Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano composite Fe2O3/C ứng dụng làm điện cực âm cho pin Fe - khí

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phùng Thị Sơn NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU NANO COMPOSITE Fe2O3/C ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC ÂM CHO PIN Fe/KHÍ Chun ngành: Vật Lí nhiệt Mã số (Chương trình đào tạo thí điểm) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: HDC: TS BÙI THỊ HẰNG HDP: GS TS LƯU TUẤN TÀI Hà Nội – 2015 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô giáo Bùi Thị Hằng, viện ITIMS, Đại học Bách Khoa Hà Nội thầy giáo Lưu Tuấn Tài, Đại học Khoa học Tự nhiên, người tận tình hướng dẫn đề tài luận văn, người động viên, tạo điều kiện giúp đỡ để em hoàn thiện luận văn tốt nghiệp Thầy cô 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 mơn Vật Lí Nhiệt độ thấp, thầy giáo khoa Vật Lí – trường Đại học Khoa học Tự nhiên thầy cô giáo viện ITIMS, Đại học Bách khoa Hà Nội giảng dạy giúp đỡ em suốt 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 103.02-2014.20, Cuối cùng, 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 Hà Nội, ngày 24 tháng 11 năm 2015 Học viên: Phùng Thị Sơn MỤC LỤC MỞ ĐẦU Chương - TỔNG QUAN VỀ PIN Fe - khí 1.1 Khái niệm pin 1.2 Tổng quan pin Fe - khí 1.3 Điện cực Fe 1.4 Điện cực khí 10 Chương - THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 12 2.1 Thực nghiệm 12 2.1.1 Hóa chất nguyên vật liệu 12 2.1.2 Tạo mẫu .12 2.1.3 Các phép đo điện hóa 13 2.2 Các phương pháp nghiên cứu 14 2.2.1 Phương pháp đo SEM 14 2.2.2 Phương pháp đo TEM 16 2.2.3 Phương pháp quét vịng tuần hồn (Cyclic Voltammetry) 20 2.2.4 Phương pháp phổ tổng trở (Electrochemical Impedance Spectroscopy) 23 Chương - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 27 3.1 Hình thái học đặc trưng AB, Fe203 Fe203/AB 27 3.2 Đặc trưng CV điện cực AB 29 3.3 Đặc trưng CV điện cực nm-Fe2O3 µm-Fe2O3 .30 3.4 Đặc trưng CV điện cực nm-Fe2O3/AB µm-Fe2O3/AB 35 3.5 Đặc trưng tổng trở điện hóa (EIS) điện cực nm-Fe2O3 µm-Fe2O3 39 3.6 Đặc trưng EIS điện cực nm-Fe2O3/AB µm-Fe2O3/AB 40 KẾT LUẬN 43 KIẾN NGHỊ 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO .45 BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN .48 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Số liệu so sánh công nghệ số pin sạc lại Bảng 1.2: Đặc trưng pin Fe - khí Bảng 2.1: Bảng hoá chất nguyên vật liệu 12 Bảng 3.1: Đặc trưng AB Fe2O3 29 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động pin kim loại - khí…………… Hình 1.2: Ngun lý hoạt động pin Fe - khí………………………… Hình 1.3: Đường cong phóng - nạp điện cực sắt…………………… Hình 2.1: Cell ba điện cực Hình 2.2: Hệ AutoLab Hình 2.3: Sơ đồ khối kính hiển vi điện tử qt…………………………… Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)…… Hình 2.5: Đồ thị qt vịng Cyclic Voltametry………………………… Hình 2.6:Quan hệ điện dịng điện qt vịng hồn… Hình 2.7: Quan hệ điện dòng điện quét vòng tuần hồn số chu kỳ qt…………………………………………… Hình 2.8: Mạch điện tương đương bình đo điện hóa………………… Hình 2.9: Sơ đồ biểu diễn tổng trở mặt phẳng phức………………… Hình 3.1: Ảnh TEM AB……………………………………………… Hình 3.2: Ảnh SEM mẫu nm-Fe2O3 với độ phóng đại khác Hình 3.3: Ảnh SEM mẫu µm-Fe2O3 với độ phóng đại khác Hình 3.4: Ảnh SEM mẫu µm-Fe2O3/AB (a) nm-Fe2O3/AB (b) Hình 3.5: Đặc trưng CV điện cực AB (AB:PTFE= 90:10 wt%) dung dịch M KOH……………………………………… ……… Hình 3.6: Đặc trưng CV điện cực composit nm-Fe2O3 (Fe2O3:PTFE = 90:10 wt.%) dung dịch KOH (a) KOH + K2S (b)……………… Hình 3.7: Đặc trưng CV điện cực composit µm-Fe 2O3 (Fe2O3:PTFE = 90:10 wt.%) dung dịch KOH (a) KOH + K2S (b)……………… Hình 3.8: Đặc trưng CV điện cực composit nm-Fe2O3 /AB (Fe2O3:AB:PTFE = 45:45:10 wt.%) dung dịch KOH (a) KOH + 13 14 15 17 20 21 22 23 25 27 28 28 29 30 31 33 35 K2S (b)…………………………………………………………………… Hình 3.9: Đặc trưng CV điện cực composit µm-Fe2O3 /AB (Fe2O3:AB:PTFE = 45:45:10 wt.%) dung dịch KOH (a) KOH + 38 K2S (b)…………………………………………………… ……………… Hình 3.10: Phổ tổng trở của điện cực nm-Fe2O3 (Fe2O3:PTFE = 90:10 wt.%) dung dịch KOH (a) KOH + K2S (b) Hình 3.11: Phổ tổng trở của điện cực µm-Fe2O3 (Fe2O3:PTFE = 90:10 wt.%) dung dịch KOH (a) KOH + K2S (b) Hình 3.12: Phổ tổng trở của điện cực nm-Fe2O3/AB (Fe2O3:AB:PTFE = 45:45:10 wt.%) dung dịch KOH (a) KOH + K2S (b) 39 40 41 Hình 3.13: Phổ tổng trở của điện cực µm-Fe2O3/AB (Fe2O3:AB:PTFE = 45:45:10 wt.%) dung dịch KOH (a) KOH + K2S (b) 41 BẢNG KÍ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT STT Tên Acetylen black cacbon Cyclic Voltammetry Electrochemical Impedance Spectroscopy Open Circuit Potential (Thế mạch hở) Open Circuit Voltage (Điện áp mạch mở) Polytetrafluoroethylene Scanning Electron Microscopy Transmission Electron Microscopy Kí hiệu AB CV EIS OCP OCV PTFE SEM TEM MỞ ĐẦU Năng lượng điện đóng vai trị quan trọng đời sống Tuy nhiên lượng điện khơng tích trữ Trong pin hợp chất hóa học hoạt động phương tiện lưu trữ lượng Các thiết bị di động ngày phát triển nhanh, mạnh số lượng, tính cấu hình địi hỏi khơng ngừng việc cải tiến, nâng cao chất lượng loại pin sạc có Trong đó, cơng nghệ pin cịn nhiều hạn chế, thách thức so với yêu cầu thiết bị Các nhà khoa học nhiều năm để nghiên cứu cố gắng tạo loại pin có khả lưu trữ lượng cao, thời gian sạc ngắn đạt kết định Nhu cầu pin hiệu suất cao, an toàn, mật độ lượng lượng riêng cao, chi phí thấp, thân thiện với mơi trường cho thiết bị điện tử, xe điện ứng dụng lưu trữ lượng ngày cao Những năm gần đây, nhà khoa học giới phát triển hệ pin pin kim loại - khí với hoạt tính xúc tác cao hơn, bền hơn, chi phí thấp loại pin sử dụng rộng rãi Loại pin xem có tiềm ứng dụng loại xe điện, xe hybrid điện… chúng có mật độ lượng cao oxy khơng khí sử dụng vật liệu điện cực dương pin [4, 34, 43] Theo Giáo sư Hongjie Dai Đại học Stanford – Mỹ trích dẫn tài liệu tham khảo: “Hầu hết ý giới tập trung vào pin lithium-ion mật độ lượng (lưu trữ lượng cho đơn vị thể tích) hạn chế, chi phí cao mức độ an tồn thấp Đối với pin kim loại - khí mật độ lượng lý thuyết cao so với pin lithium - ion hay pin Ni - MH, nguồn cung cấp nguyên liệu phong phú, chi phí thấp an tồn chất khơng cháy chất điện phân” Bảng 1.1 thể số liệu so sánh công nghệ số pin sạc lại, pin kim loại - khí cho thấy lượng lý thuyết lượng riêng mật độ lượng lớn [28] Bảng 1.1 Số liệu so sánh công nghệ số pin sạc lại Công nghệ Lead – acid Nickel – cadmium Nickel – iron Nickel – hydrogen Nickel – metal hydride Nickel – zinc Zinc/silver oxide Zinc/bromine Polysulfide/bromine Vanadium – redox Zinc/air Aluminum/air Iron/air Sodium/sulfur Sodium/nickel chloride Li – Al/FeS Li – Al/FeS2 Li – C/LiCoO2 Li – C/LiNi1-xCoxO2 Li – C/LiMn2O4 – Thế Dung Năng Thời Tự phóng mạch lượng lượng gian (%/tháng) hở (V) riêng lý riêng lý sạc 200C thuyếta thuyếta (h) (Ah/kg) 120 181 224 289 178 215 283 238 27 21 825b 2980b 960b 375 305 345 285 100 105 (Wh/kg) 252 244 314 434 240 327 524 429 41 29 1320 8135 1250 755 787 459 490 360 400 – 24 – 16 - 24 1–2 8 – 18 – 12 –10 5–6 3–6 5–8 5–8 2.5 2.1 1.35 1.4 1.5 1.35 1.73 1.85 1.83 1.5 1.4 1.6 2.73 1.3 2.08 2.58 1.33 1.73 3–4 3–4 3–4 10 25 60 30 15 12 – 15 – 10 – 10 15 < 3.5 < 2.5 polymer elect Tính tốn sở phản ứng điện hóa khối lượng vật liệu hoạt a động điện cực b Tính tốn sở vật liệu điện cực âm Với cơng nghệ pin kim loại - khí, oxy khơng khí sử dụng vật liệu điện cực dương pin Tấm điện cực âm tạo từ nhiều loại kim loại khác nhau, loại tương tác với oxy không khí để tạo dịng điện Có nhiều kim loại sử dụng làm điện cực nhôm, sắt, lithium, magiê, vanadium kẽm…Sơ đồ nguyên lý hoạt động pin kim loại khí mơ tả hình 1.1 Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động pin kim loại - khí Đối với pin kim loại - khí, điện cực âm đóng vai trị quan trọng, định dung lượng, lượng, thời gian sống hiệu suất pin Trong số ứng cử viên tiềm cho điện cực âm pin kim loại /khí, kẽm, sắt nhơm thu hút nhiều ý Trong ba kim loại này, kẽm nhận ý nhiều kim loại hoạt động tương đối ổn định dung dịch kiềm không bị ăn mòn Vấn đề lớn với pin sạc lại Zn - khí hình thành dendrite (dạng nhánh cây) q trình phóng - nạp thơng qua chế kết tủa - hòa tan làm chậm trình thương mại hóa loại pin Tuy nhiên có nghiên cứu tiếp tục cho loại pin ứng dụng tiềm [3, 6, 7, 10, 11, 13, 21, 30, 33, 44] Nhôm nhà khoa học ý nhiều có nhiều trái đất, chi phí thấp Tuy nhiên, pin Al - khí phóng q cao hệ dung dịch nước (nước bị điện phân) nên Al chủ yếu ứng dụng pin sạc lại học [8, 12, 22, 27, 32, 33, 37, 42, 45] Pin Fe - khí mạch hở thấp, lượng riêng dung lượng riêng lý thuyết cao, chi phí thấp nên thu hút nhiều ý Pin Fe - khí có nhiều triển vọng ứng dụng hệ thống nguồn di động Khác với kẽm, điện ... việc thúc đẩy nghiên cứu định hướng ứng dụng nước, em lựa chọn đề tài luận văn là: ? ?Nghiên cứu chế tạo vật liệu nano composite Fe 2O3/C ứng dụng làm điện cực âm cho pin Fe - khí? ?? Luận văn bao gồm... ứng điện hóa khối lượng vật liệu hoạt a động điện cực b Tính toán sở vật liệu điện cực âm Với cơng nghệ pin kim loại - khí, oxy khơng khí sử dụng vật liệu điện cực dương pin Tấm điện cực âm tạo. .. cacbon để tạo thành vật liệu nano composit Fe2 O3/C sử dụng làm điện cực âm cho pin Fe - khí Bên cạnh đó, ảnh hưởng chất phụ gia K2S dung dịch điện ly đến tính chất điện hóa điện cực Fe2 O3/C khảo