii MỤC LỤC Sinh viên thực : VŨ MINH HÀO .ii LỜI CÁM ƠN i MỤC LỤC ii DANH MỤC BẢNG BIỂU iv PHẦN MỞ ĐẦU LỜI MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU VÀ XÚC TÁC ĐIỆN CỰC TRONG PIN NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP CHƯƠNG CHƯƠNG 23 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 KẾT LUẬN 56 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BET Máy đo diện tích bề mặt CV Phương pháp qt vịng tuần hồn (Cyclic voltammetry) Eb Thế oxy hóa cực đại đường quét (V) Ef Thế oxy hóa cực đại đường quét tới (V) ipa Mật độ dịng mũi đường qt tới tính theo diện tích điện cực (mA/cm2) ipc Mật độ dịng mũi đường quét tính theo diện tích điện cực (mA/cm2) i’pa Mật độ dòng mũi đường quét tới tính theo khối lượng Platin điện cực (mA/mmPt) i’pc Mật độ dòng mũi đường quét tính theo khối lượng Platin điện cực (mA/mmPt) Pt/C Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin Carbon iii Pt/VulcanXC-72R Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin Carbon Vulcan XC-72R Pt/VC-25-11 Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin Carbon Vulcan XC-72R khơng xử lý với hàm lượng Platin 25% môi trường pH=11 Pt/VC-XL-25-11 Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin Carbon Vulcan XC-72R xử lý HNO3 với hàm lượng Platin 25% môi trường pH=11 SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scaning electron microscopy) TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission electron microscopy) XRD Nhiễu xạ tia-X (X-Ray diffaction) iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Số liệu để pha dung dịch HNO3 với nồng độ khác .24 Bảng 3.1: Hoạt tính vật liệu nanocomposit Pt/VulcanXC-72R xử lý không xử lý dung dịch HNO3 với nồng độ khác 36 Bảng 3.2: Hoạt tính xúc tác vật liệu nanocomposit Pt/Vulcan XC-72R xử lý không xử lý khoảng thời gian khác 39 Bảng 3.3 Hoạt tính xúc tác vật liệu nanocomposit Pt/VC với thay đổi thành phần khối lượng tiền chất H2PtCl6.6H2O 40 Bảng 3.4: Hoạt tính xúc tác vật liệu nanocomposit Pt/VC với môi trường pH khác 42 Bảng 3.5: Hoạt tính xúc tác vật liệu nanocomposit Pt/VC-XL-25 môi trường pH=11 với thay đổi hàm lượng tiền chất H2PtCl6.6H2O 46 Bảng 3.6: Hoạt tính xúc tác nanocomposit Pt/VC-XL-25 môi trường pH khác .48 Bảng 3.7: Kết đo diện tích bề mặt vật liệu nanocomposit Pt/VulcanXC-72R xử lý không xử lý 53 v DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ pin nhiên liệu Hình 1.2 Cấu tạo nguyên lý làm việc pin nhiên liệu Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống pin nhiên liệu Hình 1.4 Hiệu suất pin nhiên liệu so với số thiết bị tạo điện khác .12 Hình 2.1 Bể siêu âm 23 Hình 2.2 Mấy khuấy từ IKARET control-vis pipet BIOHIT Proline 23 Hình 2.3 Lị vi sóng SANYO 20L EM-S2182W 24 Hình 2.4 Máy ly tâm UNIVERSAL 32R HETTICH ZENTRIFUGEN 24 Hình 2.5 Quy trình chế tạo vật liệu nano Pt/C phương pháp polyol .26 Hình 2.6 Máy đo BET Nova 3200e 28 Hình 2.7 Sơ đồ khối thiết bị nhiễu xạ tia X 28 Hình 2.8 Thiết bị nhiễu xạ tia X BRUKER XRD-D8 ADVANCE 29 Hình 2.9 Hệ thống kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM JSM 30 Hình 2.10 Hệ thống kính hiển vi điện tử truyền qua,TEM JEM-1400 Nhật 31 Hình 2.11 Đồ thị qt vịng tuần hoàn 32 Hình 2.12 Máy Autolab-PGSTAT302N 33 Hình 2.13 Các loại điện cực 33 Hình 2.14 Hệ thống ba điện cực 34 Hình 2.15 Đường cong CV vật liệu nanocomposite Pt/Vulcan XC-72R 34 Hình 3.1 Giản đồ CV vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/Vulcan XC-72R xử lý không xử lý dung dịch HNO3 với nồng độ khác 37 Hình 3.2 Giản đồ CV vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/Vulcan XC-72R xử lý không xử lý khoảng thời gian khác 39 Hình 3.3 Giản đồ CV vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC với thành phần tiền chất H2PtCl6.6H2O khác 40 Hình 3.4 Giản đồ CV vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC môi trường pH khác .42 Hình 3.5 Cơ chế q trình oxy hóa EG điều chế nano Platin .42 Hình 3.6 Phản ứng loại proton tạo thành anion Glycolate axit Glycolic 43 vi Hình 3.7 Ảnh chụp TEM biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Platin vật liệu nanocomposit Pt/VC-25-11 .44 Hình 3.8 Ảnh chụp TEM biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Platin vật liệu nanocomposit Pt/VC-25-6,5 44 Hình 3.9 Giản đồ CV vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC-XL với hàm lượng Platin khác 45 Hình 3.10 Giản đồ CV vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC-XC với hàm lượng Platin khác 47 Hình 3.11 Giản đồ CV vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC-XL-25 với môi trường pH khác 47 Hình 3.12 Giản đồ CV vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC-XL-25 với môi trường pH khác .48 Hình 3.13 Ảnh chụp TEM biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Platin vật liệu nanocomposit Pt/VC-XL-25-11 49 Hình 3.14 Ảnh chụp TEM biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Platin vật liệu nanocomposit Pt/VC-XL-25-6,5 .50 Hình 3.15 Kết chụp XRD Vulcan XC-72R xử lý khơng xử lý 51 Hình 3.16 Phổ đồ XRD nanocomposit Pt/VC-25-11 51 Hình 3.17 Gian đồ XRD nanocomposit Pt/VC-XL-25-11 .52 Hình 3.18 Ảnh FE- SEM nanocomposit Pt/VC-XL-25-11 53 Hình 3.19 Giản đồ đo hai loại carbon Vulcan XC-72R 54 Hình 3.20 (1) Giản đồ đo (2) giản đồ CV hai loại vật liệu xúc tác điện hóa nanocmposit Pt/Vulcan XC-72R .54 PHẦN MỞ ĐẦU LỜI MỞ ĐẦU Không biết người có nghĩ đến việc văn minh phát triển mạnh mẽ từ giai đoạn chăng? Theo tơi người biết tạo điện, nguồn lượng mà ngày có mặt hầu hết lĩnh vực Chúng ta hình dung đơn giản từ việc học khơng có điện người có đủ ánh sáng học tập, nghiên cứu, việc mà hệ trước khơng có Nguồn sáng mà họ có đèn dầu Điện giúp cho việc chuẩn bị bữa ăn gia đình thời gian nhờ thiết bị ấm điện, nồi cơm điện Điện “người bạn đồng hành” nhiều nhà máy, xí nghiệp Lý chọn đề tài  Do ảnh hưởng lớn mà nguồn nguyên liệu để sản xuất điện thiết bị để xử lý nguồn nguyên liệu than, xăng, nước, gió quan tâm cách đặc biệt Trong nguồn gió, mặt trời, nước hay lượng hạt nhân lại gặp khó khăn định Bên cạnh đó, vấn đề mơi trường lại lên khí độc thải làm nhiễm khiến nhiệt độ thay đổi nhanh Vì vậy, thiết bị “đa năng” nguồn nguyên liệu dồi tập trung tìm kiếm nghiên cứu Cuối tất ý đổ dồn pin nhiên liệu Theo dịng thời gian loại pin nhiên liệu sử dụng Metanol trực tiếp (Direct methanol fuel cell - DMFC) xuất thịnh hành Tuy hệ thống đơi tạo khí cacbonic lượng khí thải khơng đáng kể Yếu tố xúc tác pin nhiên liệu sử dụng metanol trực tiếp vấn đề đặt lên hàng đầu quan tâm Chất xúc tác nghiên cứu phổ biến platin Qua đề tài:“ Chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa nano Pt/Carbon ứng dụng cho pin nhiên liệu methanol trực tiếp” tơi hy vọng góp phần việc đưa nguồn lượng điện “sạch” vào ứng dụng cách rộng rãi cho sống động ngày  Tình hình nghiên cứu đề tài - Tình hình nghiên cứu giới 52 Vật liệu nanocomposite Pt/VC-XL-25-11 phân tích FE-SEM/EDX kính hiển vi điện tử qt, máy FE-SEM Jeol JSM 7401F (Viện Cơng Nghệ Hóa Học – TP HCM) 4000 25% Pt/C 3600 3200 C 2800 Counts 2400 2000 Pt 1600 1200 Pt 800 Pt Pt Pt 400 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV Hình 3.18 Ảnh FE-SEM (thang đo 0,5μm) nanocomposit Pt/VC-XL-2511 Kết phân tích EDX cho thấy hàm lượng platin mẫu 25,48% phù hợp với hàm lượng Pt mẫu nanocomposite, kết luận hiệu suất phản ứng tổng hợp nanocomposite đạt 100% 3.4.4 So sánh khả xúc tác điện hóa Mục đích đề tài chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Pt/Vulcan XC-72R bên cạnh vấn đề cần quan tâm nên sử dụng loại carbon Vulcan XC-72R xử lý hay không xử lý tốt? Để làm rõ vấn đề phần trình bày kết làm so sánh hai loại carbon 53 Hình 3.19 Giản đồ đo hai loại carbon VulcanXC-72R xử lý không xử lý (đo dung dịch H2SO4 0,5M) (2) (1) Hình 3.20 (1) Giản đồ đo (2) giản đồ CV hai loại vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Pt/VulcanXC-72R xử lý khơng xử lý Đầu tiên, giản đồ đo (Hình 3.19) dễ dàng nhận khác biệt quét hai mẫu carbon Vulcan XC-72R xử lý không xử lý dung dịch H2SO4 0,5M Điểm khác biệt thể vị trí mức 0,4V, carbon Vulcan xử lý mật độ dịng cao Chính mức 0,4V đường carbon Vulcan XC-72R xử lý (màu xanh dương) biểu thị cho nhóm chức bị oxy hóa [4] Khi xét đến hoạt tính xúc tác vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Pt/Vulcan XC-72R xử lý khơng xử lý ta nhận xét dựa giản đồ 3.20 Ở giản đồ đo ta thấy đường quét vật liệu nanocomposit chất mang Vulcan xử lý có mức cao Điều dự đốn kích thước hạt nano platin nhỏ, cụ thể vật liệu nanocomposit Vulcan XC-72R xử lý kích thước hạt platin 3,4nm (pH=11; ảnh TEM hình 3.13) 4,5nm (pH=11; ảnh TEM hình 3.7) chất mang Vulcan XC-72R không xử lý Trong giản đồ đo CV hai loại vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Pt/Vulcan XC-72R xử lý không xử lý điều chế mơi trường pH=11,0 đo hoạt tính xúc tác hỗn hợp dung dịch H 2SO4 0,5M MeOH 1M kết hiển thị hình 3.20(2) Mật độ dịng qt tới vật liệu 54 nanocomposit Vulcan xử lý môi trường pH=11,0 i pa=16,13 mA/cm2 (Bảng 3.6), tương tự Vulcan không xử lý ipa=12,04 mA/cm2 (Bảng 3.4) Mật độ dịng lớn nói lên hoạt tính xúc tác vật liệu cao Vậy, qua định hướng ban đầu kết luận việc sử dụng loại carbon Vulcan XC-72R xử lý làm chất mang phù hợp KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56 KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Sau kết trình bày phần việc chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Pt/Vulcan XC-72R đạt kết mục đích đề tài đặt ra: Đã chế tạo thành cơng vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Pt/Vulcan XC-72R phương pháp Polyol Đã xác định yếu tố ảnh hưởng đến hoạt tính xúc tác vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Pt/Vulcan XC-72R như: tính chất carbon Vulcan XC72R, hàm lượng tiền chất axit Chloroplatinic (H 2PtCl6.6H2O) pH môi trường điều chế So sánh kết việc sử dụng chất mang carbon Vulcan XC-72R xử lý tốt nguồn carbonVulcan XC-72R ban đầu Xử lý nguồn carbon ban đầu dung dịch HNO3 5% thời gian xử lý 16 Các kết phân tích hóa lý BET, FE-SEM, XRD, TEM qt vịng tuần hồn (CV) phù hợp Qua khảo sát với kết đạt kết luận điều kiện tối ưu để hoạt tính xúc tác vật liệu chế tạo phương pháp polyol theo hướng truyền thống có hoạt tính cao mơi trường pH=11, thành phần tiền chất axit Chloroplatinic (H2PtCl6.6H2O) 25% (hàm lượng platin) sử dụng chất mang Vulcan XC-72R xử lý 16 với dung dịch HNO3 5% Kiến nghị: Tiếp tục thay đổi chất mang để khảo sát tìm chất mang tốt carbon Vulcan XC-72R Vẫn tiến hành điều chế vật liệu xúc tác điện hóa phương pháp polyol có hỗ trợ vi sóng TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Ngô Thanh Liêm (2012), Nghiên cứu chế tạo khảo sát tính chất vật liệu nanocomposit Platin/Carbon (Pt/C) phương pháp Polyol, Luận văn thạc sĩ hóa lý, trường đại học Khoa Học Tự Nhiên Tp Hồ Chí Minh Tài liệu tiếng Anh [2] Antoliti E (2009), Carbon supports for low-temperature fuel cell catalysts, Applied Catalysis B Enviroment, 88, pp.1-24 [3] Chaoxiong He (2010), KOH-activated multi-walled carbon nanotubes as platinum supports for oxygen reduction reaction, Journal of Power Sources, 195, pp.7409-7414 [4] Chethan K Acharya (2009), Effect of bron doing in the carbon support on Platinum nanoparticles and Carbon corrosion, Journal of Power Sources, 192, pp 324-329 [5] Du, H Y (2008), Controlled platinum nanoparticles uniformly dispersed on nitrogen-doped carbon nanotubes for methanol oxidation, Diamond and Related Material, 17, pp 535-541 [6] Hyunjoon Song (2005), Pt Nanocrystals: shape control and Langmuir-Blodgett Monolayer formation, J Phys Chem B, 109, pp.188-193 [7] Jiajun Wary (2007), Effect of carbon black support corrosion on the durability of Pt/C catalyst, Journal of Power Sources, 171, pp 860-866 [8] J L Gómez de la Fuente (2008), Functionalization of carbon support and its influence on the electro catalytic behaviour of Pt/C in H and CO electrooxidation, Carbon 44, pp.1919-1929 [9] Kaushik Ghosh (2010), Facile Decoration of Platinum Nanoparticles on carbon-Nitride Nanotubes via Microwave-assisted chemical Reduction and their Optimization for field-Emission Application, J Phys Chem B, 114, pp.5107-5112 [10] Marcelo Carmo (2007), H2O2 treated carbon black as electrocatalyst support polymer membrance fuel cell application, Int J hydrogen energy, 33, pp 6289-6297 [11] Marcelo Carmo (2007), Physical and electrochemical evaluation of commercial carbon black as electro catalysts support for DMFC application, Journal of Power Sources, 173, pp 860-866 [12] Paromita Kundu (2011), Ultrafast Microwave-assisted Route to surfactant-free ultrafine Pt Nano-particles on Graphene: Synergistic co-reduction Mechanism and High catalytic activity, Chemical of Materials, 25, pp 2772-2780 [13] S M Senthil Kumar (2011), Efficient tuning of the Pt nanoparticle mono-dispersion on VulcanXC-72R by selective pre-treatment and electrochemical evaluation of hydrogen oxidation and oxygen reduction reaction, Internet Journal of Hydrogen energy, 36, pp 5453-5465 [14] Weiyong Xu (1999), Synthesis of Nanoscale platinum colloids by Microwave dielectric Heating, Langmuir, 15, pp.6-9 [15] Zhen Bo Vary (2006), Effects of ozone treatment of carbon support on Pt-Ru catalysts performance for direct methanol fuel cell, Carbon 44, pp 133-140 ...TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CƠNG NGHỆ HĨA – THỰC PHẨM  BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC ĐIỆN HÓA NANO Pt/C ỨNG DỤNG CHO PIN NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP Giảng... VỀ PIN NHIÊN LIỆU VÀ XÚC TÁC ĐIỆN CỰC TRONG PIN NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP 1.1 Tổng quan pin nhiên liệu 1.1.1 Khái niệm pin nhiên liệu Pin nhiên liệu hệ thống dùng để biến đổi trực tiếp hóa. .. tiêu nghiên cứu Chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa, chế tạo vật liệu nano Pt/Carbon (thay đổi thông số hàm lượng H2PtCl6 , pH, nhiệt độ, xử lý nguồn Carbon) Khảo sát tính chất xúc tác điện hóa