Đang tải... (xem toàn văn)
Báo cáo nghiên cứu khoa học: Chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa nano PT/C ứng dụng cho pin nhiên liệu metanol trực tiếp trình bày các nội dung sau: Tổng quan về pin nhiên liệu và xúc tác điện cực trong pin nhiên liệu metanol trực tiếp, thực nghiệm, kết quả,...Mời các bạn cùng tham khảo!
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 HĨA NANO Pt/C ỨNG DỤNG CHO PIN NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP VŨ MINH HÀO BIÊN HỊA, 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 HĨA 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 hiện : VŨ MINH HÀO BIÊN HÒA, THÁNG 12/2012 i LỜI CÁM ƠN Ca dao Việt Nam vẫn có câu để nhắn nhủ những người trẻ xã hội:“Cơng cha, nghĩa mẹ ơn thầy, nghĩ sao cho bõ những ngày ước ao”. Đó tuy chỉ là một câu thật ngắn gọn nhưng lại chứa đựng tồn bộ truyền thống tốt đẹp của dân tộc ta. Hơm nay, tơi cũng xin mượn nó để nói lên tâm tình biết ơn đối với bậc sinh thành cũng như q thầy cơ là những người đã giúp đỡ tơi hồn tất tốt luận văn tốt nghiệp này Đầu tiên, tơi xin gửi lời biết ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Thị Phương Phong, người đã trực tiếp hướng dẫn tơi trong tồn bộ q trình thực hiện đề này. Tơi vơ cùng cảm kích vì sự giúp đỡ rất tận tâm của cơ. Mặc dù, trong cương vị PGS.TS và cơng việc giảng viên bận rộn với trăm cơng ngàn việc nhưng cơ vẫn dành thời gian để sửa bài và góp ý một cách chân thành cho đề tài của tơi Tơi cũng xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến q thầy cơ, anh chị trong khoa hóa lý trường ĐHKHTN, Tp.HCM đã tận tình hướng dẫn trong q trình tơi thí nghiệm ở đây. Cách riêng cho anh Ngơ Thanh Liêm, người ln đồng hành trong những bước đi chập chững và suốt cả thời gian tham gia nghiên cứu của tơi. Đối với các thầy cơ trong khoa hóa trường ĐH Lạc Hồng, tơi khơng biết lấy gì để nói lên lời cám ơn trước những điều kiện vơ cùng thuận lợi, mà các thầy cơ đã dành cho để q trình nghiên cứu của tơi được diễn ra và kết thúc thật tốt đẹp Tơi cũng xin gửi lời cám ơn đến các cơ sở, phòng thí nghiệm đã cho tơi được làm việc ở tại những nơi đây Lời biết ơn cuối cùng, con xin gửi đến cha mẹ là những người đã sinh thành và vất vả bao ngày tháng qua để con có được kết quả như ngày hơm nay. Sau cùng, tơi xin cảm ơn vì tất cả, thiết nghĩ rằng sẽ khó mà đáp trả lại tất cả ii những ân tình ấy. Song ước mong mọi người sẽ đón nhận nó như lời cảm tạ chân thành nhất từ chính bản thân tơi MỤC LỤC Sinh viên thực hiện : VŨ MINH HÀO ii LỜI CÁM ƠN .i MỤC LỤC ii DANH MỤC BẢNG BIỂU iv PHẦN MỞ ĐẦU LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU VÀ XÚC TÁC ĐIỆN CỰC TRONG PIN NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP .5 CHƯƠNG 2 .1 CHƯƠNG 3 .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 thế vòng tuần hồn (Cyclic voltammetry) Eb Thế oxy hóa cực đại trên đường qt về (V) Ef Thế oxy hóa cực đại trên đường qt tới (V) ipa Mật độ dòng của mũi trên đường qt tới tính theo diện tích điện cực (mA/cm2) ipc Mật độ dòng của mũi trên đường qt về tính theo diện tích điện cực (mA/cm2) iii i’pa Mật độ dòng của mũi trên đường qt tới tính theo khối lượng Platin trên điện cực (mA/mmPt) i’pc Mật độ dòng của mũi trên đường qt về tính theo khối lượng Platin trên điện cực (mA/mmPt) Pt/C Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin trên Carbon Pt/VulcanXC72R Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin trên Carbon Vulcan XC72R Pt/VC2511 Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin trên Carbon Vulcan XC72R khơng xử lý với hàm lượng Platin là 25% và mơi trường pH=11 Pt/VCXL2511 Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin trên Carbon Vulcan XC72R xử lý trong HNO3 với hàm lượng Platin là 25% và mơi trường pH=11 SEM Kính hiển vi điện tử qt (Scaning electron microscopy) TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission electron microscopy) XRD Nhiễu xạ tiaX (XRay diffaction) iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Số liệu để pha dung dịch HNO3 với nồng độ khác nhau 24 Bảng 3.1: Hoạt tính của vật liệu nanocomposit Pt/VulcanXC72R xử lý và khơng xử lý trong dung dịch HNO3 với những nồng độ khác nhau 36 Bảng 3.2: Hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposit Pt/Vulcan XC72R đã xử lý và khơng xử lý trong những khoảng thời gian khác nhau 39 Bảng 3.3 Hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposit Pt/VC với sự thay đổi thành phần khối lượng của tiền chất H2PtCl6.6H2O 40 Bảng 3.4: Hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposit Pt/VC với mơi trường pH khác nhau .42 Bảng 3.5: Hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposit Pt/VCXL25 trong mơi trường pH=11 với sự thay đổi hàm lượng của tiền chất H2PtCl6.6H2O .46 Bảng 3.6: Hoạt tính xúc tác của nanocomposit Pt/VCXL25 trong những mơi trường pH khác nhau .48 Bảng 3.7: Kết quả đo diện tích bề mặt của vật liệu nanocomposit Pt/VulcanXC 72R đã xử lý và khơng xử lý 53 v DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ một pin nhiên liệu Hình 1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc pin nhiên liệu Hình 1.3 Sơ đồ một hệ thống pin nhiên liệu Hình 1.4 Hiệu suất của pin nhiên liệu so với một số thiết bị tạo ra điện khác 12 Hình 2.1 Bể siêu âm 23 Hình 2.2 Mấy khuấy từ IKA RET controlvis và pipet BIOHIT Proline 23 Hình 2.3 Lò vi sóng SANYO 20L EMS2182W 24 Hình 2.4 Máy ly tâm UNIVERSAL 32R HETTICH ZENTRIFUGEN 24 Hình 2.5 Quy trình chế tạo vật liệu nano Pt/C bằng 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 XRDD8 ADVANCE .29 Hình 2.9 Hệ thống kính hiển vi điện tử qt phát xạ trường FESEM JSM 30 Hình 2.10 Hệ thống kính hiển vi điện tử truyền qua,TEM JEM1400 Nhật .31 Hình 2.11 Đồ thị qt thế vòng tuần hồn 32 Hình 2.12 Máy AutolabPGSTAT302N .33 Hình 2.13 Các loại điện cực 33 Hình 2.14 Hệ thống ba điện cực 34 Hình 2.15 Đường cong CV của vật liệu nanocomposite Pt/Vulcan XC72R .34 Hình 3.1 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/Vulcan XC72R xử lý và khơng xử lý trong dung dịch HNO3 với những nồng độ khác nhau 37 Hình 3.2 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/Vulcan XC72R đã xử lý và khơng xử lý trong những khoảng thời gian khác nhau 39 Hình 3.3 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC với thành phần tiền chất H2PtCl6.6H2O khác nhau 40 vi Hình 3.4 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC trong những mơi trường pH khác nhau .42 Hình 3.5 Cơ chế q trình oxy hóa EG trong điều chế nano Platin 42 Hình 3.6 Phản ứng loại proton tạo thành anion Glycolate của axit Glycolic .43 Hình 3.7 Ảnh chụp TEM và biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Platin trên vật liệu nanocomposit Pt/VC2511 44 Hình 3.8 Ảnh chụp TEM và biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Platin trên vật liệu nanocomposit Pt/VC256,5 44 Hình 3.9 Giản đồ nền CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VCXL với hàm lượng Platin khác nhau 45 Hình 3.10 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VCXC với hàm lượng Platin khác nhau 47 Hình 3.11 Giản đồ nền CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VCXL25 với môi trường pH khác nhau .47 Hình 3.12 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VCXL25 với mơi trường pH khác nhau .48 Hình 3.13 Ảnh chụp TEM và biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Platin trên vật liệu nanocomposit Pt/VCXL2511 .49 Hình 3.14 Ảnh chụp TEM và biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Platin trên vật liệu nanocomposit Pt/VCXL256,5 50 Hình 3.15 Kết quả chụp XRD của Vulcan XC72R xử lý và khơng xử lý 51 Hình 3.16 Phổ đồ XRD của nanocomposit Pt/VC2511 51 Hình 3.17 Gian đồ XRD của nanocomposit Pt/VCXL2511 52 Hình 3.18 Ảnh FE SEM của nanocomposit Pt/VCXL2511 53 Hình 3.19 Giản đồ đo nền của hai loại carbon Vulcan XC72R 54 Hình 3.20 (1) Giản đồ đo nền và (2) giản đồ CV của hai loại vật liệu xúc tác điện hóa nanocmposit Pt/Vulcan XC72R .54 PHẦN MỞ ĐẦU 51 Hình 3.12: Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VCXL25 với mơi trường pH khác nhau. (1) Mật độ dòng trên diện tích điện cực (mA/cm2), (2) Mật độ dòng trên khối lượng Pt trên điện cực (mA/mgPt). Trong giản đồ đo nền ta có thể dự đốn được ở ba mơi trường pH=9,5; 10,5; 11 sẽ có hoạt tính xúc tác điện hóa cao nhất thì giản đồ CV này có thể giúp ta khẳng định được trong mơi trường nào là tối ưu. Trong hình 3.12 khi ta thay đổi pH thì mật độ dòng qt thay đổi. Nó biểu trưng cho khả năng oxy hóa metanol với mật độ dòng qt thay đổi từ ipa=9,54mA/cm2 (pH=11,3) thấp nhất, ipa= 11,38mA/cm2 (pH=6,5), ipa=14,08mA/cm2 (pH=9,5), ipa=14,50mA/cm2 (pH=10,5) và cao nhất ipa=16,13mA/cm2 (pH=11,0). Ngun nhân là do việc thay đổi mơi trường từ axit (pH=6,5) sang bazơ (pH=11,0) hay mơi trường kiềm tạo điều kiện cho việc phát triển ion glucolat là tác nhân chính dẫn đến việc ổn định kích thước hạt platin. Một nghịch lý đã xảy ra khi tăng pH=11,3 theo đúng ngun lý thì hoạt tính phải tăng nhưng hoạt tính của vật liệu nanocomposit lại giảm đáng kể. Kết quả này thì phù hợp với kết quả cơng trình nghiên cứu của nhóm tác giả Du, H.Y (2008) và được giải thích do sự kết tinh muối NaCl. Nó ảnh hưởng đến hình thái và kích thước của hạt nano platin trong q trình tăng pH từ 11,0 lên 11,3. Thế nên, đối với loại carbon Vulcan XC72R xử lý thì pH=11,0 được xem như là tốt nhất 3.3.3 Kết quả phân tích ảnh TEM (Transmission electron microscopy) Ảnh TEM của hai loại vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Pt/Vulcan XC72R trong mơi trường khác nhau được trình bày trong các hình 3.13 và 3.14: 52 Hình 3.13 Ảnh TEM (thang đo 20nm) và biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Platin trên vật liệu nanocomposit Pt/VCXL2511 Hình 3.14 Ảnh TEM (thang đo 20nm) và biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Platin trên vật liệu nanocomposit Pt/VCXL256,5 Như đã xác định trong giản đồ 3.12 thì vật liệu chế tạo ở pH=11,0 sẽ có hoạt tính xúc tác tốt hơn trong mơi trường pH=6,5 vì có kích cỡ hạt nano platin nhỏ hơn và hiển thị trên ảnh TEM cũng phù hợp với kết quả ta đã nhận xét trên giản đồ CV. Kết quả đã chứng minh là ở pH=11,0 thì kích thước hạt nano platin trung bình là 3,4nm (Hình 3.13) và 3,5nm đối với pH=6,5 (Hình 3.14). Nếu như ta so sánh kết quả này với chất mang carbon Vulcan khơng xử lý thì carbon Vulcan ... 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 HĨA NANO Pt/C ỨNG DỤNG CHO PIN NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG PHONG... CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU VÀ XÚC TÁC ĐIỆN CỰC TRONG PIN NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP 1.1 Tổng quan về pin nhiên liệu 1.1.1 Khái niệm về pin nhiên liệu Pin nhiên liệu là một hệ thống dùng để biến đổi trực tiếp hóa năng thành... lên hàng đầu và quan tâm hơn cả. Chất xúc tác đã được nghiên cứu và phổ biến nhất là 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 sẽ góp phần trong