Nghiên cứu chế tạo, tính chất điện hóa và định hướng ứng dụng của lớp mạ điện hóa niken trên nền các chất dẫn điện khác nhau

ĐẠI HỌC HỌC QUỐC QUỐC GIA GIA HÀ HÀ NỘI NỘI ĐẠI TRƢỜNG ĐẠI ĐẠI HỌC HỌC KHOA KHOA HỌC HỌC TỰ TỰ NHIÊN NHIÊN TRƢỜNG - Phạm Thị Thị Hà Hà Phạm NGHIÊN CỨU CỨU CHẾ CHẾ TẠO, TẠO, TÍNH TÍNH CHẤT CHẤT ĐIỆN ĐIỆN HĨA HÓA VÀ VÀ NGHIÊN ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG CỦA LỚP ĐIỆN HÓA NIKEN ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG CỦA LỚP MẠMẠ ĐIỆN HÓA NIKEN TRÊN TRÊN NỀN CÁC CHẤT DẪN ĐIỆN KHÁC NHAU NỀN CÁC CHẤT DẪN ĐIỆN KHÁC NHAU LUẬN VĂN VĂN THẠC THẠC SĨ SĨ KHOA KHOA HỌC HỌC LUẬN Hà Nội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Phạm Thị Hà NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT ĐIỆN HĨA VÀ ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG CỦA LỚP ĐIỆN HÓA NIKEN ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG CỦA LỚP MẠMẠ ĐIỆN HÓA NIKEN TRÊN TRÊN NỀN CÁC CHẤT DẪN ĐIỆN KHÁC NHAU NỀN CÁC CHẤT DẪN ĐIỆN KHÁC NHAU Chuyên ngành: Hóa thuyết hóa Chuyên ngành: Hóa lý lý thuyết vàvà hóa lý lý 60440119 MãMã số:số: 60440119 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Thị Cẩm PGS.TS Nguyễn Thị Cẩm HàHà TS Ninh Đức TS Ninh Đức HàHà Hà Nội - 2014 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập, nghiên cứu làm việc phịng thí nghiệm Điện hóa, mơn Hóa lý, khoa Hóa học, trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội, tơi hồn thành luận văn thạc sĩ khoa học Em xin bày tỏ lịng kính trọng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Thị Cẩm Hà TS Ninh Đức Hà, người trực tiếp giao đề tài tận tình hướng dẫn dạy bảo, giúp đỡ em hồn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn thầy mơn Hóa lý tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho em suốt trình làm luận văn Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn tới tất anh chị em bạn phịng Điện hóa giúp đỡ tơi nhiều suốt thời gian thực luận văn Luận văn hoàn thành với hỗ trợ phần kinh phí từ đề tài QG 13-09 Hà Nội, ngày tháng Phạm Thị Hà năm 2013 MỤC LỤC Danh mục hình Danh mục bảng MỞ ĐẦU Chƣơng – TỔNG QUAN .2 1.1 Ứng dụng Niken cơng nghệ điện hóa 1.1.1 Ứng dụng công nghệ mạ điện 1.1.2 Ứng dụng công nghệ chế tạo nguồn điện 1.1.3 Ứng dụng q trình oxi hóa hợp chất hữu 1.2 Các phương pháp chế tạo màng mỏng kim loại 1.2.1 Phương pháp phún xạ 1.2.2 Phương pháp lắng đọng hóa học (CVD) .6 1.2.3 Phương pháp lắng đọng hóa học cải tiến(CCVD) .7 1.3 Phương pháp mạ điện chế tạo màng mỏng Niken .8 1.3.1 Phương pháp mạ điện chế tạo màng mỏng Niken .8 1.3.2 Mạ composite 11 1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến lớp mạ 11 1.4 Một số yếu tố ảnh hưởng đến tính chất điện hóa điện cực màng Niken môi trường kiềm 14 1.4.1 Cấu trúc tinh thể .14 1.4.2 Khuyết tật cấu trúc 18 1.4.3 Chất phụ gia .19 1.4.4 Hàm lượng nước thành phần 20 1.4.5 Kích thước hạt 20 1.5 Các phương pháp xử lý môi trường 21 1.5.1 Phương pháp xử lý sinh học .21 1.5.2 Phương pháp xử lý lý học 22 1.5.3 Phương pháp xử lý hóa học .22 1.6 Xử lý môi trường phương pháp điện hóa .21 1.6.1 Xử lý môi trường phương pháp điện hóa 23 1.6.2 Khả xúc tác điện hóa xử lý mơi trường điện cực màng Niken 24 Chƣơng – THỰC NGHIỆM 26 2.1.Hóa chất thiết bị 26 2.2 Các phương pháp nghiên cứu 28 2.2.1 Phương pháp dịng-thế tuần hồn (cyclic voltammetry –CV) .28 2.2.2 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (Scaning electron Microscopy) .30 2.2.3 Phương pháp tán xạ lượng tia X ( Energy–dispersive X-ray spectroscopy EDX hay EDS 31 2.2.4 Phương pháp nhiễu xạ Rơnghen (X-ray diffraction) .32 Chƣơng – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35 3.1 Nghiên cứu chế tạo màng Ni chất dẫn điện đồng graphit 35 3.2 Tính chất điện hóa vật liệu chế tạo môi trường kiềm .41 3.2.1 Khảo sát khả xúc tác điện hóa cho q trình oxi hóa etanol 41 3.2.2 Khảo sát khả xúc tác điện hóa cho q trình oxi hóa phenol 44 3.2.3 So sánh khả xúc tác điện hóa mơi trường kiềm lớp màng Ni(Cu) Ni(C) 46 3.3 Nghiên cứu chế tạo màng Ni - Co graphit 47 3.3.1 Chế tạo lớp màng Ni-Co(C) .47 3.3.2 Khảo sát khả xúc tác điện hóa cho q trình oxi hóa phenol mơi trường kiềm .50 3.4 Nghiên cứu chế tạo màng Ni có pha tạp oxit kim loại graphit 52 3.4.1 Chế tạo màng Ni có pha tạp oxit kim loại graphit 52 3.4.2 Khảo sát khả xúc tác điện hóa cho q trình oxi hóa phenol mơi trường kiềm .55 3.5 Đánh giá khả xúc tác điện hóa cho q trình oxi hóa phenol lớp màng Ni chế tạo môi trường kiềm 57 3.6 Ảnh hưởng hàm lượng CeO2 đến tính chất điện hóa lớp màng Ni-CeO2 chất dẫn điện graphit môi trường kiềm 59 KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Phương pháp phún xạ: a) Cơ chế phún xạ va chạm; b) Phân bố điện phún xạ cao áp chiều; c) Quá trình trao đổi điện tích vỏ catốt plasma Hình 1.2 Sơ đồ điện phân Hình 1.3 Mơ hình trật tự xếp lớp mạng tinh thể Ni(OH)2 Hình 1.4 Khuyết tật cấu trúc Hình 2.1 Đường phân cực vịng Hình 2.2 Sơ đồ ngun lý kính hiển vi điện tử quét Hình 2.3 Nguyên lý cấu tạo thiết bị nhận giản đồ Rơnghen Hình 3.1 Ảnh SEM điện cực : (a) Nền Cu; (b) Điện cực Ni(Cu); (c) Nền graphit ; (d) Điện cực Ni(C) Hình 3.2 Đường phân cực vòng điện cực đồng (a) điện cực graphit (b) môi trường KOH 2M Hình 3.3 Đường phân cực vịng điện cực Ni(Cu)(a) Ni(C) (b) mạ thời gian khác môi trường KOH 2M: (1) 20phút (2) 30phút ; (3) 40phút ;(4) 50phút Hình 3.4 Đường phân cực vòng điện cực Ni(Cu) (a) Ni(C)(b) chế tạo tốc độ khuấy khác môi trường KOH 2M: (1) 100v/ph ;(2) 200v/ph; (3) 300v/ph Hình 3.5 Đường phân cực vịng điện cực Ni(Cu)(a) Ni(C) (b) chế tạo mật độ dịng khác mơi trường KOH 2M : (1) mA/cm2 ;(2) 7,5 mA/cm2 ; (3) 10 mA/cm2 ; (4) 12,5 mA/cm2 Hình 3.6 Đường phân cực vịng điện cực Ni(Cu) mơi trường KOH 2M có khơng có C2H5OH 0,2M:(1) KOH 2M;(2) KOH 2M + C2H5OH 0,2M Hình 3.7 Đường phân cực vịng điện cực Ni(C) mơi trường KOH 2M có khơng có C2H5OH 0,2M:(1) KOH 2M;(2) KOH 2M + C2H5OH 0,2M Hình 3.8 Đường phân cực vịng điện cực Ni(Cu) mơi trường KOH 2M có khơng có C6H5OH 0,5M (1) KOH 2M; (2) KOH 2M + C6H5OH 0,5M Hình 3.9 Đường phân cực vịng điện cực Ni(C) mơi trường KOH 2M có khơng có C6H5OH 0,5M: (1) KOH 2M; (2) KOH 2M + C6H5OH 0,5M Hình 3.10 Đường phân cực vịng điện cực đo môi trường KOH 2M + C2H5OH 0,2M: (1) Điện cực Ni(Cu); (2) Điện cực Ni(C) Hình 3.11 Đường phân cực vịng điện cực đo mơi trường KOH 2M + C6H5OH 0,5M: (1) Điện cực Ni(Cu); (2) Điện cực Ni(C) Hình 3.12 Giản đồ nhiễu xạ tia X mẫu điện cực (a) Điện cực Ni(C) (b) Điện cực Ni – Co(C) Hình 3.13 Đường cong phân cực vịng điện cực đo mơi trường KOH 2M: (a) Ni(C) ; (b) Ni – Co(C) Hình 3.14 Đường phân cực vịng điện cực Ni - Co(C) mơi trường KOH 2M có khơng có C6H5OH 0,5M: (1) KOH 2M ; (2) KOH 2M + C6H5OH 0,5M Hình 3.15 Đường phân cực vịng điện cực đo môi trường KOH 2M + phenol 0,5M: (1) Điện cực Ni(C) ; (2) Điện cực Ni-Co(C) Hình 3.16 Ảnh SEM điện cực a) Nền graphit; b) Ni-Fe3O4(C) c) Ni-TiO2(C); d) Ni-CeO2(C) Hình 3.17 Phổ EDX mẫu điện cực Ni-Fe3O4(C) Hình 3.18 Phổ EDX mẫu điện cực Ni-TiO2(C) Hình 3.19 Phổ EDX mẫu điện cực Ni-CeO2(C) Hình 3.20 Đường phân cực vịng điện cực Ni-Fe3O4(C) tớp mạ theo kết phân tích EDX Lớp màng Ni Fe Ti Ce (% atomic) (% atomic) (% atomic) (% atomic) Ni-Fe3O4(C) 48,23 0,55 Ni-TiO2(C) 35,45 0,19 Ni-CeO2(C) 43,40 11,69 Từ kết kết luận điều chế vật liệu Ni pha tạp hạt Fe3O4 (Ni-Fe3O4(C)), hạt TiO2 (Ni-TiO2(C)), hạt CeO2(Ni-CeO2(C)) điện cực graphit 3.4.2 Khảo sát khả xúc tác điện hóa cho q trình oxi hóa phenol môi trường kiềm Để khảo sát khả xúc tác điện hóa cho q trình oxi hóa phenol vật liệu Ni-Fe3O4, Ni-TiO2, Ni-CeO2 điện cực graphit chế tạo được, chúng 55 tiến hành đo phân cực vòng điện cực với điều kiện đo lựa chọn môi trường KOH 2M có mặt C6H5OH 0,5M Kết đo đường phân cực vòng mẫu điện cực Ni-Fe3O4(C), NiTiO2(C), Ni-CeO2(C) trình bày hình 3.20, 3.21, 3.22 Hình 3.20 Đường phân cực vịng điện cực Ni-Fe3O4(C) mơi trường KOH 2M có khơng có C6H5OH 0,5M (1) KOH 2M (2) KOH 2M + C6H5OH 0,5M Hình 3.21 Đường phân cực vịng điện cực Ni-TiO2(C) mơi trường KOH 2M có khơng có C6H5OH 0,5M (1) KOH 2M (2) KOH 2M + C6H5OH 0,5M 56 Hình 3.22 Đường phân cực vịng điện cực Ni-CeO2(C) mơi trường KOH 2M có khơng có C6H5OH 0,5M (1) KOH 2M (2) KOH 2M + C6H5OH 0,5M Từ đường cong phân cực hình 3.20, 3.21, 3.22 nhận thấy có mặt phenol, điện cực Ni-Fe3O4(C), Ni-TiO2(C), Ni-CeO2(C) cho mật độ dòng pic anot cao so với khơng có phenol đồng thời oxi hóa dịch chuyển phía dương chứng tỏ điện cực chế tạo có khả xúc tác cho q trình oxi hóa phenol mơi trường kiềm 3.5 Đ nh gi khả xúc t c điện hóa cho qu trình oxi hóa pheno c c ớp màng Ni ch tạo đƣợc môi trƣờng kiềm Hình 3.23 thể đồng thời đường phân cực vòng vật liệu chế tạo đo mơi trường KOH 2M có mặt phenol 0,5M 57