BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - PHẠM HỒNG HẠNH NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC ĐIỆN HĨA TRÊN CƠ SỞ IrO2 CHO PHẢN ỨNG THỐT ƠXY ÁP DỤNG TRONG THIẾT BỊ ĐIỆN PHÂN NƯỚC SỬ DỤNG MÀNG TRAO ĐỔI PROTON LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Phạm Hồng Hạnh NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ IrO2 CHO PHẢN ỨNG THỐT ƠXY ÁP DỤNG TRONG THIẾT BỊ ĐIỆN PHÂN NƯỚC SỬ DỤNG MÀNG TRAO ĐỔI PROTON Chuyên ngành: Hóa lý thuyết Hóa lý Mã sỗ: 9.44.01.19 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Nguyễn Ngọc Phong TS Lê Bá Thắng Hà Nội – 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi khơng trùng lặp với cơng trình khoa học khác Các số liệu, kết luận án trung thực, chưa công bố tạp chí đến thời điểm ngồi cơng trình tác giả Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tác giả luận án Phạm Hồng Hạnh ii LỜI CẢM ƠN! Lời với lòng biết ơn sâu sắc xin gửi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn TS Nguyễn Ngọc Phong TS Lê Bá Thắng dẫn quý báu định hướng nghiên cứu phương pháp luận tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành luận án Tôi bày tỏ lời cảm ơn Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi sở vật chất thời gian để tơi hồn thành luận án Tơi đồng thời gửi lời cảm ơn chân thành đến đồng nghiệp Phòng ăn mòn bảo vệ vật liệu, Trung tâm đánh giá hư hỏng vật liệu Comfa, Viện khoa học vật liệu, Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam chia sẻ, đóng góp kinh nghiệm quý báu trợ giúp trang thiết bị để thực nghiên cứu Và xin gửi lời cảm ơn chân thành tới đồng nghiệp, bạn bè – người quan tâm, động viên suốt thời gian qua! Cuối cùng, tơi xin dành tình cảm đặc biệt đến gia đình người thân - người động viên tiếp sức cho thêm nghị lực để tơi vững bước hồn thành luận án iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG viii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Nền kinh tế hydro 1.2 Chế tạo lưu trữ hydro 1.3 Giới thiệu phương pháp sản xuất hydro bằng điện phân nước 1.3.1 Điện phân dung dịch kiềm 10 1.3.2 Điện phân nước 11 1.3.3 Điện phân nước sử dụng màng trao đổi proton (PEMWE) 11 1.4 Nhiệt động học động học điện phatalysis and inhibition by electrosorbates and protective layers, Journal of Applied Electrochemistry, 1979, 9(2), 255–267 38 A Marshall el al., Performance of a PEM water electrolysis cell using IrxRuyTazO2 eletrocatalysts for the oxygen evolution electrode, International journal of hydrogen energy, 2007, 32, 2320-2324 39 Silva LA, Alves VA, da Silva MAP, Trasatti S, Boodts JFC, Oxygen evolution in acid solution on IrO2 - TiO2 ceramic films A study by impedance, voltammetry and SEM, Electrochim Acta, 1997, 42(2), 271-281 40 Koătz R, Lewerenz HJ, Bruesch P, Stucki S, Oxygen evolution on Ru and Ir electrodes: XPS-studies, J Electroanal Chem, 1983, 150(1-2), 209-216 41 Savinell RF, Zeller III RL, Electrochemically active surface area, J Electrochem Soc, 1990, 137(2), 489-494 42 J J O Bockris, Kinetics of activation controlled consecutive electrochemical reactions - anodic evolution of oxygen, Journal of Chemical Physics, 1956, 24(4), 817-827 43 M Wohlfahrt-Mehrens and J Heitbaum, Oxygen evolution on Ru and RuO2 electrodes studied using isotope labellingand on-line mass spectrometry, J Electroanal Chem.Interfac Electrochem., 1987, 237(2), 251-260 111 44 J Rossmeisl, Z.W Qu, H Zhu, G.J Kroes and J.K Norskov, Electrolysis of water on oxide surfaces, J Electroanal.Chem., 2007, 607(1-2), 83-89 45 Y.H Fang and Z.P Liu, Mechanism and tafel lines of electro-oxidation of water to oxygen on RuO2 (110), J Am Chem Soc., 132(51), 2010, 1821418222 46 S Trasatti, Electrocatalysis in the anodic evolution of oxygen and chlorine, Electrochim Acta, 1984, 29, 1503–1512 47 Galizzioli D, Tantardi F, Trasatti S Ruthenium dioxide - new electrode material behavior in acid solutions of inert electrolytes, Journal of Applied Electrochemistry 1974, 4(1), 57-67 48 Trasatti S, Buzzanca G, Ruthenium dioxide–new interesting electrode material solid state structure and electrochemical behaviou, Journal of Electroanalytical Chemistry 1971, 29(2):A1 49 Koătz R, Stucki S, Stabilization of RuO2 by IrO2 for anodic oxygen evolution in acid-media, Electrochimica Acta, 1986, 31(10), 1311-1316 50 F I Mattos-Costa, P de Lima-Neto, S A S Machado, and L A Avaca, Characterisation of surfaces modified by sol-gel derived RuxIr1−xO2 coatings for oxygen evolution in acid medium, Electrochimica Acta, 1998, 44, 15151523 51 T.C Wen and C.C Hu, Hydrogen and oxygen evoluion on Ru-Ir binary oxides, J Electroanal Chem., 1992, 138, 2158-2162 52 A Marshall el al., Electrochemical characterisation of IrxSn1−xO2 powders as oxygen evolution electrocatalysts, Electrochimica Acta, 2006, 51, 3161-3168 53 Jinbin Cheng, Huamin Zhang, Haipeng Ma, Hexiang Zhong, Yi Zou, Preparation of Ir0.4Ru0.6MoxOy for oxygen evolution by modified Adams’ fusion method, International journal of hydrogen energy, 2009, 34, 6609-6613 54 Kauranen P, Puhakka E, Report on modeling of IrRuMOx catalysts completed Technical report New Energy World JTI, 2012 55 Hideaki Kita, Shen Ye, Akiko Aramata, and Nagakazu Furuya, Adsorption of hydrogen on platinum single crystal electrodes in acid andalkali solutions, Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry, 1990, 295(1-2), 317-331 56 B E Conway and G Jerkiewic, Relation of energies and coverages ofunderpotential and overpotential deposited h at pt and other metals tothe volcano curve’ for cathodic H2 evolution kinetics, Electrochimica Acta, 2000, 45(25-26), 4075 - 4083 57 Trasatti, S., Work function, electronegativity, and electrochemical behaviour of metals: III Electrolytic hydrogen evolution in acid solutions, Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry, 1972, 39(1), 163-184 112 58 Hinnemann B, Moses PG, Bonde J, Jorgensen KP, Nielsen JH, Horch S, Biornimetic hydrogen evolution: MoS2 nanoparticles as catalyst for hydrogen evolution, Journal of the American Chemical Society, 2005, 127(15), 53085309 59 Li YG, Wang HL, Xie LM, Liang YY, Hong GS, Dai HJ, MoS2 nanoparticles grown on graphene: an advanced catalyst forthe hydrogen evolution reaction, Journal of the American Chemical Society, 2011, 133(19), 7296-7299 60 Phuruangrat A, Ham DJ, Thongtem S, Lee JS, Electrochemical hydrogen evolution over MoO3 nanowiresproduced by microwave-assisted hydrothermal reaction, Electrochemistry Communications, 2009, 11(9), 1740-1743 61 Selvan RK, Gedanken A, The sonochemical synthesis andcharacterization of Cu(1-x)Ni(x)WO4 nanoparticles/nanorodsand their application inelectrocatalytic hydrogen evolution, Nanotechnology, 2009, 20(10), 17-20 62 Alayoglu S, Nilekar AU, Mavrikakis M, Eichhorn B, Ru-Pt coreshell nanoparticles for preferential oxidation of carbon monoxide in hydrogen, Nature Materials, 2008, 7(4), 333-338 63 Jinbin Cheng, Huamin Zhang, Haipeng Ma, Hexiang Zhong, Yi Zou, Study of carbon-supported IrO2 and RuO2 for use in the hydrogen evolution reaction in a solid polymer electrolyte electrolyzer, Electrochimica Acta, 2010, 55, 1855-1861 64 Zheng HT, Mathe M, Hydrogen evolution reaction on singlecrystal WO3/C nanoparticles supported on carbon in acidand alkaline solutio, International Journal of HydrogenEnergy, 2011, 36(3), 1960-1964 65 Raoof JB, Ojani R, Esfeden SA, Nadimi SR, Fabrication of bimetalli Cu/Pt nanoparticles modified glassy carbon electrode and its catalytic activity toward hydrogen evolution reaction, International Journal of Hydrogen Energ, 2010, 35(9), 3937-3944 66 Grigoriev SA, Millet P, Fateev VN, Evaluation of carbonsupported Pt and Pd nanoparticles for the hydrogenevolution reaction in PEM water electrolyser,Journal of Power Sources, 2008, 177(2), 281-285 67 Adams, R and R.L Shriner, Platinum Oxide as a catalyst in the reduction of of organic compounds- Preparation and Properties of the oxide of Platinum obtained by the fusion of chloroplatinic acid with sodium nitrate, Journal of the American Chemical Society, 1923, 45(9), 2171-2179 68 Mamaca, N., E Mayousse, S Arrii-Clacens, T.W Napporn, K Servat, N Guillet, and K.B Kokoh, Electrochemical activity of ruthenium and iridium based catalysts for oxygen evolution reaction, Applied Catalysis B: Environmental, 2011, 111, 376-380 69 Wu, X., J Tayal, S Basu, and K Scott, Nano-crystalline RuxSn1-xO2 powder catalysts for oxygen evolution reaction in proton exchange membrane water 113 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 electrolysers, International Journal of Hydrogen Energy, 2011, 36(22), 47964804 Roginskaya, Y.E and O.V Morozova, The role of hydrated oxides in formation and structure of DSA-type oxide electrocatalysts, Electrochimica Acta, 1995, 40(7), 817-822 Song, S., H Zhang, X Ma, Z Shao, R.T Baker, and B Yi, Electrochemical investigation of electrocatalysts for the oxygen evolution reaction in PEM water electrolyzer, International Journal of Hydrogen Energy, 2008, 33(19), 4955-4961 Hutchings, R., K Müller, R Kötz, and S Stucki, A structural investigation of stabilized oxygen evolution catalysts, Journal of Materials Science, 1984, 19(12), 3987-3994 Huy Du Nguyen, T Thuy Luyen Nguyen, Khac Manh Nguyen, Thuc Huy Ha and Quoc Hien Nguyen, Preparation of the vulcan XC-72R-supported Pt nanoparticles for the hydrogen evolution reaction in PEM water electrolysers, Adv Nat Sci.: Nanosci Nanotechnol 6, 2015, 025012 (6pp) Linh N Nguyen, Ung Thi Dieu Thuy, Quang Duc Truong, Itaru Honma, Quang Liem Nguyen, and Phong D Tran, Electrodeposited Amorphous Tungsten-doped Cobalt Oxide as an Efficient Catalyst for the Oxygen Evolution Reaction Chemistry, Chem Asian J., 2018, 13(12), DOI: 10.1002/asia.201800401, 2018 Tien D Tran, Mai T T Nguyen, Hoang V Le, Duc N Nguyen, Quang Duc Truong and Phong D Tran, Gold nanoparticles as an outstanding catalyst for the hydrogen evolution reaction, Chemical Communications, 2018 (54), 33633366 Phong D Tran, Thu V Tran, Maylis Orio, Stephane Torelli, Quang Duc Truong, Keiichiro Nayuki, Yoshikazu Sasaki, Sing Yang Chiam, Ren Yi, Itaru Honma, James Barber, Vincent Artero, Coordination polymer structure and revisited hydrogen evolution catalytic mechanism for amorphous molybdenum sulfide, Nature Materials, 2016, 15, 640-646 Phạm Luận, Các phương pháp phân tích quang phổ nguyên tử, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia, , 2001, Hà Nội Trương Ngọc Liên, Điện hóa lý thuyết, NXB Khoa học Kỹ thuật, 1999, Hà Nội Trịnh Xuân Sén, Điện hóa học, NXB Đại học Quốc gia Hà Nội, 2004, Hà Nội D Pletcher, R Greef, R Peat, L Peter, and J Robinson, Instrumental Methods in Electrochemistry, chapter A.C techniques, Horwood Publishing, 2001, 251-282 Trasatti, S and G Lodi, Electrodes of conductive metallic oxides, Part B 1980, Elsevier scientific publishing company, Amsterdam 114 82 Da Rodríguez, J.M., J.A Herrera Melián, and J Pérez Peña, Determination of the Real Surface Area of Pt Electrodes by Hydrogen Adsorption Using Cyclic Voltammetry, Journal of Chemical Education, 2000, 77(9), 1195-1202 83 Nicholson, R.S., Theory and Application of Cyclic Voltammetry for Measurement of Electrode Reaction Kinetics, Analytical Chemistry, 1965, 37(11), 1351-1355 84 Bott, A.W., Practical problem in voltammetry-2.Electrode capacitance, Current seperations, 1993, 12(1), 10-13 85 Pozio, A., M De Francesco, A Cemmi, F Cardellini, and L Giorgi, Comparison of high surface Pt/C catalysts by cyclic voltammetry, Journal of Power Sources, 2002, 105(1), 13-19 86 Ioroi, T., N Kitazawa, K Yasuda, Y Yamamoto, and H Takenaka, Iridium Oxide/Platinum Electrocatalysts for Unitized Regenerative Polymer Electrolyte Fuel Cells, Journal of The Electrochemical Society, 2000, 147(6), 2018-2022 87 S Siracusano, N Van Dijk, E Payne-Johnson, V Baglio, A.S Aricò, Nanosized IrOx and IrRuOx electrocatalysts for the O2 evolution reaction in PEM water electrolysers, Applied Catalysis B: Environmental, 2015, 164, 488-495 88 Nguyen, T.D., Scherer, G.G & Xu, Z.J, A Facile Synthesis of SizeControllable IrO2 and RuO2 Nanoparticles for the Oxygen Evolution Reaction, Electrocatalysis, 2016, 7, 408-420 89 Jinbin Cheng, Huamin Zhang, Guobao Chen, Yining Zhang , Study of IrxRu1xO2 oxides as anodic electrocatalysts for solid polymer electrolyte water electrolysis, Electrochimica Acta, 2009, 54, 6250-6256 90 C.P De Pauli and S Trasatti,Composite materials for electrocatalysis of O2 evolution: IrO2+SnO2 in acid solution, J Elect Chemi , 2002, 538-539 91 S Trasatti, Electrochemical Hydrogen technologies, chapter The oxygen evolution reaction, Elsevier, 1990, 104-135, Amsterdam 92 Marshall, A., B Børresen, G Hagen, S Sunde, M Tsypkin, and R Tunold, Iridium oxide-based nanocrystalline particles as oxygen evolution electrocatalysts, Russian Journal of Electrochemistry, 2006, 42(10), 11341140 93 E Mayousse, F Maillard, F Fouda-Onana, O Sicardy, N Guillet, Synthesis and characterization of electrocatalysts for the oxygen evolution in PEM water electrolysis, International Journal of Hydrogen Energy, 2011, 36(22), 10474-10481 94 Thomas Audichon, Eric Mayousse, Sophie Morisset, Claudia Morais, Clement Comminges, Teko W Napporn, K Boniface Kokoh, Electroactivity of RuO2IrO2 mixed nanocatalysts toward the oxygen evolution reaction in a 115 95 96 97 98 99 100 101 water electrolyzer supplied by a solar profile, International Journal of Hydrogen Energy, 2014, 167(22), 16785-16796 S Ardizzone, G Fregonara, S Trasatti, Inner and outer active surface of RuO2 electrodes, Electrochim Acta, 1990, 35, 263-267 Farhad Moradi, Changiz Dehghanian, Addition of IrO2 to RuO2+TiO2 coated anodes and its effect on electrochemical performance of anodes in acid media, Progress in Natural Science: Materials International, 2014, 134-14 J Aromaa, O Forsén, Evaluation of the electrochemical activity of a Ti– RuO2–TiO2 permanent anode, Electrochim Acta, 2006, 51, 6104- 6110 Junyuan Xu, Gaoyang Liu, Jianling Li, Xindong Wang, The electrocatalytic properties of an IrO2/SnO2 catalyst using SnO2 as a support and an assisting reagent for the oxygen evolution reaction, Electrochimica Acta, 2012, 59, 105–112 J.L Corona-Guinto et al., Performance of a PEM electrolyzer using RuIrCoOx electrocatalysts for the oxygen evolution electrode, International Journal of Hydrogen Energy, 2013, 38, 12667-12673 J C Cruz, V Baglio, S Siracusano, R Ornelas,L Ortiz-Frade, L G Arriaga, V Antonucci,A S Arico, Nanosized IrO2 electrocatalysts for oxygen evolution reaction in an SPE electrolyzer, J Nanopart Res , 2013,13,16391646 Vinod Kumar Puthiyapura , Sivakumar Pasupathi,Suddhasatwa Basu, Xu Wu, Huaneng Su, N Varagunapandiyan,Bruno Pollet, Keith Scott, RuxNb1-xO2 catalyst for the oxygen evolution reaction in proton exchange membrane water electrolysers, International Journal of Hydrogen Energy, 2013, 38, 8605-8616 102 F Andolfatto, R Durand, A Michas, P Millet, P Stevens, Solid polymer electrolyte water electrolysis: electrocatalysis and long-term stability, J Hydrogen Energy, 19, 1994, 421-427 103 Thomas Audichon, Teko W Napporn, Christine Canaff, Claudia Morais, Cle ́ ment Comminges, ́and K Boniface Koko, IrO2 Coated on RuO2 as Efficient and Stable Electroactive Nanocatalysts for Electrochemical Water Splitting, The Journal of Physical Chemistry, 2016, 120(5), 2562-2573 ... VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Phạm Hồng Hạnh NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC ĐIỆN HĨA TRÊN CƠ SỞ IrO2 CHO PHẢN ỨNG THỐT... TÁC ĐIỆN HĨA TRÊN CƠ SỞ IrO2 CHO PHẢN ỨNG THỐT ƠXY ÁP DỤNG TRONG THIẾT BỊ ĐIỆN PHÂN NƯỚC SỬ DỤNG MÀNG TRAO ĐỔI PROTON Chuyên ngành: Hóa lý thuyết Hóa lý Mã sỗ: 9.44.01.19 LUẬN ÁN TIẾN SĨ HĨA HỌC... Chế tạo lưu trữ hydro 1.3 Giới thiệu phương pháp sản xuất hydro bằng điện phân nước 1.3.1 Điện phân dung dịch kiềm 10 1.3.2 Điện phân nước 11 1.3.3 Điện phân nước