nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite platingraphene oxit dạng khử bằng phương pháp khử hóa học để chế tạo catot trong pin mặt trời chất màu nhạy quang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - - LÊ TRẦN TRUNG NGHĨA NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU COMPOSITE PLATIN/GRAPHENE OXIT DẠNG KHỬ BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHỬ HÓA HỌC ĐỂ CHẾ TẠO CATOT TRONG PIN MẶT TRỜI CHẤT MÀU NHẠY QUANG (Synthesis of platinum/reduced graphene oxide composite materials by chemical reduction method for fabrication of cathodes in dye-sensitized solar cells) Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa Học Mã số: 60.52.03.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2020 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG - HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Phạm Trọng Liêm Châu……………………… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, chữ ký) Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Hiếu ……………………… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Thái Hoàng ……… ………………… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Tuấn Anh ……… ………………………… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM, ngày…… tháng…… năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Huỳnh Kỳ Phương Hạ – Chủ tịch PGS.TS Nguyễn Thái Hoàng – Ủy viên phản biện TS Nguyễn Tuấn Anh – Ủy viên phản biện TS Nguyễn Quốc Thiết – Ủy viên TS Đặng Bảo Trung – Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Lê Trần Trung Nghĩa MSHV: 1870152 Ngày, tháng, năm sinh: 08/09/1994 Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Nơi sinh: TP HCM Mã số: 1870152 I TÊN ĐỀ TÀI: Tên tiếng Việt: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite platin/graphene oxit dạng khử phương pháp khử hóa học để chế tạo catot pin mặt trời chất màu nhạy quang Tên tiếng Anh: Synthesis of platinum/reduced graphene oxide composite materials by chemical reduction method for fabrication of cathode in dye-sensitiezed solar cell II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 2.1 Tổng quan Pin lượng mặt trời, pin mặt trời chất màu nhạy quang, vật liệu graphite, graphite oxit, graphene oxit, graphene, graphene oxit dạng khử, vật liệu composite platin/graphene oxit dạng khử 2.2 Thực nghiệm - Tổng hợp vật liệu graphene oxit, graphene oxit dạng khử, vật liệu composite platin/graphene oxit dạng khử, hệ keo platin/graphene oxit dạng khử, keo graphene oxit dạng khử - Chế tạo điện cực catot ráp pin mặt trời chất màu nhạy quang - Khảo sát đặc tính điện hóa điện cực thử nghiệm hiệu làm việc pin - Khảo sát hình thái – cấu trúc – đặc tính vật liệu graphene oxit, graphene oxit dạng khử, composite platin/graphene oxit dạng khử thích hợp III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 08/2019 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 01/2020 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS PHẠM TRỌNG LIÊM CHÂU; PGS.TS NGUYỄN HỮU HIẾU TP HCM, ngày … tháng… năm 2019 TRƯỞNG PHÒNG PTN TĐ ĐHQG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TP.HCM-CNHH & DK (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC (Họ tên chữ ký) ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ba, Mẹ, bạn bè, người thân quan tâm, động viên, giúp đỡ điều kiện tốt cho tác giả suốt thời gian học tập thực luận văn Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Thầy TS Phạm Trọng Liêm Châu, Thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Hiếu, Thầy PGS.TS Nguyễn Thái Hoàng, Thầy ThS Nguyễn Cảnh Minh Thắng, người Thầy tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ suốt trình làm luận văn định hướng cho tác giả để có kết tốt Tác giả xin cảm ơn bạn: Lê Văn Cường, Nguyễn Đức Thịnh, Lê Tiến Phát, Nguyễn Thị Trà My, Hồ Hữu Đạt, Lê Khắc Hưng, anh Trần Minh Hiền dành thời gian quý báu để giúp tác giả q trình làm thí nghiệm, đưa lời khuyên kinh nghiệm hợp lý sửa lỗi q trình viết luận văn Bên cạnh đó, tác giả xin gửi lời tri ân đến quý Thầy Cô Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh, đặc biệt q Thầy Cơ Khoa Kỹ Thuật Hóa Học tận tâm dạy truyền đạt kiến kiến thức suốt thời gian học tập vừa qua Tác giả chân thành cảm ơn tập thể nghiên cứu viên, anh chị học viên cao học bạn sinh viên Phịng Thí Nghiệm Trọng Điểm Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh – Cơng Nghệ Hóa Học Dầu Khí (CEPP Lab), Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh Phịng Thí Nghiệm Trọng Điểm Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh – Hóa Lý Ứng Dụng (APC Lab), Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh tận tình giúp đỡ bảo kinh nghiệm tốt cho tác giả thực luận văn TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 Tác giả Lê Trần Trung Nghĩa iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong luận văn này, vật liệu composite platin/graphene oxit dạng khử (Pt/rGO) tổng hợp thành công từ tiền chất graphene oxit (graphene oxide – GO) axit chloroplatinic (H2PtCl6) GO tổng hợp từ graphite (Gi) phương pháp Hummers cải tiến Sau đó, H2PtCl6 phân tán với GO khử chất khử: vitamin C, hydrazine hydrate, natri bohidrua, glucose, natri citrate; với tỉ lệ chất khử bao gồm: 1:1, 5:1, 10:1, 15:1, 20:1 để tổng hợp vật liệu composite Pt/rGO rGO với tỉ lệ tiền chất GO:H2PtCl6 1:4, 2:3, 3:2, 4:1, 1:0 Các vật liệu Pt/rGO rGO sử dụng để chế tạo điện cực catot pin mặt trời chất màu nhạy quang (dye-sensitized solar cell – DSSC) phương pháp in lụa Bên cạnh đó, điện cực catot đối chứng chế tạo từ H2PtCl6 Các điện cực catot chế tạo điện cực anot từ keo TiO2 thương mại sử dụng để ráp pin DSSC Ảnh hưởng điều kiện tổng hợp vật liệu đến đặc tính điện hóa hiệu làm việc pin khảo sát phương pháp: đo qt vịng tuần hồn (cyclic voltammetry – CV), đo đường đặc trưng mật độ dịng – (J-V), phổ tổng trở điện hóa (electrochemical impedance spectroscopy – EIS) để chọn vật liệu phù hợp Ngồi ra, hình thái – cấu trúc – đặc tính vật liệu Pt/rGO phù hợp vật liệu tiền chất khảo sát phổ hồng ngoại chuyển hóa Fourier (Fourier-transform infrared spectroscopy – FTIR), phổ Raman, giản đồ nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction – XRD), phổ tán sắc lượng tia X (energy-dispersive X-ray spectroscopy – EDX), kính hiển vi điện tử truyền qua (transmission electron microscopy – TEM) iv ABSTRACT In this thesis, platinum/graphene oxide composite (Pt/rGO) materials were synthesized from reduced graphene oxide (rGO) and axit chloroplatinic (H2PtCl6) Graphene oxide (GO) was synthesized from graphite (Gi) powder by improved Hummers method After that, GO and H2PtCl6 was reduced using the chemical reduction method with five reducing agent: vitamin C, hydrazine hydrate, Sodium borohydride, glucose, and sodium citrate; five different reducing agent:(GO and H2PtCl6 weight ratio: 1:1, 5:1, 10:1, 15:1, and 20:1 to create the Pt/rGO composite and rGO materials with five different precursors ratio (GO:H2PtCl6): 1:4, 2:3, 3:2, and 4:1 Pt/rGO composite materials were used for fabrication of cathodes in dye-sensitized solar cells (DSSCs) using the screen-printing method For comparison, control cathode was fabricated from H2PtCl6 Commercial TiO2 paste was used for fabrication of anodes The fabricated cathodes and anodes were used for DSSCs asembely The effect of synthesis conditions on the electrochemical activities of cathode and DSSC performances were investigated using the cyclic voltammetry (CV) measurement, current density-voltage characteristic curves (J-V), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) to select the appropriate composite material In addition, characterization of appropriate Pt/rGO and precursor materials were investigated by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Raman spectroscopy, Xray diffaction (XRD), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and transmission electron microscopy (TEM) v LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu thực cá nhân tác giả thực hướng dẫn Thầy TS Phạm Trọng Liêm Châu Thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Hiếu, và, Phòng Thí Nghiệm Trọng Điểm Đại Học Quốc Gia – TP HCM Cơng nghệ Hóa Học Dầu Khí (CEPP Lab), Trường Đại Học Bách Khoa với hỗ trợ Phịng Thí Nghiệm Trọng Điểm Hóa Lý Ứng Dụng (APC Lab), Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh Các số liệu, kết nghiên cứu, kết luận luận văn hoàn toàn trung thực, chưa cơng bố cơng trình khác trước Tác giả xin chịu trách nhiệm nghiên cứu Tác giả Lê Trần Trung Nghĩa vi MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT LUẬN VĂN iv ABSTRACT v LỜI CAM ĐOAN vi DANH MỤC HÌNH xi DANH MỤC BẢNG xiv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xv LỜI MỞ ĐẦU xvii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Các hệ pin mặt trời 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Hiệu ứng quang điện 1.1.3 Pin hệ thứ 1.1.4 Pin hệ thứ hai 1.1.5 Pin hệ thứ ba 1.1.6 Pin hệ thứ tư 1.2 Pin mặt trời chất màu nhạy quang 1.2.1 Cấu tạo pin 1.2.1.1 Chất màu nhạy quang 1.2.1.2 Chất điện ly 1.2.1.3 Catot 1.2.1.4 Anot 1.2.2 Nguyên lý hoạt động pin 1.2.3 Cải thiện hiệu làm việc pin DSSC 11 1.3 Platin 12 1.3.1 Tính chất 12 1.3.2 Phương pháp tổng hợp vật liệu nano platin 13 1.3.2.1 Phương pháp thủy nhiệt 13 1.3.2.2 Phương pháp dung môi nhiệt 13 1.3.2.3 Phương pháp sol-gel 13 vii 1.3.2.4 Phương pháp khử hóa học 14 1.4 Graphite 14 1.5 Graphite oxit 15 1.6 Graphene oxit 16 1.6.1 Cấu tạo tính chất 16 1.6.2 Phương pháp tổng hợp graphene oxit 17 1.7 Graphene 18 1.7.1 Cấu tạo tính chất 18 1.7.2 Ứng dụng 19 1.7.3 Phương pháp tổng hợp graphene 21 1.7.3.1 Phương pháp epitaxy 21 1.7.3.2 Phương pháp lắng đọng hóa học 22 1.7.3.3 Phương pháp bóc tách học 23 1.7.3.4 Phương pháp điện hóa 24 1.7.3.5 Phương pháp khử hóa học 25 1.8 Graphene oxit dạng khử 26 1.9 Vật liệu composite platinum/graphene oxit dạng khử 27 1.9.1 Cấu trúc 27 1.9.2 Phương pháp tổng hợp vật liệu composite platin/graphene oxit dạng khử 27 1.9.3 Ứng dụng 29 1.10 Tính cấp thiết, tính mới, mục tiêu, nội dung, phương pháp nghiên cứu 32 1.10.1 Tính cấp thiết 32 1.10.2 Tính 32 1.10.3 Mục tiêu nghiên cứu 33 1.10.4 Nội dung nghiên cứu 33 1.10.5 Phương pháp nghiên cứu 33 1.10.5.1 Tổng hợp vật liệu 33 1.10.5.2 Phương pháp chế tạo điện cực pin DSSC 33 1.10.5.1 Phương pháp ráp pin DSSC 34 1.10.5.2 Phương pháp khảo sát đặc tính điện hóa điện cực catot 35 1.10.5.3 Phương pháp thử nghiệm hiệu làm việc pin DSSC 36 1.10.5.1 Các phương pháp khảo sát hình thái – cấu trúc – đặc tính vật liệu 38 viii CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 44 2.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị, địa điểm thực 44 2.1.1 Hóa chất 44 2.1.2 Dụng cụ thiết bị 45 2.1.3 Địa điểm thực 48 2.2 Tổng hợp vật liệu 48 2.2.1 Tổng hợp GO 48 2.2.2 Tổng hợp Pt/rGO 49 2.2.2.1 Khảo sát chất khử 50 2.2.2.2 Khảo sát tỉ lệ chất khử 50 2.2.2.3 Khảo sát tỉ lệ tiền chất GO:H2PtCl6 51 2.3 Chế tạo điện cực ráp pin DSSC 51 2.3.1 Tổng hợp hệ keo in lụa 51 2.3.2 Chế tạo điện cực catot 53 2.3.3 Chế tạo điện cực anot 55 2.3.4 Ráp pin DSSC 56 2.4 Khảo sát đặc tính điện hóa điện cực catot thử nghiệm hiệu làm việc pin DSSC 57 2.4.1 Khảo sát đặc tính điện hóa điện cực catot 57 2.4.2 Thử nghiệm hiệu làm việc pin 57 2.4.2.1 Đo hiệu suất pin DSSC 57 2.4.2.2 Đo tổng trở điện hóa pin DSSC 58 2.5 Khảo sát hình thái – cấu trúc – đặc tính vật liệu 59 2.5.1 Phổ FTIR 59 2.5.2 Phổ Raman 59 2.5.3 Giản đồ XRD 59 2.5.4 Phổ EDX 59 2.5.5 Ảnh TEM 60 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 61 3.1 Ảnh hưởng điều kiện tổng hợp vật liệu đến đặc tính điện hóa điện cực catot hiệu làm việc pin DSSC 61 3.1.1 Ảnh hưởng chất khử 61 ix ... pin mặt trời chất màu nhạy quang Vì vậy, đề tài chọn để nghiên cứu luận văn là: ? ?Tổng hợp vật liệu composite platin/graphene oxit dạng khử phương pháp khử hóa học ứng dụng chế tạo catot pin mặt. .. thuật Hóa học Nơi sinh: TP HCM Mã số: 1870152 I TÊN ĐỀ TÀI: Tên tiếng Việt: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu composite platin/graphene oxit dạng khử phương pháp khử hóa học để chế tạo catot pin mặt trời. .. 2.1 Tổng quan Pin lượng mặt trời, pin mặt trời chất màu nhạy quang, vật liệu graphite, graphite oxit, graphene oxit, graphene, graphene oxit dạng khử, vật liệu composite platin/graphene oxit dạng