Synthesis of platinumreduced graphene oxide composite materials by ex situ method for fabrication of cathodes in dye sensitiezed solar cells

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -o0o - NGUYỄN ĐĂNG KHOA TỔNG HỢP VẬT LIỆU COMPOSITE PLATIN/GRAPHENE OXIT DẠNG KHỬ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHỐI TRỘN HUYỀN PHÙ ĐỂ CHẾ TẠO CATOT TRONG PIN MẶT TRỜI CHẤT MÀU NHẠY QUANG (Synthesis of platinum/reduced graphene oxide composite materials by ex situ method for fabrication of cathodes in dye-sensitiezed solar cells) Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC Mã số: 60520301 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: PGS.TS Nguyễn Hữu Hiếu…………………… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, chữ ký) Cán hướng dẫn khoa học: TS Phạm Trọng Liêm Châu…………………… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: ……… ………………… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị, chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: ……… ………………………… (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 15 tháng 09 năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Nguyễn Trần Hà – Chủ tịch TS Nguyễn Tuấn Anh – Ủy viên phản biện PGS.TS Nguyễn Thái Hoàng – Ủy viên phản biện PGS.TS Trần Ngọc Quyển – Ủy viên TS Nguyễn Văn Dũng – 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 HĨA HỌC (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) ii 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: Nguyễn Đăng Khoa MSHV: 1870534 Ngày, tháng, năm sinh: 08/09/1994 Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Nơi sinh: TP HCM Mã số: 60520301 I TÊN ĐỀ TÀI: Tên tiếng Việt: Tổng hợp vật liệu composite platin/graphene oxit dạng khử phương pháp phối trộn huyền phù để chế tạo catot pin mặt trời chất màu nhạy quang Tên tiếng Anh: Synthesis of platinum/reduced graphene oxide composite materials by ex situ method for fabrication of cathodes in dye-sensitiezed solar cells 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 khảo sát đặc tính điện hóa điện cực - Ráp pin 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: 02/2020 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 09/2020 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS NGUYỄN HỮU HIẾU, TS PHẠM TRỌNG LIÊM CHÂU TP HCM, ngày … tháng… năm 2020 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) iii 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 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 Nguyễn Đăng Khoa iv TÓM TẮT LUẬN VĂN Trong luận văn này, vật liệu composite platin/graphene oxit dạng khử (Pt/rGO) tổng hợp từ phương pháp phối trộn huyền phù từ vật liệu graphene oxit dạng khử (reduced graphene oxit – rGO) hạt nano platin (Pt) Trong đó, rGO tổng hợp từ tiền chất graphene oxit (graphene oxide – GO) nano Pt tổng hợp từ tiền chất axit chloroplatinic (H2PtCl6) với chất khử khác khảo sát: vitamin C, hydrazine hydrate, natri bohidrua, glucose, natri citrate GO tổng hợp từ graphite (Gi) phương pháp Hummers cải tiến rGO tổng hợp từ GO phương pháp khử hóa học Sau đó, hỗn huyển phù nano Pt phân tán với rGO khử chất khử với phần trăm khối lượng rGO khảo sát: 20, 40, 60, 80, 100 % 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 vật liệu nano Pt Điện cực catot sau chế tạo khảo sát đặc tính điện hóa phương pháp đo qt vịng tuần hồn (cyclic voltammetry – CV) Các điện cực catot chế tạo điện cực anot từ keo TiO2 thương mại sử dụng để ráp pin DSSC Hiệu làm việc pin DSSC khảo sát phương pháp đo đường đặc trưng mật độ dòng – (J-V) phổ tổng trở điện hóa (electrochemical impedance spectroscopy – EIS) để chọn vật liệu phù hợp Vật liệu phù hợp dùng để chế tạo điện cực catot với số lần quét điện cực khác từ đến 10 lần để kiểm tra điều kiện chế tạo điện cực tốt pin DSSC 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), kính hiển vi điện tử truyền qua (transmission electron microscopy – TEM) v ABSTRACT In this thesis, platinum/graphene oxide composite (Pt/rGO) materials were synthesized from reduced graphene oxide (rGO) and Pt nanoparticles (Pt) by ex-situ method Accordingly, rGO was synthesized from graphene oxide (GO), which was synthesized from graphite (Gi) powder by improved Hummers method Pt nanoparticles were synthesized using the chemical reduction method with five reducing agent: vitamin C, hydrazine hydrate, sodium borohydride, glucose, and sodium citrate After that, Pt nanoparticles were dispersed in rGO suspension using the chemical reduction method with five different weight percents of rGO: 20, 40, 60, 80, and 100 wt% 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 Pt nanoparticles The electrochemical properties of fabricated cathodes were investigated using the cyclic voltammetry (CV) measurement Commercial TiO2 paste was used for fabrication of anodes The fabricated cathodes and anodes were used for DSSCs asembely The performances of fabricated DSSCs were investigated using, current density-voltage characteristic curves (J-V), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) to select the appropriate composite material The appropriate composite material was used for investigation the optimized number of coating layers (from to 10 layers) for fabrication of cathode in DSSCs In addition, characterization of appropriate Pt/rGO and precursor materials were investigated by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), Raman spectroscopy, Xray diffaction (XRD), and transmission electron microscopy (TEM) vi 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, Phịng Thí Nghiệm Trọng Điểm Cơng nghệ Hóa Học Dầu Khí (CEPP Lab), Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP HCM, 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 Nguyễn Đăng Khoa vii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT LUẬN VĂN v ABSTRACT vi LỜI CAM ĐOAN vii MỤC LỤC viii DANH MỤC HÌNH xi DANH MỤC BẢNG xiii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xiv LỜI MỞ ĐẦU xv CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Pin mặt trời 1.1.1 Giới thiệu 1.1.2 Các hệ pin mặt trời 1.1.2.1 Pin mặt trời thế hệ thứ 1.1.2.2 Pin mặt trời thế hệ thứ hai 1.1.2.3 Pin mặt trời thế hệ thứ ba 1.1.2.4 Pin mặt trời thế hệ thứ tư 1.2 Pin mặt trời chất màu nhạy quang 1.2.1 Giới thiệu 1.2.2 Cấu tạo 1.2.3 Nguyên lý hoạt động 1.3 Graphite 1.4 Graphite oxit 1.5 Graphene oxit 1.6 Graphene 10 1.6.1 Cấu tạo tính chất 10 1.6.2 Ứng dụng 11 1.6.3 Phương pháp tổng hợp 14 1.6.3.1 Phương pháp epitaxy 14 1.6.3.2 Phương pháp lắng đọng hóa học 14 viii 1.6.3.3 Phương pháp xen cài 15 1.6.3.4 Phương pháp bóc tách học 15 1.6.3.5 Phương pháp điện hóa 16 1.6.3.6 Phương pháp oxy hóa – khử 17 1.7 Vật liệu composite platin/graphene oxit dạng khử 18 1.7.1 Tính chất 18 1.7.2 Phương pháp tổng hợp 18 1.7.3 Ứng dụng 20 1.8 Tính cấp thiết, mục tiêu, nội dung phương pháp nghiên cứu 20 1.8.1 Tính cấp thiết 20 1.8.2 Mục tiêu nghiên cứu 20 1.8.3 Nội dung nghiên cứu 20 1.8.4 Phương pháp nghiên cứu 21 1.8.4.1 Phương pháp tổng hợp vật liệu 21 1.8.4.2 Phương pháp chế tạo điện cực catot pin DSSC 21 1.8.4.3 Phương pháp khảo sát đặc tính catot 22 1.8.4.4 Phương pháp đánh giá hiệu làm việc pin DSSC 23 1.8.4.1 Các phương pháp khảo sát cấu trúc – hình thái – đặc tính vật liệu 27 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 32 2.1 Hóa chất, dụng cụ, thiết bị, địa điểm thực 32 2.1.1 Hóa chất 32 2.1.2 Dụng cụ thiết bị 33 2.1.3 Địa điểm thực 35 2.2 Thí nghiệm 35 2.2.1 Tổng hợp vật liệu 35 2.2.1.1 Tổng hợp GO 35 2.2.1.2 Tổng hợp rGO 36 2.2.1.3 Tổng hợp vật liệu nano Pt 37 2.2.1.4 Tổng hợp vật liệu composite Pt/rGO 37 2.2.2 Chế tạo khảo sát hoạt tính điện cực catot 38 2.2.2.1 Chế tạo hệ keo in lụa Pt/rGO 38 2.2.2.2 Chế tạo điện cực catot 39 ix 2.2.2.3 Khảo sát hoạt tính điện hóa điện cực catot 40 2.2.2.4 Chế tạo điện cực anot 41 2.2.3 Ráp pin thử nghiệm hiệu làm việc pin 42 2.2.3.1 Ráp pin 42 2.2.3.2 Thử nghiệm hiệu làm việc pin 43 2.2.4 Khảo sát hình thái – đặc tính – cấu trúc vật liệu 45 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 47 3.1 Vật liệu tổng hợp đặc tính điện cực catot 47 3.2 Hiệu làm việc pin 49 3.2.1 Đường đặc trưng J-V 49 3.2.2 Phổ EIS 54 3.3 Hình thái – đặc tính – cấu trúc vật liệu 57 3.3.1 Phổ FT-IR 57 3.3.2 Phổ Raman 58 3.3.3 Giản đồ XRD 59 3.3.4 Ảnh TEM 61 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ x Phụ lục 3.13: Phổ EIS pin PG5 Phụ lục 3.14: Phổ EIS pin Pt-DC Phụ lục 3.15: Đường đặc trưng J-V pin PG2-1L Phụ lục 3.16: Đường đặc trưng J-V pin PG2-2L Phụ lục 3.17: Đường đặc trưng J-V pin PG2-3L Phụ lục 3.18: Đường đặc trưng J-V pin PG2-4L Phụ lục 3.19: Đường đặc trưng J-V pin PG2-5L Phụ lục 3.20: Đường đặc trưng J-V pin PG2-6L Phụ lục 3.21: Đường đặc trưng J-V pin PG2-7L Phụ lục 3.22: Đường đặc trưng J-V pin PG2-8L Phụ lục 3.23: Đường đặc trưng J-V pin PG2-9L Phụ lục 3.24: Đường đặc trưng J-V pin PG2-10L Phụ lục 3.25: Đường đặc trưng J-V pin chế tạo từ điện cực Pt với lớp Phụ lục 3.26: Ảnh FESEM mặt cắt ngang điện cực catot PG2-1L Phụ lục 3.27: Ảnh FESEM mặt cắt ngang điện cực catot PG2-2L Phụ lục 3.28: Ảnh FESEM mặt cắt ngang điện cực catot PG2-3L Phụ lục 4: Hình thái – cấu trúc – đặc tính vật liệu Phụ lục 4.1: Phổ FTIR Gi Phụ lục 4.2: Phổ FTIR GO Phụ lục 4.3: Phổ FTIR rGO Phụ lục 4.4: Phổ FTIR PG2 Phụ lục 4.5: Phổ Raman Gi Phụ lục 4.6: Phổ Raman GO Phụ lục 4.7: Phổ Raman rGO Phụ lục 4.8: Phổ Raman PG2 Phụ lục 4.9: Giản đồ XRD Gi Phụ lục 4.10: Giản đồ XRD GO Phụ lục 4.11: Giản đồ XRD rGO Phụ lục 4.12: Giản đồ XRD PG2 20 nm Phụ lục 4.13: Ảnh PG2 dung môi H2O 100 nm ... catot pin mặt trời chất màu nhạy quang Tên tiếng Anh: Synthesis of platinum/reduced graphene oxide composite materials by ex situ method for fabrication of cathodes in dye-sensitiezed solar cells.. . percents of rGO: 20, 40, 60, 80, and 100 wt% Pt/rGO composite materials were used for fabrication of cathodes in dye-sensitized solar cells (DSSCs) using the screen-printing method For comparison,... v ABSTRACT In this thesis, platinum /graphene oxide composite (Pt/rGO) materials were synthesized from reduced graphene oxide (rGO) and Pt nanoparticles (Pt) by ex- situ method Accordingly, rGO