Nghiên cứu chế tạo composite carbon nanotubes polyaniline ứng dụng làm điện cực cho siêu tụ điện dẻo

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  TRẦN PHƢỚC TOAN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO COMPOSITE CARBON NANOTUBES/POLYANILINE ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC CHO SIÊU TỤ ĐIỆN DẺO Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC Mã số chuyên ngành: 60520301 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 10, năm 2017 HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hƣớng dẫn khoa học : TS Đỗ Hữu Quyết TS Nguyễn Trƣờng Sơn Cán chấm nhận xét : PGS.TS Nguyễn Đình Thành Cán chấm nhận xét : PGS.TS Hồ Thị Thanh Vân Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 27 tháng 01 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) PGS.TS Ngô Mạnh Thắng PGS.TS Nguyễn Đình Thành PGS.TS Hồ Thị Thanh Vân TS Lê Minh Viễn TS Nguyễn Văn Dũng Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trƣởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn đƣợc sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học TRƢỞNG KHOA….……… i HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƢỜNG 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: Trần Phƣớc Toan MSHV: 7140802 Ngày, tháng, năm sinh: 11/04/1990 Nơi sinh: TP.HCM Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số : 60520301 I TÊN ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu chế tạo composite carbon nanotubes/polyaniline ứng dụng làm điện cực cho siêu tụ điện dẻo” II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: − Nhiệm vụ: nghiên cứu, khảo sát quy trình chế tạo chất điện giải PVA điện cực composite hai thành phần CNTs/PANi nhằm tạo điện cực hƣớng đến ứng dụng chế tạo siêu tụ điện dẻo − Nội dung đề tài bao gồm:  Chƣơng 1: Tổng quan loại vật liệu chế tạo điện cực màng điện giải, phƣơng pháp tổng hợp, khảo sát tính chất vật liệu  Chƣơng 2: Thực nghiệm bao gồm quy trình chế tạo vật liệu cách lắp ghép prototype siệu tụ  Chƣơng 3: Nhận xét, bàn luận kết đề tài  Chƣơng 4: Tổng hợp kết chế tạo điện cực composite CNTs/PANi định hƣớng hoàn thiện việc chế tạo stack siêu tụ điện III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 10/07/2017 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/12/2017 V CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):  Hƣớng dẫn : TS Đỗ Hữu Quyết  Đồng hƣớng dẫn : TS Nguyễn Trƣờng Sơn Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học ii HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn Tp HCM, ngày tháng năm 20 CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) TRƢỞNG KHOA….……… (Họ tên chữ ký) Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học iii HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn hỗ trợ tài từ Bộ Khoa học Cơng nghệ Việt Nam cho đề tài “Nghiên cứu công nghệ chế tạo màng mỏng truyền nhiệt nano carbon ứng dụng cho thiết bị điện điện tử” với mã số đề tài ĐM.17.NC/16 số hợp đồng 01/2016/HĐ-CTĐMCN Luận văn thạc sĩ đƣợc thực Phịng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano thuộc Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Khu Cơng Nghệ Cao Thành Phố Hồ Chí Minh, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Đỗ Hữu Quyết tận tình hƣớng dẫn, bảo giúp đỡ động viên em suốt trình triển khai, thực hoàn thành đề tài Em gửi lời cảm ơn tới anh chị, cán trung tâm hết lòng giúp đỡ em suốt thời gian thực đề tài Xin trân trọng cảm ơn quan tâm sâu sắc thầy Nguyễn Trƣờng Sơn thầy cô Khoa Kỹ thuật hóa học, Đại học Bách Khoa, ĐHQG-TPHCM dạy bảo, truyền đạt kiến thức khoa học, giúp đỡ ủng hộ em suốt trình học tập thực luận án Cuối em xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, anh chị học viên cao học Kỹ thuật hóa học K2014 nhiệt tình đóng góp ý kiến, giúp đỡ, chia sẻ, quan tâm em Em mong đƣợc phản hồi, đóng góp nhà chun mơn, thầy cơ, anh chị để nội dung luận văn hồn chỉnh có tác dụng thiết thực Trân trọng cảm ơn! TP Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2017 Trần Phƣớc Toan Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học iv HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO COMPOSITE CARBON NANOTUBES/POLYANILINE ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC CHO SIÊU TỤ ĐIỆN DẺO TRẦN PHƢỚC TOAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HĨA HỌC Chun ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số: 60520301 Tóm tắt: Siêu tụ điện dẻo thiết bị lƣu trữ lƣợng với ƣu điểm độ ổn định tính bền với mật độ lƣợng cao (điện năng/đơn vị khối lƣợng), nhẹ, dễ uốn cong an tồn q trình sử dụng nhƣ bảo quản có lớp màng điện điện giải dẻo điện cực dạng mềm dẻo, thiết bị có nhiều ứng dụng lĩnh vực khoa học đời sống Màng điện giải dẻo PVA:LiCl tổng hợp phƣơng pháp khuấy trộn đƣợc khảo sát tính chất vật lý phƣơng pháp đo độ nhớt, phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng lƣợng Điện cực composite hai thành phần CNTs/PANi đƣợc tổng hợp giấy bucky phƣơng pháp quét vịng C-V điều kiện nhiệt độ phịng Các tính chất hình thái cấu trúc, tính chất quang học, điện hóa vật liệu đƣợc khảo sát phƣơng pháp UV-Vis, FTIR, SEM, C-V cho thấy điện cực có cấu trúc xốp, PANi bám lên sợi CNTs, điện dung riêng composite cao (399.2 F/g Các vật liệu hứa hẹn nhiều tiềm ứng dụng thiết bị dự trữ lƣợng nói chung vật liệu siêu tụ dẻo nói riêng Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học v HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn HIGH PERFORMANCE SUPERCAPACITOR ELECTRODE BASED ON BUCKYPAPER/POLYANILINE COMPOSITE Abstract Polyaniline was coated on carbon nanotube within its nanoporous sheet (buckypaper) by in situ electrochemical polymerization Fourier transform infrared and ultraviolet–visible spectroscopy were used to analyze the change in chemical structure of the polymer Microstructure of the composites under different synthesis condition was investigated In addition, the electrochemical performance of the composites as binder-free supercapacitor electrodes was characterized and optimized The chemical structure and morphology of the polyaniline and resulting composites were studied This work shows a strong effect of aniline concentration and buckypaper soaking time on the synthesis of polyaniline Outstanding composite areal and gravimetric capacitances of 54 F/cm2 and 399.2 F.g-1, respectively could be achieved at high weight loading of PANI This is due to the fact that the composites consisting of carbon materials and electro-active species with highly specific surface area, significantly enhance the energy density of supercapacitors, and such supercapacitors exhibit both double-layer and pseudocapacitance Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học vi HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình nghiên cứu thực cá nhân đƣợc thực dƣới hƣớng dẫn trực tiếp TS Đỗ Hữu Quyết – Trung tâm R&D Khu CNC đồng hƣớng dẫn TS Nguyễn Trƣờng Sơn, Khoa Kỹ Thuật Hóa Học, Trƣờng Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh Các số liệu, kết nghiên cứu kết luận luận văn hồn tồn trung thực, chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác trƣớc Tơi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nghiên cứu Học viên thực đề tài Trần Phƣớc Toan Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học vii HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iv LỜI CAM ĐOAN .vii MỤC LỤC viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT x DANH MỤC CÁC BẢNG xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xii GIỚI THIỆU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu siêu tụ điện 1.1.1 Lịch sử hình thành phát triển 1.1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 1.2 Tổng quan màng điện giải dẻo .9 1.2.1 Tính chất vật lý .9 1.2.2 Tính chất hóa học PVA 13 1.3 Tổng quan vật liệu chế tạo điện cực composite CNTs/PANi .13 1.3.1 Giấy bucky 13 1.3.2 Tổng quan PANi 16 1.3.3 Các nghiên cứu composite CNTs/PANi dùng siêu tụ điện 22 1.4 Phƣơng pháp xác định cấu trúc, tính chất vật liệu 23 1.4.1 Phƣơng pháp phân tích nhiệt trọng lƣợng (TGA) .23 1.4.2 Phƣơng pháp quét tuần hoàn Von-Ampe .24 1.4.3 Phƣơng pháp đo SEM 27 1.4.4 Phƣơng pháp phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 28 1.4.5 Phƣơng pháp phân tích phổ hồng ngoại FT-IR 28 1.4.6 Phƣơng pháp đo độ dẫn điện thông qua thiết bị đo điện trở mặt 29 CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM 31 2.1 Quá trình chế tạo chất điện giải 32 2.2 Quá trình chế tạo điện cực composite CNTs/PANi 35 2.2.1 Chế tạo giấy bucky .35 2.2.2 Tổng hợp composite CNTs/PANi 37 2.3 Chế tạo prototype siêu tụ đơn 39 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ & BIỆN LUẬN 42 Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học viii HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn 3.1 Kết chế tạo chất điện giải dẻo PVA:LiCl 43 3.1.1 Khảo sát độ nhớt dung dịch PVA:LiCl .43 3.1.2 Khảo sát nhiệt chuyển trọng lƣợng dung dịch PVA:LiCl 44 3.2 Kết chế tạo giấy bucky .45 3.3 Kết nghiên cứu điện cực composite CNTs/PANi yếu tố ảnh hƣởng lên tính chất điện cực 47 3.3.1 Kết nghiên cứu PANi phổ UV-vis .47 3.3.2 Kết nghiên cứu polymer PANi phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) 48 3.3.3 Kết nghiên cứu PANi kính hiển vi điện tử quét (SEM) 49 3.3.4 Đặc trƣng quét vòng (C-V) composite CNTs/PANi .50 3.3.5 Hình thái bề mặt sợi CNTs composite CNTs/PANi 53 3.3.6 Ảnh hƣởng tốc độ quét trình PANi bao phủ sợi CNTs .54 3.3.7 Ảnh hƣởng thời gian thấm ƣớt giấy bucky dung dịch aniline 56 3.3.8 Ảnh hƣởng nồng độ aniline lên trình hình thành polyaniline bề mặt CNTs 58 3.3.9 Kết tính tốn điện dung mẫu composite CNTs/PANi 59 3.4 Kết đo đạc thông số prototype siêu tụ 61 CHƢƠNG 64 4.1 Kết đạt đƣợc .65 4.2 Hƣớng phát triển đề tài .65 DANH MỤC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 PHỤ LỤC 71 PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 73 Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học ix HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn có chiều sâu, với diện tích bề mặt riêng lớn, đặc điểm thích hợp cho việc ứng dụng làm điện cực cho siêu tụ điện a) b) c) d) Hình 3.14 Hình SEM PANi bao phủ lên sợi CNTs nồng độ aniline a) 0.1M; b) 0.2M; c) 0.3M; d) 0.4M 3.3.9 Kết tính toán điện dung mẫu composite CNTs/PANi Sau tổng hợp PANi lên điện cực giấy bucky, composite đƣợc kiểm tra điện dung dung dịch HCl 1M với tốc độ quét 50mV/s, điện áp – 0.8V Đƣờng đặc trƣng CV ba mẫu composite, tổng hợp nồng độ aniline 0.3M với thời gian thấm ƣớt giấy bucky khác đƣợc thể hình 3.15 Ở tốc độ qt cao, đƣờng CV có dạng hình chữ nhật hình dạng lý tƣởng cho tụ điện có lƣợng điện cực cao Điều đặc tính dẫn điện mạng lƣới CNTs Hai píc giả điện dung phản ứng Faradaic PANi không thật rõ tốc độ quét cao Điện dung điện cực đƣợc tính từ diện tích phần bị giới hạn đƣờng cong CV, giá trị đƣợc thể bảng 3-5 Có thể nhận thấy mật độ điện dung composite tăng mạnh tăng nồng độ aniline (hình 3.16b) Mật độ điện dung Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học 59 HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn tăng gần gấp lần mẫu tổng hợp nồng độ aniline 0.4M (42.26 F/cm2) so với mẫu tổng hợp nồng độ 0.1M (15.12 F/cm2) Mật độ điện dung cao đạt đƣợc 51.03 F/cm2, giá trị cao so với điện cực điện dung lớp kép (khoảng F/cm2) Điều điện cực có mật độ PANi cao trọng lƣợng composite tăng 45 lần từ 17mg lên 767mg (bảng 3-5) Kết cao so với tăng khối lƣợng điện cực lên gấp lần nghiên cứu Shaoqing He cộng [50] Thời gian thấm ƣớt giấy bucky cho hiệu tƣơng tự nhƣng không đƣợc mạnh So sánh ba mẫu composite có khối lƣợng gần khác thời gian thấm ƣớt giấy bucky nồng độ aniline (24 - 0.3M; 48 - 0.2M; 72 - 0.1M), nhận thấy nồng độ aniline cao điện dung lớn Điều PANi tổng hợp nồng độ cao đồng hơn, trình tổng hợp aniline monome nằm nên đƣợc tổng hợp trƣớc, monome phía bên ngồi di chuyển vào bên để tiếp tục trình tổng hợp Ngƣợc lại trƣờng hợp nồng độ monome thấp, sợi CNTs nằm bề mặt giấy bucky bị bao phủ PANi trƣớc so vớ sợi CNTs nằm phía bên trong, làm đồng Đối với điện dung riêng (hình 3.16a), nồng độ aniline có ảnh hƣởng mạnh nhƣng ảnh hƣởng thời gian thấm ƣớt hầu nhƣ không Điện dung riêng cao 399.2 F/g đạt đƣợc với lƣợng lớn PANi đƣợc tổng hợp lên giấy bucky Bảng 3-5 Kết tính tốn điện dung điện cực composite Nồng độ aniline [M] 0.1 Tốc độ quét [mV.s-1] Số vòng quét Điện dung riêng giấy bucky [F.g-1] 0.3 0.4 20 20 Điện dung riêng composite CNTs/PANi [F.g-1] Mật độ điện dung composite [F.cm-2] Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học 0.2 60 21.52 23.03 22.78 21.08 195.8 208.1 211.0 15.12 21.91 25.15 256.7 286.6 287.3 23.70 32.43 36.06 343.8 373.9 397.2 37.93 46.55 50.38 377.3 383.1 399.2 42.26 48.08 51.03 HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn Hình 3.15 Đường CV composite CNTs/PANi ứng với thời gian thấm ướt giấy bucky khác Hình 3.16 Ảnh hưởng nồng độ aniline thời gian thấm ướt giấy bucky lên a) điện dung riêng b) mật độ điện dung composite 3.4 Kết đo đạc thơng số prototype siêu tụ a) b) Hình 3.17 Kết đo CV mẫu đơn tụ sử dụng điện cực giấy bucky: a) với tốc độ quét 10mV/s;b) với tốc độ quét 1mV/s Từ kết đo CV hình 3.17 ta tính đƣợc điện dung riêng tụ lần lƣợt hai trƣờng hợp C1=15 (F/g) tốc độ quét 10mV/s C2=20 (F/g) tốc độ quét 1mV/s, điện áp tích trữ 0.97V, kết tƣơng xứng với nghiên cứu khác Điều cho thấy tốc độ quét nhỏ điện dung thu đƣợc lớn Tuy nhiên, điện dung điện áp thấp Một điện cực siêu tụ đòi hỏi nhiều đặc tính nên khó vật liệu có đƣợc Những đặc tính gồm dung lƣợng lớn lƣu trữ lƣợng cao, diện tích bề mặt lớn, dẫn điện cao, sức mạnh, ổn định hóa học chi phí thấp cho hiệu cao, lƣu trữ lƣợng, vịng nạp xả chi phí chế tạo thấp Sự kết hợp vật liệu khác cách hợp lý có đƣợc đặt tính Các vật liệu polyme hỗ trợ thƣờng có Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học 61 HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn độ dẫn thấp nên cần kết hợp với số vật liệu có độ dẫn điện cao nhƣ than đen CNTs bên để làm tăng độ dẫn Các lỗ trống nano tạo diện tích bề mặt lớn, làm cho chất điện phân thấm qua cho phép tích trữ lƣợng cao nhiều thiết kế thông thƣờng Sử dụng điện cực composite nhƣ kết cấu lai kiểm soát cấu trúc, liên kết chặc chẽ hóa học, điện nhiệt để đạt đƣợc hiệu mong muốn a b Hình 3.18 Kết đo CV mẫu đơn tụ sử dụng điện cực CNT/ PANI: a) điện dung tụ điện với tốc độ quét 2mV/s; b) tốc độ tự xả tụ đơn vịng 100s Hình 3.18 kết đo CV thấy xuất đỉnh thể phản ứng oxi hóa khử, tạo điện dung lớn theo chế giả điện dung (pseudo-capacitance) Điện dung riêng siêu tụ sử dụng điện cực CNTs/PANI Cr= 170 (F/g) cao so với điện dung riêng nhóm tác giả khác, điện áp tích trữ lên tới 1.2V siêu tụ nhóm tác giả khác đạt xấp xỉ 1.0V Để chế tạo siêu tụ điện mới, nhà khoa học tạo bọt xốp ống nano các-bon 3D, tạo lỗ trống kích thƣớc nano làm tăng diện tích bề mặt, làm cho chất điện phân thấm vào bên cấu trúc điện cực xốp, cho phép tích trữ lƣợng lớn bình thƣờng Từ kết đạt đƣợc ta tiến hành ghép song song đơn tụ lại với Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học 62 HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn b a Hình 3.19 Điện áp tự xả việc ghép song song a) đơn tụ b) đơn tụ nạp 3V Ta thấy ghép song song đơn tụ với cho điện áp cao, ta bắt đầu gắn với đèn led kết đèn sáng Hình 3.20 Hiệu thấp sáng đèn LED đơn ghép song song Một ƣu điểm trội siêu tụ điện so với pin hiệu suất chu kỳ cao Điều kích hoạt điện hóa vật liệu hoạt tính Vì số lƣợng ion đƣợc tích trữ phụ thuộc vào diện tích bề mặt điện cực, nên điện cực thƣờng làm từ vật liệu nhƣ sợi các-bon có độ xốp cao kích thƣớc nanomét Lƣợng điện tích trữ tụ điện phụ thuộc vào điện tích điện cực Nhiều siêu tụ điện có điện cực đƣợc làm từ vật liệu xốp nhƣ than chì, than hoạt tính - có giá rẻ tích trữ điện tích Tuy nhiên, tính xốp lại nhƣợc điểm tích trữ nhiều điện tích chất liệu có mật độ thấp đòi hỏi khối lƣợng vật liệu lớn, điều khơng thích hợp ứng dụng vào thiết bị điện tử nhỏ gọn Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học 63 HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn CHƢƠNG KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học 64 HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn 4.1 Kết đạt đƣợc - Điện cực composite chế tạo thành công cách tổng hợp PANi trực tiếp lên giấy bucky phƣơng pháp điện hóa PANi đƣợc tổng hợp dạng muối emeraldine có mật độ tƣơng đối đồng đều, phủ kín, bao bọc sợi CNTs giấy bucky, đƣờng kính sợi khoảng từ 50-100nm, nhiên giữ cấu trúc xốp thích hợp cho khả ứng dụng vào siêu tụ điện - Điện cực composite CNTs/PANi với tỷ lệ nồng độ PANi 0.3M có điện dung riêng cao nhất, đạt 399.2 F/g kết cao so với điện dung riêng điện cực giấy bucky 15-29 F/g tùy vào tốc độ quét thế, khoảng làm việc từ -0.2 đến 0.8V - Chế tạo thành công prototype siêu tụ đơn với giá trị điện dung lớn đạt đƣợc 170 F/g, điện áp tích trữ lên tới 1.2V siêu tụ nhóm tác giả khác đạt xấp xỉ 1.0V - Ghép song song siêu tụ đơn siêu tụ đơn, điện áp tích trữ lần lƣợt 1.7V 2.3V dùng để làm sáng đèn LED 4.2 Hƣớng phát triển đề tài - Tối ƣu hóa thơng số tổng hợp vật liệu màng điện giải nhƣ điện cực Đối với màng điện giải cần khảo sát thêm thông số nhƣ độ bền lý, độ hao hụt mơi trƣờng, khả bị ơxy hóa, ngồi cần khảo sát thêm ảnh hƣởng khối lƣợng phân tử nhƣ tỷ lệ chất thành phần chế tạo dung dịch Sau chế tạo siêu tụ cần khảo sát thêm độ dẫn màng điện giải nhằm tối ƣu tính dẫn điện màng - Đối với điện cực composite cần khảo sát thêm thông số ảnh hƣớng đến điện dung màng nhƣ thời gian thấm ƣớt dung dịch, tốc độ tổng hợp vật liệu, thời gian tổng hợp vật liệu nhƣ tối ƣu hóa nồng độ PANi - Ngồi ra, tiến hành tối ƣu hóa quy trình chế tạo siêu tụ điện khảo sát thêm thông số cần thiết sở vật liệu tổng hợp đƣợc nhằm tạo siêu tụ điện toàn chất rắn với đặc tính nhẹ, an tồn, có khả uốn cong có mật độ cơng suất lƣợng cao Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học 65 HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn DANH MỤC BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ Trần Phƣớc Toan, Đỗ Hữu Quyết, “Tổng hợp polyaniline bên cấu trúc nano giấy bucky phương pháp điện hóa”, Tạp chí phát triển KH&CN, 101-113, tập 19, số T3-2016 Toan Phuoc Tran, Quyet Huu Do, “High-Performance Supercapacitor Electrode Based on Buckypaper/Polyaniline Composite”, Journal of Electronic Materials, vol.46, no.10, pp 6056-6062, Nov.2017 Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học 66 HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguồn: http://www.frost.com/sublib/display-report.do?id=N661-01-00-0000&bdata=bnVsbEB%2BQEJhY2tAfkAxNDM0MjYyOTEyMDc3 [2] L Du, P Yang, X Yu, P Liu, J Song, and W Mai, “Flexible supercapacitors based on carbon nanotube/MnO2 nanotube hybrid porous films for wearable electronic devices,” J Mater Chem A, vol 2, no 41, pp 17561–17567, 2014 [3] G Wang, X Lu, Y Ling, T Zhai, H Wang, Y Tong, and Y Li, “LiCl/PVA gel electrolyte stabilizes vanadium oxide nanowire electrodes for pseudocapacitors.,” ACS Nano, vol.6, no.11, pp 10296–302, Nov 2012 [4] A Ghosh, E J Ra, M Jin, H K Jeong, T H Kim, C Biswas, and Y H Lee, “High pseudocapacitance from ultrathin V2O5 films electrodeposited on selfstanding carbon-nanofiber paper,” Adv Funct Mater., vol.21, no.13, pp 2541– 2547, 2011 [5] I.-H Kim, J.-H Kim, B.-W Cho, Y.-H Lee, and K.-B Kim, “Synthesis and Electrochemical Characterization of Vanadium Oxide on Carbon Nanotube Film Substrate for Pseudocapacitor Applications,” J Electrochem Soc., vol 153, no.6, p A989, Jun 2006 [6] C Guo, L Zhou, and J Lv, “Effects of expandable graphite and modified ammonium polyphosphate on the flame-retardant and mechanical properties of wood flour-polypropylene composites,” Polym Polym Compos., vol 21, no.7, pp 449–456, 2013 [7] P Gajendran and R Saraswathi, “Polyaniline-carbon nanotube composites,” Pure Appl Chem., vol.80, no.11, pp 2377–2395, 2008 [8] Q Liu, O Nayfeh, M H Nayfeh, S T Yau, “Flexible supercapacitor sheets based on hybrid nanocomposite materials”, Nano Energy, vol.2, no.1, pp 133– 137, Jan 2013 [9] S Zeng, H Chen, F Cai, Y Kang, M Chen, Q Li, “Electrochemical fabrication of carbon nanotube/polyaniline hydrogel film for all-solid-state flexible supercapacitor with high areal capacitance”, J Mater Chem A, vol 47, no 3, pp 23864-23870, Nov.2015 [10] T A Ha, V M Tran, and M L Phung Le, “Nanostructured composite electrode based on manganese dioxide and carbon vulcan–carbon nanotubes for an electrochemical supercapacitor,” Adv Nat Sci Nanosci Nanotechnol., vol 4, no 3, p 035004, Jun 2013 Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học 67 HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn [11] T.-H Tran, S.-T Ho, and T.-D Nguyen, “Nanofibrillar alginic acid-derived hierarchical porous carbon supercapacitors,” Can J Chem Eng., vol 92, no 5, pp 796–802, May 2014 [12] Becker, Howard I., “Low voltage electrolytic capacitor”, U.S Patent, US42304254A, 23-Jul-1957 [13] Rightmire, Robert A., “Electrical energy storage apparatus”, US20072362A , 29-Nov-1966 U.S Patent, [14] Nguồn: http://www.idtechex.com/research/articles/change-of-leadership-of-theglobal-market-value-of-supercapacitors-00005344.asp [15] A M Namisnyk, “A SURVEY OF ELECTROCHEMICAL by,” Electr Eng., no June, p 122, 2003 [16] Biopolymers · PVA Hydrogels, Anionic Polymerisation Nanocomposites, vol 153 Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2000 [17] C E Schildknecht, “Polyvinyl alcohol, properties and applications, C A Finch, Wiley, New York, 1973 622 pp.,” J Polym Sci Polym Lett Ed., vol 12, no 2, pp 105–106, Feb 1974 [18] S Matsumura, N Tomizawa, A Toki, K Nishikawa, and K Toshima, “Novel Poly(vinyl alcohol)-Degrading Enzyme and the Degradation Mechanism,” Macromolecules, vol 32, no 23, pp 7753–7761, 1999 [19] K Burczak, E Gamian, and A Kochman, “Long-term in vivo performance and biocompatibility of poly(vinyl alcohol) hydrogel macrocapsules for hybrid-type artificial pancreas,” Biomaterials, vol 17, no 24, pp 2351–2356, 1996 [20] Nguồn: http://thefutureofthings.com/3005-buckypaper-nanotubes-on-steroids/ [21] Nguồn: http://www.buckypaper.com/ [22] Nguồn: http://www.usasymposium.com/nano/05nano/wang.htm [23] H Cui, Q Li, Y Qian, R Tang, H An, and J Zhai, “Defluoridation of water via electrically controlled anion exchange by polyaniline modified electrode reactor,” Water Res., vol 45, no 17, pp 5736–5744, 2011 [24] A G MacDiarmid, “Nobel lecture: „Synthetic metals‟: A novel role for organic polymers,” Rev Mod Phys., vol 73, no 3, pp 701–712, 2001 [25] A Moliton and R C Hiorns, “Review of electronic and optical properties of semiconducting π-conjugated polymers: Applications in optoelectronics,” Polym Int., vol 53, no 10, pp 1397–1412, 2004 Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học 68 HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn [26] A N Aleshin, “Polymer nanofibers and nanotubes: Charge transport and device applications,” Advanced Materials, vol 18, no pp 17–27, 2006 [27] J Bredas and G Street, “Polarons, bipolarons, and solitons in conducting polymers,” Acc Chem Res., vol 1305, no 4, pp 309–315, 1985 [28] S V N T Kuchibhatla, A S Karakoti, D Bera, and S Seal, “One dimensional nanostructured materials,” Progress in Materials Science, vol 52, no pp 699–913, 2007 [29] P Yang and W Mai, “Flexible solid-state electrochemical supercapacitors,” Nano Energy, vol 8, pp 274–290, 2014 [30] B Hafner, “Energy Dispersive Spectroscopy on the SEM: A Primer,” Charact Facil Univ Minnesota, pp 7–10, 2006 [31] J W Gilmanl, “Thermal Decomposition Chemistry of Poly ( vinyl alcohol ),” Fire Polym II Mater Test Hazard Prev ACS, vol 599, p 161, 1995 [32] V Barsukov, V Khomenko, S Chivikov, I Barsukov, and T Motronyuk, “On the faradaic and non-faradaic mechanisms of electrochemical processes in conducting polymers and some other reversible systems with solid-phase reagents,” Electrochim Acta, vol 46, no 26–27, pp 4083–4094, Aug 2001 [33] Q Cheng, J Tang, N Shinya, and L.-C Qin, “Polyaniline modified graphene and carbon nanotube composite electrode for asymmetric supercapacitors of high energy density,” J Power Sources, vol 241, pp 423–428, 2013 [34] K B Oldham, “Analytical expressions for the reversible Randles-Sevcik function,” J Electroanal Chem Interfacial Electrochem., vol 105, no 2, pp 373–375, Dec 1979 [35] Y Atassi and M Tally, “Electrochemical polymerization of anilinium hydrochloride.” [36] R E Sabzi, K Rezapour, and N Samadi, “Polyaniline-multi-wall-carbon nanotube nanocomposites as a dopamine sensor,” J Serbian Chem Soc., vol 75, no 4, pp 537–549, 2010 [37] C Y Wang, V Mottaghitalab, C O Too, G M Spinks, and G G Wallace, “Polyaniline and polyaniline – carbon nanotube composite fibres as battery materials in ionic liquid electrolyte,” vol 163, pp 1105–1109, 2007 [38] D Nicolas-Debarnot and F Poncin-Epaillard, “Polyaniline as a new sensitive layer for gas sensors,” Analytica Chimica Acta, vol 475, no 1–2 pp 1–15, 2003 Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học 69 HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn [39] H Valentová and J Stejskal, “Mechanical properties of polyaniline,” Synth Met., vol 160, no 7–8, pp 832–834, 2010 [40] E M Geniès, A Boyle, M Lapkowski, and C Tsintavis, “Polyaniline: A historical survey,” Synthetic Metals, vol 36, no pp 139–182, 1990 [41] J Huang, S Virji, B H Weiller, and R B Kaner, “Nanostructured polyaniline sensors.,” Chemistry, vol 10, no 6, pp 1314–1319, 2004 [42] N Gospodinova and L Terlemezyan, “Conducting polymers prepared by oxidative polymerization: polyaniline,” Prog Polym Sci., vol 23, no 8, pp 1443–1484, 1998 [43] Q Wang, Q Yao, J Chang, and L Chen, “Enhanced thermoelectric properties of CNT/PANI composite nanofibers by highly orienting the arrangement of polymer chains,” J Mater Chem., vol 22, no 34, p 17612, 2012 [44] E Song and J.-W Choi, “Conducting Polyaniline Nanowire and Its Applications in Chemiresistive Sensing,” Nanomaterials, vol 3, no 3, pp 498–523, 2013 [45] M Halper and J Ellenbogen, “Supercapacitors: A brief overview,” Rep No MP 05W0000272, …, no March, pp Report No MP 05W0000272, 1–29, 2006 [46] H Zengin, W Zhou, J Jin, R Czerw, D W Smith, L Echegoyen, D L Carroll, S H Foulger, and J Ballato, “Carbon nanotube doped polyaniline,” Adv Mater., vol 14, no 20, pp 1480–1483, 2002 [47] B Somboonsub, M A Invernale, S Thongyai, P Praserthdam, D A Scola, G A Sotzing, "Preparation of thermally stable conducting polymer PEDOT – Sulfonated polyimide", Polymer, 51, pp 1231 - 1236, 2010 [48] B X Zou, X X Liu, D Diamond, K T Lau, "Electrochemical synthesis of WO3/PANI composite for electrocatalytic reduction of iodate", Electrochimica Acta, 55, pp 3915 - 3920, 2010 [49] J M D‟Arcy, H D Tran, V C Tung, A K TuckerSchwartz, R P W.Y Yang, R B Kaner, "Versatile solution for growing thin films of conducting polymers", Applied physical sciences, 107, pp 19673 - 19678, 2010 [50] S He, J Wei, F Guo, R Xu, C Li, X Cui, H Zhu, K Wang, and D Wu, J Mater, Chem A, 2, 5898, 2014 Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học 70 HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn PHỤ LỤC  BÀI BÁO ĐĂNG Ở TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN-ĐHQG TP.HCM Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học 71 HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn  BÀI BÁO ĐĂNG Ở TẠP CHÍ JOURNAL OF ELECTRONIC MATERIALS Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học 72 HV: Trần Phước Toan GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: TRẦN PHƢỚC TOAN Ngày, tháng, năm sinh: 11-04-1990 Nơi sinh: TP.Hồ Chí Minh Địa liên lạc: 927/21, Đƣờng Hậu Giang, P.11, Q.6, TP.HCM QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO  Từ tháng 10/2008 đến tháng 07/2012: học Khoa Khoa Học Vật Liệu - Đại học Khoa Học Tự Nhiên TP.HCM  Từ tháng 10/2014 đến nay: học Cao học Khoa Kỹ Thuật Hóa Học - Đại học Bách Khoa TP.HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC  Từ tháng 09/2012 đến nay: cơng tác Phịng thí nghiệm cơng nghệ Nano Trung tâm Nghiên cứu Triển khai - Khu Công Nghệ Cao TP.HCM Luận văn Thạc sĩ - Kỹ thuật hóa học 73 ... TÀI: ? ?Nghiên cứu chế tạo composite carbon nanotubes/ polyaniline ứng dụng làm điện cực cho siêu tụ điện dẻo? ?? II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: − Nhiệm vụ: nghiên cứu, khảo sát quy trình chế tạo chất điện. .. PVA điện cực composite hai thành phần CNTs/PANi nhằm tạo điện cực hƣớng đến ứng dụng chế tạo siêu tụ điện dẻo − Nội dung đề tài bao gồm:  Chƣơng 1: Tổng quan loại vật liệu chế tạo điện cực màng... GVHD: TS Đỗ Hữu Quyết - TS.Nguyễn Trường Sơn NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO COMPOSITE CARBON NANOTUBES/ POLYANILINE ỨNG DỤNG LÀM ĐIỆN CỰC CHO SIÊU TỤ ĐIỆN DẺO TRẦN PHƢỚC TOAN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC