CHẾ tạo vật LIỆU xúc tác điện hóa NANO ptc ỨNG DỤNG CHO PIN NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP

TRƢỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CÔNG NGHỆ HÓA – THỰC PHẨM  BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC ĐIỆN HÓA NANO Pt/C ỨNG DỤNG CHO PIN NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP VŨ MINH HÀO BIÊN HÒA, THÁNG 12/2012 TRƢỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CÔNG NGHỆ HÓA – THỰC PHẨM  BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC ĐIỆN HÓA NANO Pt/C ỨNG DỤNG CHO PIN NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP Giảng viên hƣớng dẫn : PGS.TS NGUYỄN THỊ PHƢƠNG PHONG Sinh viên thực hiện : VŨ MINH HÀO BIÊN HÒA, THÁNG 12/2012 i LỜI CÁM ƠN Ca dao Việt Nam vẫn có câu để nhắn nhủ những ngƣời trẻ trong xã hội:“Công cha, nghĩa mẹ ơn thầy, nghĩ sao cho bõ những ngày ƣớc ao”. Đó tuy chỉ là một câu thật ngắn gọn nhƣng lại chứa đựng toàn bộ truyền thống tốt đẹp của dân tộc ta. Hôm nay, tôi cũng xin mƣợn nó để nói lên tâm tình biết ơn đối với bậc sinh thành cũng nhƣ quý thầy cô là những ngƣời đã giúp đỡ tôi hoàn tất tốt luận văn tốt nghiệp này. Đầu tiên, tôi xin gửi lời biết ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Thị Phƣơng Phong, ngƣời đã trực tiếp hƣớng dẫn tôi trong toàn bộ quá trình thực hiện đề này. Tôi vô cùng cảm kích vì sự giúp đỡ rất tận tâm của cô. Mặc dù, trong cƣơng vị PGS.TS và công việc giảng viên bận rộn với trăm công ngàn việc nhƣng cô vẫn dành thời gian để sửa bài và góp ý một cách chân thành cho đề tài của tôi. Tôi cũng xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến quý thầy cô, anh chị trong khoa hóa lý trƣờng ĐHKHTN, Tp.HCM đã tận tình hƣớng dẫn trong quá trình tôi thí nghiệm ở đây. Cách riêng cho anh Ngô Thanh Liêm, ngƣời luôn đồng hành trong những bƣớc đi chập chững và suốt cả thời gian tham gia nghiên cứu của tôi. Đối với các thầy cô trong khoa hóa trƣờng ĐH Lạc Hồng, tôi không biết lấy gì để nói lên lời cám ơn trƣớc những điều kiện vô cùng thuận lợi, mà các thầy cô đã dành cho để quá trình nghiên cứu của tôi đƣợc diễn ra và kết thúc thật tốt đẹp. Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến các cơ sở, phòng thí nghiệm đã cho tôi đƣợc làm việc ở tại những nơi đây. Lời biết ơn cuối cùng, con xin gửi đến cha mẹ là những ngƣời đã sinh thành và vất vả bao ngày tháng qua để con có đƣợc kết quả nhƣ ngày hôm nay. Sau cùng, tôi xin cảm ơn vì tất cả, thiết nghĩ rằng sẽ khó mà đáp trả lại tất cả những ân tình ấy. Song ƣớc mong mọi ngƣời sẽ đón nhận nó nhƣ lời cảm tạ chân thành nhất từ chính bản thân tôi. ii MỤC LỤC LỜI CÁM ƠN i MỤC LỤC . ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG BIỂU . vi DANH SÁCH HÌNH ẢNH . vii LỜI MỞ ĐẦU . 1 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU VÀ XÚC TÁC ĐIỆN CỰC TRONG PIN NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP 4 1.1 Tổng quan về pin nhiên liệu . 4 1.1.1 Khái niệm về pin nhiên liệu . 4 1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển của pin nhiên liệu 4 1.1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu . 6 1.1.3.1 Cấu tạo 6 1.1.3.2 Nguyên lý hoạt động . 7 1.1.4 Hệ thống pin nhiên liệu . 8 1.1.5 Phân loại pin nhiên liệu . 9 1.1.5.1 Pin nhiên liệu axit phosphoric(Phosphoric acid fuel cell) 9 1.1.5.2 Pin nhiên liệu cacbon nóng chảy (Molten carbonate fuel cell) . 9 1.1.5.3 Pin nhiên liệu kiềm (Alkaline fuel cell) 10 1.1.5.4 Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (Proton exchange membrance fuel cell) . 10 1.1.5.5 Pin nhiên liệu methanol trực tiếp (Direct methanol fuel cell) 11 1.1.5.6 Pin nhiên liệu oxit rắn (Solid oxide fuel cell) . 11 1.1.6 Một số ƣu nhƣợc điểm của pin nhiên liệu . 12 1.1.6.1 Ƣu điểm . 12 1.1.6.2 Nhƣợc điểm . 13 1.2 Pin nhiên liệu Metanol trực tiếp . 13 iii 1.2.1 Lịch sử hình thành phát triển của pin nhiên liệu methanol trực tiếp . 13 1.2.2 Cấu tạo pin nhiên liệu methanol trực tiếp . 14 1.2.3 Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu methanol trực tiếp 15 1.2.4 Các yếu tố ảnh huởng đến quá trình làm việc của pin . 16 1.2.4.1 Ảnh hƣởng của nhiệt độ 16 1.2.4.2 Ảnh hƣởng của độ ẩm . 16 1.2.4.3 Ảnh hƣởng của áp suất 16 1.2.4.4 Ảnh hƣởng của chất mang 17 1.3 Đặc điểm và tính chất của hạt nano Platin . 18 1.3.1 Giới thiệu về vật liệu nano 18 1.3.2 Tổng quan về nano Platin 19 1.3.3 Đặc điểm chất xúc tác nano Platin trên Carbon 19 1.3.3.1 Định nghĩa về chất xúc tác 19 1.3.3.2 Tính chất đặc trƣng của chất xúc tác 19 1.3.3.3 Đặc điểm của nanocomposit Platin trên Carbon . 20 1.3.4 Các phuơng pháp điều chế . 20 1.3.4.1 Phƣơng pháp Polyol 20 1.3.4.2 Phƣơng pháp tẩm trên chất mang . 20 1.3.4.3 Phƣơng pháp kết tủa 22 1.3.4.4 Phƣơng pháp trộn cơ học 22 CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM 23 2.1 Hóa chất 23 2.1.1 Một số loại hóa chất sử dụng . 23 2.1.2 Thiết bị sử dụng . 23 2.2 Chuẩn bị một số dung dịch cho quá trình thí nhiệm 24 2.2.1 Pha dung dịch HNO 3 với nồng độ khác nhau 24 2.2.2 Pha dung dịch H 2 SO 4 0,5M . 25 2.2.3 Pha dung dịch H 2 SO 4 0,5M trong CH 3 OH 1M . 25 2.3 Xử lý nguồn Carbon Vulcan XC-72R 25 iv 2.4 Chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa bằng phƣơng pháp Polyol . 25 2.5 Điều chế vật liệu xúc tác điện cực Pt/VulcanXC-72R theo phƣơng pháp Polyol đun truyền thống . 26 2.6 Chuẩn bị mẫu và cách quét thế vòng tuần hoàn (Cyclic Voltammetry) 27 2.7 Các phƣơng pháp phân tích 28 2.7.1 Phƣơng pháp đo diện tích bề mặt 28 2.7.2 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 28 2.7.3 Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM) 29 2.7.4 Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) . 30 2.7.5 Phƣơng pháp quét thế vòng tuần hoàn (CV) . 32 CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 3.1 Kết quả xử lý nguồn Carbon VulcanXC-72R 36 3.1.1 Ảnh hƣởng của nồng độ axit Nitric (HNO 3 ) . 36 3.1.2 Ảnh hƣởng của thời gian xử lý 38 3.2 Xúc tác điện hóa nanocomposit Pt trên Carbon không xử lý . 39 3.2.1 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng axit Chloroplatinic (H 2 PtCl 6 .6H 2 O) 39 3.2.2 Ảnh hƣởng của sự thay đổi pH trong môi trƣờng điều chế . 41 3.2.3 Kết quả phân tích ảnh TEM (Transmission electron microscopy) 43 3.3 Xúc tác điện hóa nanocomposit Pt trên Carbon xử lý 45 3.3.1 Ảnh hƣởng của hàm lƣợng axit Chloroplatinic (H 2 PtCl 6 .6H 2 O) 45 3.3.2 Ảnh hƣởng của sự thay đổi pH trong môi trƣờng điều chế . 47 3.3.3 Kết quả phân tích ảnh TEM (Transmission electron microscopy) 49 3.4 So sánh khả năng xúc tác của chất mang carbon không xử lý và xử lý . 50 3.4.1 Kết quả phân tích XRD (X-ray diffaction) 50 3.4.2 Kết quả diện tích bề mặt của vật liệu xúc tác điện cực . 52 3.4.3 Kết quả và phân tích ảnh SEM (Scaning electron microscopy) 53 3.4.4 So sánh về khả năng xúc tác điện hóa . 54 KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ . 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT BET Máy đo diện tích bề mặt CV Phƣơng pháp quét thế vòng tuần hoàn (Cyclic voltammetry) Eb Thế oxy hóa cực đại trên đƣờng quét về (V) Ef Thế oxy hóa cực đại trên đƣờng quét tới (V) i pa Mật độ dòng của mũi trên đƣờng quét tới tính theo diện tích điện cực (mA/cm 2 ) i pc Mật độ dòng của mũi trên đƣờng quét về tính theo diện tích điện cực (mA/cm 2 ) i’ pa Mật độ dòng của mũi trên đƣờng quét tới tính theo khối lƣợng Platin trên điện cực (mA/mmPt) i’ pc Mật độ dòng của mũi trên đƣờng quét về tính theo khối lƣợng Platin trên điện cực (mA/mmPt) Pt/C Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin trên Carbon Pt/VulcanXC-72R Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin trên Carbon Vulcan XC-72R Pt/VC-25-11 Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin trên Carbon Vulcan XC-72R không xử lý với hàm lƣợng Platin là 25% và môi trƣờng pH=11 Pt/VC-XL-25-11 Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin trên Carbon Vulcan XC-72R xử lý trong HNO 3 với hàm lƣợng Platin là 25% và môi trƣờng pH=11 SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scaning electron microscopy) TEM Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission electron microscopy) XRD Nhiễu xạ tia-X (X-Ray diffaction) vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Số liệu để pha dung dịch HNO 3 với nồng độ khác nhau . 24 Bảng 3.1: Hoạt tính của vật liệu nanocomposit Pt/VulcanXC-72R xử lý và không xử lý trong dung dịch HNO 3 với những nồng độ khác nhau 36 Bảng 3.2: Hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposit Pt/Vulcan XC-72R đã xử lý và không xử lý trong những khoảng thời gian khác nhau . 39 Bảng 3.3 Hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposit Pt/VC với sự thay đổi thành phần khối lƣợng của tiền chất H 2 PtCl 6 .6H 2 O . 40 Bảng 3.4: Hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposit Pt/VC với môi trƣờng pH khác nhau . 42 Bảng 3.5: Hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposit Pt/VC-XL-25 trong môi trƣờng pH=11 với sự thay đổi hàm lƣợng của tiền chất H 2 PtCl 6 .6H 2 O 46 Bảng 3.6: Hoạt tính xúc tác của nanocomposit Pt/VC-XL-25 trong những môi trƣờng pH khác nhau . 48 .Bảng 3.7: Kết quả đo diện tích bề mặt của vật liệu nanocomposit Pt/VulcanXC-72R đã xử lý và không xử lý . 53 vii DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ một pin nhiên liệu . 4 Hình 1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc pin nhiên liệu . 6 Hình 1.3 Sơ đồ một hệ thống pin nhiên liệu 8 Hình 1.4 Hiệu suất của pin nhiên liệu so với một số thiết bị tạo ra điện khác . 12 Hình 2.1 Bể siêu âm . 23 Hình 2.2 Mấy khuấy từ IKA  RET control-vis và pipet BIOHIT Proline 23 Hình 2.3 Lò vi sóng SANYO 20L EM-S2182W 24 Hình 2.4 Máy ly tâm UNIVERSAL 32R HETTICH ZENTRIFUGEN 24 Hình 2.5 Quy trình chế tạo vật liệu nano Pt/C bằng phƣơng pháp polyol . 26 Hình 2.6 Máy đo BET Nova 3200e . 28 Hình 2.7 Sơ đồ khối thiết bị nhiễu xạ tia X 28 Hình 2.8 Thiết bị nhiễu xạ tia X BRUKER XRD-D8 ADVANCE . 29 Hình 2.9 Hệ thống kính hiển vi điện tử quét phát xạ trƣờng FE-SEM JSM . 30 Hình 2.10 Hệ thống kính hiển vi điện tử truyền qua,TEM JEM-1400 Nhật . 31 Hình 2.11 Đồ thị quét thế vòng tuần hoàn . 32 Hình 2.12 Máy Autolab-PGSTAT302N 33 Hình 2.13 Các loại điện cực . 33 Hình 2.14 Hệ thống ba điện cực . 34 Hình 2.15 Đƣờng cong CV của vật liệu nanocomposite Pt/Vulcan XC-72R 34 Hình 3.1 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/Vulcan XC-72R xử lý và không xử lý trong dung dịch HNO 3 với những nồng độ khác nhau . 37 Hình 3.2 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/Vulcan XC-72R đã xử lý và không xử lý trong những khoảng thời gian khác nhau . 39 Hình 3.3 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC với thành phần tiền chất H 2 PtCl 6 .6H 2 O khác nhau . 40 Hình 3.4 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC trong những môi trƣờng pH khác nhau . 42 viii Hình 3.5 Cơ chế quá trình oxy hóa EG trong điều chế nano Platin . 42 Hình 3.6 Phản ứng loại proton tạo thành anion Glycolate của axit Glycolic 43 Hình 3.7 Ảnh chụp TEM và biểu đồ phân bố kích thƣớc hạt nano Platin trên vật liệu nanocomposit Pt/VC-25-11 44 Hình 3.8 Ảnh chụp TEM và biểu đồ phân bố kích thƣớc hạt nano Platin trên vật liệu nanocomposit Pt/VC-25-6,5 . 44 Hình 3.9 Giản đồ nền CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC-XL với hàm lƣợng Platin khác nhau 45 Hình 3.10 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC-XC với hàm lƣợng Platin khác nhau 47 Hình 3.11 Giản đồ nền CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC-XL-25 với môi trƣờng pH khác nhau 47 Hình 3.12 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC-XL-25 với môi trƣờng pH khác nhau . 48 Hình 3.13 Ảnh chụp TEM và biểu đồ phân bố kích thƣớc hạt nano Platin trên vật liệu nanocomposit Pt/VC-XL-25-11 . 49 Hình 3.14 Ảnh chụp TEM và biểu đồ phân bố kích thƣớc hạt nano Platin trên vật liệu nanocomposit Pt/VC-XL-25-6,5 50 Hình 3.15 Kết quả chụp XRD của Vulcan XC-72R xử lý và không xử lý 51 Hình 3.16 Phổ đồ XRD của nanocomposit Pt/VC-25-11 51 Hình 3.17 Gian đồ XRD của nanocomposit Pt/VC-XL-25-11 . 52 Hình 3.18 Ảnh FE- SEM của nanocomposit Pt/VC-XL-25-11 53 Hình 3.19 Giản đồ đo nền của hai loại carbon Vulcan XC-72R 54 Hình 3.20 (1) Giản đồ đo nền và (2) giản đồ CV của hai loại vật liệu xúc tác điện hóa nanocmposit Pt/Vulcan XC-72R 54