Chế tạo và nghiên cứu đặc trưng điện hóa của vật liệu FeO3C định hướng ứng dụng làm điện cực âm pin Fe khí

Chế tạo và nghiên cứu đặc trưng điện hóa của vật liệu FeO3C định hướng ứng dụng làm điện cực âm pin Fe khí Chế tạo và nghiên cứu đặc trưng điện hóa của vật liệu FeO3C định hướng ứng dụng làm điện cực âm pin Fe khí luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Vũ Mạnh Thuần CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU Fe2O3@C ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC ÂM PIN Fe-KHÍ Chuyên ngành: Khoa học Kỹ thuật vật liệu LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Khoa học Kỹ thuật vật liệu Hà Nội – 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Vũ Mạnh Thuần CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU Fe2O3@C ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC ÂM PIN Fe-KHÍ Chuyên ngành: Khoa học Kỹ thuật vật liệu LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Khoa học Kỹ thuật vật liệu NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS BÙI THỊ HẰNG Hà Nội – 2018 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ kính trọng biết ơn sâu sắc tới giáo Bùi Thị Hằng – Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS) - Đại học Bách khoa học Hà Nội Cơ người tận tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt thời gian hồn thành luận văn Cơ hướng dẫn em nghiên cứu đề tài luận văn thiết thực có nhiều ứng dụng sống khoa học Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Viện Đào tạo Quốc tế Khoa học Vật liệu (ITIMS) - Đại học Bách khoa học Hà Nội giúp đỡ em suốt q trình học tập hồn thành luận văn Em xin gửi lời cảm ơn đến Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) Nghiên cứu luận văn tài trợ Quỹ đề tài mã số 103.02.2018.04 Em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình bạn bè, người bên em, cổ vũ động viên tinh thần em lúc khó khăn để em vượt qua hoàn thành tốt luận văn Do thời gian có hạn nên luận văn khơng tránh khỏi sai sót, em mong nhận góp ý thầy bạn để luận văn hoàn thiện LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Khóa luận khơng có chép tài liệu, cơng trình nghiên cứu người khác mà khơng rõ mục tài liệu tham khảo Những kết số liệu khóa luận chưa cơng bố hình thức Tơi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường cam đoan Hà Nội, ngày 29 tháng 03 năm 2018 Sinh viên Vũ Mạnh Thuần MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PIN KIM LOẠI - KHÍ 1.1 Các khái niệm pin 1.2 Tổng quan pin kim loại - khí 1.3 Pin Fe-khí 1.3.1 Điện cực sắt 10 1.3.2 Điện cực khí 13 1.3.3 Dung dịch điện ly .14 CHƯƠNG II THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 15 2.1 THỰC NGHIỆM .15 2.1.1 Hoá chất nguyên vật liệu .15 2.1.2 Tạo mẫu 15 2.1.2.1 Chế tạo vật liệu Fe2O3@C 15 2.1.2.2 Chế tạo vật liệu Fe2O3 17 2.1.2.3 Tạo điện cực AB, Fe2O3, Fe2O3@C Fe2O3@AB 20 2.1.2.4 Dung dịch điện ly 21 2.1.3 Tạo cell điện cực 21 2.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22 2.2.1 Phép đo phổ nhiễu xạ tia X (XRD) 22 2.2.2 Phép đo hiển vi điện tử quét (SEM) 23 2.2.3 Phương pháp qt vịng tuần hồn (Cyclic voltammetry – CV) 26 CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29 3.1 Hình thái học đặc trưng điện hóa vật liệu điện cực Fe2O3@C .29 3.1.1 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) vật liệu Fe2O3@C 29 3.1.2 Hình thái học vật liệu Fe2O3@C 30 3.1.3 Đặc trưng CV điện cực Fe2O3@C .30 3.2 Hình thái học đặc trưng CV Acetylene black bon (AB) .32 3.2.1 Hình thái học Acetylene black bon (AB) 32 3.2.2 Đặc trưng CV điện cực AB 32 3.3 Hình thái học đặc trưng CV Fe2O3 chế tạo phương pháp thủy nhiệt 33 3.3.1 Kết đo XRD Fe2O3 chế tạo phương pháp thủy nhiệt 33 3.3.2 Hình thái học Fe2O3 chế tạo phương pháp thủy nhiệt .35 3.3.2.1 Hình thái học Fe2O3 chế tạo theo quy trình thủy nhiệt 35 3.3.2.2 Hình thái học Fe2O3 chế tạo theo quy trình thủy nhiệt 37 3.3.3 Đặc trưng điện hóa Fe2O3 chế tạo theo quy trình thủy nhiệt 37 3.3.3.1 Đặc trưng CV điện cực Fe2O3 .37 3.3.3.2 Đặc trưng CV điện cực Fe2O3@AB .40 3.3.3.3 Ảnh hưởng hàm lượng Fe2O3 đến đặc trưng điện hóa điện cực Fe2O3@AB .44 3.3.3.4 Ảnh hưởng chất phụ gia K2S đến đặc trưng điện hóa điện cực Fe2O3@AB .46 3.3.4 Đặc trưng điện hóa Fe2O3 chế tạo theo quy trình thủy nhiệt 51 3.3.4.1 Đặc trưng CV điện cực Fe2O3@AB .51 3.3.4.2 Ảnh hưởng chất phụ gia K2S đến đặc trưng điện hóa điện cực Fe2O3@AB .53 KẾT LUẬN .57 CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ .58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Tên chi tiết HEVs EVs Xe điện XRD Phổ nhiễu xạ tia X SEM Hiển vi điện tử qt CV Qt vịng tuần hồn (Cyclic voltammetry) AB Acetylen black bon (các bon Acetylen black) PTFE Xe điện hybrid Polytetrafluoroethylene DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1 Số liệu so sánh công nghệ số pin sạc lại Bảng Đặc trưng pin Fe-khí Bảng 2.1 Bảng hoá chất nguyên vật liệu 15 Bảng 2 Danh sách mẫu Fe2O3 chế tạo theo quy trình thủy nhiệt 20 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ mơ tả cấu tạo pin Hình 1.2 Cấu tạo pin kim loại - khí .6 Hình Mơ tượng “dendrite” gây hỏng pin Hình 1.4 Pin Na-khí Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động pin Fe-khí Hình 1.6 Phản ứng điện hóa Pin Fe-khí dung dịch kiềm 10 Hình 1.7 Đường cong phóng - nạp điện cực sắt 11 Hình 2.1 Sơ đồ mơ tả quy trình chế tạo Fe2O3@C 16 Hình 2.2 Sơ đồ mơ tả quy trình thủy nhiệt chế tạo bột Fe2O3 .18 Hình 2.3 Sơ đồ mơ tả quy trình thủy nhiệt chế tạo bột Fe2O3 .19 Hình 2.4 Cell điện cực 22 Hình 2.5 Nguyên lý nhiễu xạ tia X 23 Hình 2.6 Dải làm việc kỹ thuật hiển vi điện tử quang học .24 Hình 2.7 Sơ đồ nguyên lý hoạt động kính hiển vi điện tử quét (SEM) .25 Hình 2.8 Hệ đo SEM-EDS JSM-6060LA/VI trường ĐHTH Kyushu, Nhật Bản 25 Hình 2.9 Đồ thị quét vịng tuần hồn (CV) 26 Hình 2.10 Quan hệ điện dịng điện qt vịng tuần hồn .27 Hình 2.11 Thiết bị đo điện hóa (a) DY2300 (b) SRSlab EC19 28 Hình 3.1 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) mẫu Fe2O3@C chế tạo theo quy trình thủy nhiệt bước 29 Hình 3.2 Ảnh SEM mẫu Fe2O3@C chế tạo theo quy trình thủy nhiệt bước 30 Hình 3.3 Đặc trưng CV Fe2O3@AB (Fe2O3@C:PTFE=90:10% ) dung dịch KOH 8M 31 Hình 3.4 Ảnh SEM AB 32 Hình 3.5 Đặc trưng CV điện cực AB (AB:PTFE = 90:10 wt%) dung dịch KOH 8M 33 Hình 3.6 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) mẫu Fe2O3 chế tạo theo quy trình 34 Hình 3.7 Phổ nhiễu xạ tia X (XRD) mẫu Fe2O3 chế tạo theo quy trình 34 Hình 3.8 Ảnh SEM mẫu Fe2O3 chế tạo theo quy trình thủy nhiệt (a) Fe2O3 – NaOH 2,5M (b) Fe2O3 –NaOH 7,5M (c) Fe2O3 –NaOH 15M .36 Hình 3.9 Ảnh SEM mẫu Fe2O3 chế tạo theo quy trình thủy nhiệt (a) Fe2O3– glucozo– 6h (b) Fe2O3–glucozo –12h 37 Hình 3.10 Đặc trưng CV Fe2O3 chế tạo theo quy trình thủy nhiệt (Fe2O3:PTFE = 90:10 wt%) dung dịch KOH 8M (a) Fe2O3 –NaOH 2,5M (b) Fe2O3 –NaOH 7,5M (c) Fe2O3 –NaOH 15M 39 Hình 3.11 Đặc trưng CV điện cực Fe2O3 thương mại (Aldrich) .40 Hình 3.12 Đặc trưng CV Fe2O3@AB chế tạo theo quy trình thủy nhiệt (Fe2O3:AB:PTFE = 45:45:10 wt%) dung dịch KOH 8M (a) Fe2O3 – NaOH 2,5M (b) Fe2O3 –NaOH 7,5M (c) Fe2O3 –NaOH 15M 42 Hình 3.13 Đặc trưng CV Fe2O3@AB thương mại (Fe2O3 Aldrich) (Fe2O3:AB:PTFE = 45:45:10 wt%) dung dịch KOH 8M .43 Hình 3.14 Đặc trưng CV điện cực Fe2O3@AB (Fe2O3:AB:PTFE = 70:20:10%) dung dịch KOH 8M (a) Fe2O3 –NaOH 2,5M (b) Fe2O3 –NaOH 7,5M (c) Fe2O3 –NaOH 15M .45 Hình 3.15 Đặc trưng CV mẫu Fe2O3@AB với tỉ lệ Fe2O3:AB:PTFE= 70:20:10% dung dịch KOH 7.99M +K2S 0.01M (a) Fe2O3 –NaOH 2,5M 47 Hình 3.16 Đặc trưng CV Fe2O3@AB KOH + K2S với tỉ lệ Fe2O3:AB:PTFE = 45%:45%:10% (a) Fe2O3 –NaOH 2,5M (b) Fe2O3 –NaOH 7,5M (c) Fe2O3 –NaOH 15M 48 Giống điện cực Fe2O3@AB với Fe2O3:AB:PTFE=70:20:10% KOH (Hình 3.14), có K2S dung dịch điện ly mẫu Fe2O3–NaOH 15M (Hình 3.15c) cho đường CV tốt hai mẫu lại Điều lần khẳng định hình dạng, kích thước hạt Fe2O3 ảnh hưởng đáng kể đến đặc trưng điện hóa điện cực Fe2O3@AB hàm lượng Fe2O3 70% phù hợp cho mẫu Fe2O3–NaOH 15M Ảnh hưởng tích cực K2S điện cực Fe2O3@AB với tỉ lệ Fe2O3:AB:PTFE=45:45:10% khẳng định kết đo CV dung dịch KOH 7.99M+K2S 0.01M thể hình 3.16 với đỉnh oxy hóa–khử xuất rõ ràng, rộng cường độ dòng đỉnh tăng dần theo số chu kỳ quét Tuy nhiên, cặp phản ứng oxy hóa –khử tăng lên gây che phủ đỉnh khử c2 khí hyđrơ sinh c3 dẫn đến làm giảm dung lượng, hiệu suất điện cực Fe2O3@AB Ở tỉ lệ Fe2O3:AB:PTFE=45:45:10% mẫu Fe2O3– NaOH 15M cho đường CV tốt Như chất phụ gia K2S kích thích phản ứng oxy hóa sắt lại làm tăng điện cực dẫn đến làm giảm dung lượng, hiệu suất điện cực Fe2O3@AB Để đánh giá xác vai trị chất phụ gia K2S dung dịch điện ly điện cực Fe2O3@AB, dung lượng điện cực chu kỳ đầu tính tốn từ kết đo CV điện cực Fe2O3@AB với Fe2O3:AB:PTFE=45:45:10% KOH (Hình 3.12) KOH+K2S (Hình 3.16), kết biểu diễn hình 3.17 Ta dễ dàng nhận thấy dung lượng điện cực Fe2O3@AB mẫu chế tạo theo quy trình thủy nhiệt dung dịch điện ly chứa K2S giảm nhẹ theo số chu kỳ phóng nạp dung lượng mẫu khơng khác biệt dung lượng mẫu KOH có chênh lệch đáng kể So sánh dung lượng mẫu KOH (Hình 3.17a) KOH+K2S (Hình 3.17b) tương ứng ta thấy K2S làm tăng dung lượng mẫu Fe2O3 –NaOH 15M không giúp cải thiện dung 49 lượng mẫu Fe2O3 –NaOH 2,5M Fe2O3 –NaOH 7,5M Hiện tượng cặp phản ứng Fe/Fe(II)(a1/c2) Fe(II)/Fe(III) (a2/c1) tăng lên K2S có mặt dung dịch điện ly làm cho đỉnh oxy hóa bị dịch nhiều phía điện dương đỉnh khử bị dịch nhiều phía điện âm dẫn đến đỉnh khử c1, c2 bị che phủ hoàn toàn đỉnh sinh khí hyđrơ c3 (Hình 3.16) gây nên giảm dung lượng điện cực Hình 3.17 Dung lượng điện cực Fe2O3@AB với Fe2O3:AB:PTFE = 45%:45%:10% (a) KOH (b) KOH+K2S 50 Như vậy, K2S có ảnh hưởng tích cực đến tốc độ phản ứng oxy hóa điện cực sắt chưa cải thiện dung lượng, hiệu suất Để khắc phục hồn toàn tồn nêu điện cực Fe2O3@AB sử dụng Fe2O3 chế tạo quy trình thủy nhiệt để làm vật liệu hoạt động điện cực pin Fe– khí quy trình chế tạo phải thay đổi để thu hạt Fe2O3 có kích thước, hình thái học phù hợp Chính quy trình thủy nhiệt thử nghiệm đạt kết bước đầu tương đối khả quan thể phần 3.3.4 Đặc trưng điện hóa Fe2O3 chế tạo theo quy trình thủy nhiệt 3.3.4.1 Đặc trưng CV điện cực Fe2O3@AB Sử dụng quy trình thủy nhiệt 2, hai mẫu Fe2O3 với thời gian thủy nhiệt 6h 12h (ký hiệu Fe2O3–glucozo –6h Fe2O3–glucozo–12h, Bảng 2.2) tổng hợp thành công Kết đo CV điện cực Fe2O3@AB sử dụng hai mẫu KOH thể hình 3.18 Đối với hai mẫu Fe2O3–glucozo–6h (Hình 3.18a) Fe2O3–glucozo–12h (Hình 3.18b), quét theo chiều oxy hóa số đỉnh quan sát bao gồm đỉnh oxy hóa Fe/Fe(II) (a1) Fe(II)/Fe(III)(a2) xuất khoảng −0,8 V −0,6 V đỉnh khử tương ứng Fe(III)/Fe(II)(c1) Fe(II)/Fe(c2) xuất khoảng −0,9 V −1,1 V theo chiều qt ngược lại Bên cạnh ta cịn quan sát thấy đỉnh nhỏ Fe/Fe(I)(a0) khoảng −1,0 V hấp phụ nhóm OH– sắt trước tạo thành Fe(II) đường oxy hóa Điều đặc biệt đỉnh oxy hóa – khử mẫu xuất rõ ràng, sắc nét, cường độ dòng điện tăng lên theo số chu kỳ quét cặp đỉnh Fe/Fe(II)(a1/c2) lại giảm cặp đỉnh Fe(II)/Fe(III)(a2/c1) Hơn đỉnh khử c1, c2 tách biệt hồn tồn khỏi đỉnh sinh khí hyđrơ c3, tượng tích cực q trình nạp điện cực Fe2O3@AB tượng không xuất vật liệu chế tạo theo quy trình thủy nhiệt Điều góp phần cải thiện dung lượng, khả chu trình hóa điện cực Fe2O3@AB 51 (a) (b) Hình 3.18 Đặc trưng CV Fe2O3@AB KOH với tỉ lệ Fe2O3:AB:PTFE = 45%:45%:10% (a) Fe2O3–glucozo–6h (b) Fe2O3–glucozo–12h So sánh với kết đo CV mẫu Fe2O3 tổng hợp quy trình thủy nhiệt (Hình 3.12) ta thấy mẫu Fe2O3 tổng hợp quy trình thủy nhiệt (Hình 3.18) cho kết CV tốt thể đỉnh oxy hóa–khử xuất sắc nét, rõ ràng hơn, cường độ dòng ổn định theo số chu kỳ quét So sánh đặc trưng CV hai mẫu Fe2O3–glucozo–6h Fe2O3–glucozo –12h với ta thấy mẫu Fe2O3-glucozo -6h tốt mẫu Fe2O3–glucozo –12h thể 52 đỉnh oxy hóa – khử xuất rõ nét hơn, rộng cường độ dịng lớn Đó thời gian thủy nhiệt dài (12h) gây nên kết đám hạt mẫu Fe2O3–glucozo– 12h dẫn đến tốc độ phản ứng oxy hóa khử bị giảm Do giới hạn hệ đo SEM kích thước hạt Fe2O3 q nhỏ (Hình 3.9) nên ta khơng phân biệt khác kích thước, hình thái học hạt Fe2O3 hai mẫu 3.3.4.2 Ảnh hưởng chất phụ gia K2S đến đặc trưng điện hóa điện cực Fe2O3@AB Để đánh giá vai trị chất phụ gia K2S điện cực Fe2O3@AB, phép đo CV hai mẫu Fe2O3–glucozo–6h Fe2O3–glucozo–12h thực hiện, kết biểu diễn hình 3.19 Ta dễ dàng nhận thấy đỉnh oxy hóa-khử cao hơn, rộng có mặt K2S dung dịch điện ly (Hình 3.19) so với dung dịch điện ly KOH 8M (Hình 3.18) Đặc biệt cường độ dòng điện tương đối ổn định theo số vòng quét Điều có nghĩa chất phụ gia K2S thúc đẩy tốc độ phản ứng ơxy hóa –khử cặp Fe/Fe(II), Fe(II)/Fe(III) cải thiện khả chu trình hóa điện cực Fe2O3@AB Đây ảnh hưởng tích cực K2S vật liệu Đó ion S2− kết hợp vào mạng oxit sắt tương tác với Fe(I), Fe(II) Fe(III) lớp màng oxit để kích thích phân hủy sắt [29,54] làm tăng độ dẫn điện điện cực [3,47,58] cải thiện khả chu trình hóa sắt Khi K2S có mặt dung dịch điện ly, ban đầu tốc độ phản ứng cặp Fe/Fe(II), Fe(II)/Fe(III) tăng lên, sau số vịng qt tăng lên, lớp Fe(OH)2 dày lên nên thụ động lấn át tăng tốc độ phản ứng oxy hóa–khử K2S nên cường độ dịng oxy hóa-khử lại bị giảm Kết hoàn toàn phù hợp với kết nghiên cứu công bố [17-25] Tuy nhiên cặp phản ứng Fe/Fe(II) Fe(II)/Fe(III) bị tăng lên chưa khắc phục triệt để thể đỉnh oxy hóa a1, a2 bị dịch phía dương đỉnh khử c1, c2 bị dịch phía âm dẫn đến đỉnh khử sắt c2 bị che phủ đỉnh sinh khí hyđrơ có K2S dung dịch điện ly 53 (a) (b) Hình 3.19 Đặc trưng CV Fe2O3@AB KOH 7.99M+K2S 0.01M với tỉ lệ Fe2O3:AB:PTFE = 45%:45%:10% (a) Fe2O3–glucozo–6h (b) Fe2O3–glucozo–12h So sánh với CV mẫu Fe2O3 tổng hợp quy trình thủy nhiệt KOH+K2S (Hình 3.16) ta thấy mẫu Fe2O3 tổng hợp quy trình thủy nhiệt (Hình 3.19) có đặc trưng CV tốt hẳn Điều lần khẳng định mẫu Fe2O3 tổng hợp quy trình thủy nhiệt tốt mẫu Fe2O3 tổng hợp quy trình thủy nhiệt Giống dung dịch điện ly KOH (Hình 3.18), so sánh 54 CV hai mẫu Fe2O3–glucozo–6h Fe2O3–glucozo–12h KOH+K2S với (Hình 3.19) mẫu Fe2O3-glucozo-6h cho kết đường CV tốt mẫu Fe2O3–glucozo–12h Hình 3.20 Dung lượng điện cực Fe2O3@AB với Fe2O3:AB:PTFE = 45%:45%:10% (a) KOH (b) KOH+K2S Từ kết đo CV hình 3.18 3.19, dung lượng điện cực Fe2O3– glucozo–6h Fe2O3–glucozo–12h KOH KOH+K2S tính tốn kết thể hình 3.20 55 So sánh với dung lượng điện cực Fe2O3@AB chế tạo quy trình thủy nhiệt KOH KOH+K2S tương ứng (Hình 3.17) ta thấy mẫu chế tạo theo quy trình thủy nhiệt có dung lượng cao Kết hoàn toàn phù hợp với kết đo CV ta quan sát So sánh dung lượng hai mẫu Fe2O3–glucozo–6h Fe2O3–glucozo–12h với (Hình 3.20) ta thấy mẫu Fe2O3–glucozo–6h cho dung lượng cao mẫu Fe2O3–glucozo–12h hai dung dịch điện ly KOH KOH+K2S Tuy nhiên tượng suy giảm dung lượng tăng số chu kỳ phóng nạp diễn mẫu Với việc cải thiện điện cực Fe2O3@AB, suy giảm dung lượng điện cực theo số chu kỳ phóng nạp việc tối ưu hóa điều kiện chế tạo, mẫu Fe2O3–glucozo–6h tổng hợp phương pháp thủy nhiệt có tiềm ứng dụng làm điện cực âm pin sắt-khí 56 KẾT LUẬN Luận văn đạt số kết sau: Chế tạo thành công vật liệu Fe2O3@C với cấu trúc lõi vỏ phương pháp thủy nhiệt bước khảo sát hình thái học, cấu trúc, đặc trưng điện hố chúng Chế tạo thành công vật liệu Fe2O3 kích thước nanomet micromet phương pháp thủy nhiệt kích thước, hình thái học hạt Fe2O3 điều khiển Đo đạc khảo sát tính chất vật lý điện hóa hệ mẫu chế tạo Fe2O3 tổng hợp theo quy trình thủy nhiệt có kích thước micromet, dạng mảnh dẹt Fe2O3 chế tạo theo quy trình thủy nhiệt có kích thước nanomet, dạng hạt hình cầu Khảo sát ảnh hưởng chất phụ gia AB lên tính chất điện hóa điện cực Fe2O3 tổng hợp hai quy trình cho thấy việc đưa AB vào điện cực làm tăng độ dẫn điện cải thiện khả chu trình hóa điện cực Fe2O3@AB Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng Fe2O3 AB lên tính chất điện hóa điện cực Fe2O3@AB cho thấy tỉ lệ thành phần mẫu Fe2O3:AB:PTFE = 45:45:10 wt.% phù hợp cho hai loại vật liệu Fe2O3 chế tạo hai quy trình Nghiên cứu ảnh hưởng chất phụ gia K2S đến tính chất điện hóa điện cực Fe2O3@AB có mặt K2S dung dịch điện ly làm tăng tốc độ phản ứng cặp oxy hóa khử Fe/Fe(II) Fe(II)/Fe(III) đồng thời làm tăng cặp phản ứng nên chưa cải cải thiện đáng kể dung lượng, hiệu suất phóng-nạp điện cực Fe2O3@AB Mẫu Fe2O3 chế tạo theo quy trình thủy nhiệt cho dung lượng cao mẫu Fe2O3 chế tạo theo quy trình thủy nhiệt dung dịch điện ly KOH KOH+K2S Quy trình thủy nhiệt phù hợp cho việc chế tạo Fe2O3 kích thước hạt nanomet ứng dụng làm vật liệu điện cực âm pin sắt-khí 57 CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Trinh Tuan Anh, Vu Manh Thuan, Doan Ha Thang, Bui Thi Hang, “Effect of Fe2O3 and binder on the electrochemical properties of Fe2O3/AB (Acetylene Black) composite electrodes”, Journal of Electronic Materials, 46(6)2017) 3458-3462 (ISSN: 0361-5235) Doan Ha Thang, Vu Manh Thuan, Bui Thi Hang, "TiO2 fabricated from Vietnamese ilmenit applying for battery anode", VNU Journal of Science: Mathematics – Physics, Vol.32, No.3 (2016) 49-55 (ISSN: 0866-8612) Vũ Mạnh Thuần, Phạm Thị Thủy Triều, Nguyễn Thị Tiên, Doãn Hà Thắng, Bùi Thị Hằng, “Chế tạo tính chất điện hóa điện cực Fe2O3 dung dịch kiềm, Tuyển tập báo cáo HNVLCR & KHVLTQ lần thứ 10 (SPMS2017) 648-651 (ISBN: 978-604-95-0326-9) Bui Thi Hang, Vu Manh Thuan, Trinh Tuan Anh, Doan Ha Thang, "Effect of Fe2O3 particle size on the electrochemical properties of Fe2O3/AB composite electrode in alkaline solution", Proceedings of the 3rd International Conference on Advanced Materials and Nanotechnologies (ICAMN-2016) 205-208 (ISBN: 978-604-95-0010-7) Vu Manh Thuan, Trinh Tuan Anh, Pham Thi Thuy Trieu, Doan Ha Thang, Bui Thi Hang, "Preparation and electrochemical properties of Fe2O3 in alkaline solution", Proceedings of The 3rd International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology (ICAMN-2016) 336-339 (ISBN: 978-604-95-0010-7) 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Appleby A J and Jacquier M., (1976) “The C.G.E circulating zinc/air battery: A practical vehicle power source,” J Power Sources, vol 1, no 1, pp 17–34 [2] Blurton K F and Sammells A F (1979), “Metal/air batteries: Their status and potential — a review,” J Power Sources, vol 4, no 4, pp 263–279 [3] Caldas C.A., Lopes M.C., Carlos I.A.,(1998) “The role of FeS and (NH4)2CO3 additives on the pressed type Fe electrode”, J Power Sources, vol 74, pp.108 [4] Černý J and Micka K., (1989) “Voltammetric study of an iron electrode in alkaline electrolytes,” J Power Sources, vol 25, no 2, pp 111–122 [5] Chakkaravarthy C., Periasamy P., Jegannathan S., Vasu K I (1991), J Power Sources, 35, pp 21-35 [6] Chen B., Leung D Y C., Xuan J., and Wang H., (2015) “A High Performance Dual Electrolyte Aluminium-air Cell,” Energy Procedia, vol 75, pp 1983– 1989 [7] Chakkaravarthy C., Waheed A K A., and Udupa H V K (1981), “Zinc-air alkaline batteries - A review,” J Power Sources, vol 6, no 3, pp 203–228 [8] Cheng F and Chen J., (2012) “Metal–air batteries: from oxygen reduction electrochemistry to cathode catalysts,” Chem Soc Rev., vol 41, no 6, p 2172 [9] Doche M L., Novel-Cattin F., Durand R., and Rameau J J (1997), “Characterization of different grades of aluminum anodes for aluminum/air batteries,” J Power Sources, vol 65, no 1–2, pp 197–205 [10] Deiss E., Holzer F., and Haas O (2002), “Modeling of an electrically rechargeable alkaline Zn-air battery,” Electrochim Acta, vol 47, no 25, pp 3995–4010 [11] Dewi E L., Oyaizu K., Nishide H., and Tsuchida E (2003), “Cationic polysulfonium membrane as separator in zinc-air cell,” J Power Sources, vol 115, no 1, pp 149–152 [12] Fu J.and Chen Z (2006), “Zinc–Air Batteries,” pp 1–20 [13] Fang Q., Berger C M., Menzler N H., Bram M., and Blum L (2016), “Electrochemical characterization of Fe-air rechargeable oxide battery in planar solid oxide cell stacks,” J Power Sources, vol 336, pp 91–98 [14] Goutam S., Omar N., Bossche P.V.D., and Mierlo J V (2017), “Chapter Two – Review of Nanotechnology for Anode Materials in Batteries,” Emerging Nanotechnologies in Rechargeable Energy Storage Systems pp 45–82 59 [15] Hampson N A., Latham R J., Marshall A., Giles R D (1974), “Some aspects of the electrochemical behaviour of the iron electrode in alkaline solutions,”, Electrochim Acta, 19, pp 397-40 [16] Higashi S., Lee S W., Lee J S., Takechi K., and Cui Y (2016), “Avoiding short circuits from zinc metal dendrites in anode by backside-plating configuration,” Nat Commun., vol 7, p 11801 [17] B T Hang, Watanabe T., Egashira M., Watanabe I., Okada S., and Yamaki J., (2006) “The effect of additives on the electrochemical properties of Fe/C composite for Fe/air battery anode,” J Power Sources, vol 155, no 2, pp 461–469 [18] B T Hang, Watanabe T., Eashira M., Okada S., Yamaki J.I., Hata S., Yoon S.H., Mochida I., (2005) “The electrochemical properties of Fe2O3-loaded carbon electrodes for iron-air battery anodes,” J Power Sources, vol 150, no 1–2, pp 261–271 [19] B T Hang, Hayashi H., Yoon S.-H., Okada S., and Yamaki J., (2008) “Fe2O3filled carbon nanotubes as a negative electrode for an Fe–air battery,” J Power Sources, vol 178, no 1, pp 393–401 [20] B T Hang and D H Thang, (2016) “Effect of additives on the electrochemical properties of Fe2O3/C nanocomposite for Fe/air battery anode,” J Electroanal Chem., vol 762, pp 59–65 [21] B T Hang, D H Thang, and Kobayashi E., (2013) “Fe/carbon nanofiber composite materials for Fe-air battery anodes,” Journal of Electroanalytical Chemistry, vol 704 pp 145–152 [22] B T Hang, Hayashi H., Yoon S H., Okada S., and Yamaki J.I, (2008) “Fe2O3-filled carbon nanotubes as a negative electrode for an Fe-air battery,” J Power Sources, vol 178, no 1, pp 393–401 [23] B T Hang, D H Thang, N T Nga, P T L Minh, and Kobayashi E., (2013) “Nanoparticle Fe2O3-Loaded Carbon Nanofibers as Iron-Air Battery Anodes,” J Electrochem Soc., vol 160, no 9, pp A1442–A1445 [24] B T Hang, Yoon S.-H., Okada S., and Yamaki J., (2007) “Effect of metalsulfide additives on electrochemical properties of nano-sized Fe2O3-loaded carbon for Fe/air battery anodes,” J Power Sources, vol 168, no 2, pp 522– 532 [25] B T Hang and D H Thang (2016), “Electrochemical properties of Fe2O3 microparticles and their application in Fe/air battery anodes,” Journal of Alloys and Compounds, vol 655 pp 44–49 [26] Ito A., Zhao L., Okada S., and Yamaki J I (2011) “Synthesis of nano-Fe3O4loaded tubular carbon nanofibers and their application as negative electrodes for Fe/air batteries,” J Power Sources, vol 196, no 19, pp 8154–8159 60 [27] Inoishi A., Ju Y W., Ida S., and Ishihara T (2013) “Fe–air rechargeable battery using oxide ion conducting electrolyte of Y2O3 stabilized ZrO2,” J Power Sources, vol 229, pp 12–15 [28] Kalaignan G P., Muralidharan V S., Vasu K I (1987), J Appl Electrochem., 17, pp 1083-1092 [29] Kalaignan G P., Muralidharan V S and Vasu K I.,(1987) “Triangular potential sweep voltammetric study of porous iron electrodes in alkali solutions”, J Appl Electrochem Vol 17, pp 1083-1092 [30] Marshall A., Hampson N A and Drury J S, (1975) “The Discharge Behaviour of the Zinc/Air Slurry Cell,” J Electroanal Chem, Interfacial Electrochem, pp 33–37 [31] Micka K and Zábranský Z (1987), “Study of iron oxide electrodes in an alkaline electrolyte,” J Power Sources, vol 19, no 4, pp 315–323 [32] Lars Ojefors (1976), “An iron—air vehicle battery”, J Electrochem Soc., 123, pp 263-266 [33] Lars Ojefors (1976), “Temperature Dependence of Iron and Cadmium Alkaline Electrodes” J Electrochem Soc., 123, pp 1139-1144 [34] Lars Ojefors (1976), “SEM Studies of Discharge Products from Alkaline Iron Electrodes ", J Electrochem Soc., 123, pp 1691-1696 [35] J.S Lee, K.S Tai, C Ruiguo, C Nam‐Soon, L Meilin, L.K Tae, C Jaephil, “Metal-Air Batteries with High Energy Density: Li-Air versus Zn-Air,” Adv Energy Mater., vol 1, no 1, pp 34–50, Jan 2011 [36] Liu J., Wang D., Zhang D., Gao L., and Lin T (2016), “Synergistic effects of carboxymethyl cellulose and ZnO as alkaline electrolyte additives for aluminium anodes with a view towards Al-air batteries,” Journal of Power Sources, vol 335 pp 1–11 [37] Li Y and Lu J., (2017) “Metal–Air Batteries: Will They Be the Future Electrochemical Energy Storage Device of Choice?”, ACS Energy Lett., vol 2, no 6, pp 1370–1377 [38] Li Y and Dai H (2014), “Recent advances in zinc–air batteries,” Chem Soc Rev., vol 43, no 15, pp 5257–5275 [39] Liu W., Sun Q., Yang Y., Xie J.-Y., and Fu Z.-W., (2013) “An enhanced electrochemical performance of a sodium–air battery with graphene nanosheets as air electrode catalysts”, Chem Commun., vol 49, no 19, p 1951 [40] Macdonald D D., Owen D (1976), “The Electrochemistry of Iron in lM Lithium Hydroxide Solution at 22° and 200°C”, pp 317-324 61 [41] McKerracher R D., Ponce de Leon C., Wills R G A., Shah A A., and Walsh F C., (2015) “A Review of the Iron-Air Secondary Battery for Energy Storage,” Chempluschem, vol 80, no 2, pp 323–335 [42] Micka K., Zabransky Z (1987), “Study of iron oxide electrodes in an alkaline electrolyte” J Power Sources, 19, pp 315-323 [43] Offer G J., Howey D., Contestabile M., Clague R., and Brandon N P.,(2010) “Comparative analysis of battery electric, hydrogen fuel cell and hybrid vehicles in a future sustainable road transport system,” Energy Policy, vol 38, no 1, pp 24–29 [44] Öjefors L., (1976) “Self-discharge of the alkaline iron electrode,” Electrochim Acta, vol 21, no 4, pp 263–266 [45] Palomares V., Serras P., Villaluenga I., Hueso K B., Carretero-González J., and Rojo T., (2012) “Na-ion batteries, recent advances and present challenges to become low cost energy storage systems,” Energy Environ Sci., vol 5, no 3, p 5884 [46] Patnaik R S M., Ganesh S., Ashok G., Ganesan M., and Kapali V (1994), “Heat management in aluminium/air batteries: sources of heat,” J Power Sources, vol 50, no 3, pp 331–342 [47] Rand D A J (1979), “Battery systems for electric vehicles — a state-of-theart review,” J Power Sources, 4, pp 101-143 [48] Periasamy P., Babu B.R., Iyer S.V., (1996) “Electrochemical behaviour of Teflon-bonded iron oxide electrodes in alkaline solutions”, J Power Sources, vol 63, pp.79-85 [49] Rahman M A., Wang X., and Wen C., (2013) “High Energy Density MetalAir Batteries: A Review,” J Electrochem Soc., vol 160, no 10, pp A1759– A1771 [50] Sahgong S H., Senthilkumar S T., Kim K., Hwang S M., and Kim Y., (2015) “Rechargeable aqueous Na–air batteries: Highly improved voltage efficiency by use of catalysts,” Electrochem commun., vol 61, pp 53–56 [51] Schrebler-Guzman R S., Viche J R., Arvia A J (1979), “The potentiodynamic behaviour of iron in alkaline solutions”, Electrochim Acta, 24, pp 395-403 [52] Sun Q., Yang Y., and Fu Z.-W, (2012) “Electrochemical properties of room temperature sodium–air batteries with non-aqueous electrolyte,” Electrochem commun., vol 16, no 1, pp 22–25 [53] Shukla A K., Ravikumar M K., Baasubramanian T S (1994), “Nickel/iron batteries”, J Power Sources, 51, pp 29-36 62 [54] Shoesmith D W., Taylor P., Bailey M G and Ikeda B., (1978) “Electrochemical behaviour of iron in alkaline sulphide solutions”, Electrochim Acta, vol 23, pp 903-916 [55] Souza C A C., Carlos I A., Lopes M C., Finazzi G A., M R H de Almeida (2004), “Self-discharge of Fe–Ni alkaline batteries”, J Power Sources, 132, pp 288-290 [56] Suresh Kannan A.R, Muralidharan S., Sarangapani K.B, Balaramachandran V., and Kapali V., (1995) “Corrosion and anodic behaviour of zinc and its ternary alloys in alkaline battery electrolytes,” Journal of Power Sources, vol 57, no 1–2 pp 93–98 [57] Vijayamohanan K., Balasubramanian T S., Shukla A K (1991), “Rechargeable alkaline iron electrodes”, J Power Sources, 34, pp 269-285 [58] Vijayamohanan K., Shukla A K and Sathyanarayana S., (1990) “Role of Sulfide Additives on the Performance of Alkaline Iron Electrodes”, J Electroanal Chem vol 289, pp 55-68 [59] Wang K et al (2015), “Dendrite growth in the recharging process of zinc–air batteries,” J Mater Chem A, vol 3, no 45, pp 22648–22655 [60] Wu M C., Zhao T S., Tan P., Jiang H R., and Zhu X B., (2016) “Costeffective carbon supported Fe2O3 nanoparticles as an efficient catalyst for nonaqueous lithium-oxygen batteries,” Electrochim Acta, vol 211, pp 545–551 [61] Xu M., Ivey D G., Xie Z., and Qu W., (2015) “Rechargeable Zn-air batteries: Progress in electrolyte development and cell configuration advancement,” J Power Sources, vol 283, pp 358–371 [62] Yang C C and Lin S J (2002), “Alkaline composite PEO-PVA-glass-fibremat polymer electrolyte for Zn-air battery,” Journal of Power Sources, vol 112, no pp 497–503 [63] Yang S., (2002) “Design and analysis of aluminum/air battery system for electric vehicles,” Journal of Power Sources, vol 112, no pp 162–173 [64] Yang S and Siegel D J., (2015) “Intrinsic Conductivity in Sodium–Air Battery Discharge Phases: Sodium Superoxide vs Sodium Peroxide,” Chem Mater., vol 27, no 11, pp 3852–3860 [65] Zhang J.-G., Bruce P G., and Zhang X G., (2013) “Handbook of Battery Materials” Chapter 22: Metal-Air Batteries p 1000 [66] Zhang X., Wang X.-G., Xie Z., and Zhou Z., (2016) “Recent progress in rechargeable alkali metal-air batteries,” Green Energy & Environment, vol 1, pp 4-17 63 ... văn: ? ?Chế tạo nghiên cứu đặc trưng điện hóa vật liệu Fe2 O3@C định hướng ứng dụng làm điện cực âm pin Fe- khí? ?? nhằm khắc phục tồn pin Fe- khí Vật liệu Fe2 O3 có hình dạng kích thước khác chế tạo phương... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Vũ Mạnh Thuần CHẾ TẠO VÀ NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG ĐIỆN HÓA CỦA VẬT LIỆU Fe2 O3@C ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC ÂM PIN Fe- KHÍ... điện cực sắt dung lượng, hiệu suất pin 2.1.3 Tạo cell điện cực Để nghiên cứu tính chất điện hố điện cực sắt, cell ba điện cực chế tạo Fe2 O3, Fe2 O3@C Fe2 O3@AB điện cực làm việc, lưới Pt điện cực