Nghiên cứu tổng hợp vật liệu cấu trúc xốp nano co3o4 biến tính bề mặt bằng các hạt nano kim loại ứng dụng trong pin kẽm không khí

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN MAI VĂN CẦM NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU CẤU TRÚC XỐP NANO Co3O4 BIẾN TÍNH BỀ MẶT BẰNG CÁC HẠT NANO KIM LOẠI ỨNG DỤNG TRONG PIN KẼM KHƠNG KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÍ Bình Định - Năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN MAI VĂN CẦM NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU CẤU TRÚC XỐP NANO Co3O4 BIẾN TÍNH BỀ MẶT BẰNG CÁC HẠT NANO KIM LOẠI ỨNG DỤNG TRONG PIN KẼM KHƠNG KHÍ Chun ngành : Vật lí chất rắn Mã số Ngƣời hƣớng dẫn thứ : TS Nguyễn Thị Hồng Trang Ngƣời hƣớng dẫn thứ hai : TS Đồn Minh Thủy LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu đề tài trung thực, kết nghiên cứu thực hiên Trường Đại học Quy Nhơn hướng dẫn TS Nguyễn Thị Hồng Trang TS Đồn Minh Thủy – Bộ mơn Vật lý Khoa học vật liệu, Khoa Khoa học tự nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn Các tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ Học viên Mai Văn Cầm LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy giáo, cô giáo khoa Khoa học tự nhiên, trường Đại học Quy Nhơn tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tơi suốt q trình học tập nghiên cứu trường Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Thị Hồng Trang TS Đồn Minh Thủy tận tình hướng dẫn, bảo, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn Ngồi ra, tơi xin gửi lời cảm ơn đến thầy ThS NCS Nguyễn Văn Nghĩa nhiệt tình hướng dẫn sử dụng thiết bị, đồ dùng thí nghiệm phương pháp nghiên cứu cho tơi suốt q trình làm thực nghiệm Xin cảm ơn tập thể lớp Cao học Vật lý chất rắn khóa 21 ln hỗ trợ, động viên tơi suốt trình thực luận văn MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Năng lượng yếu tố cần thiết cho tồn phát triển xã hội, đồng thời yếu tố trì sống Trái Đất Trong tương lai, nguồn lượng có sẵn tự nhiên bị cạn kiệt, việc nghiên cứu tìm nguồn lượng mới, có khả tái tạo thân thiện với môi trường trở thành nghiên cứu mũi nhọn nhiều quốc gia Trong cơng tìm nguồn lượng này, người đạt thành công định sử dụng lượng gió, lượng mặt trời, lượng thủy điện, , nguồn lượng lại phụ thuộc nhiều vào tự nhiên Những năm gần đây, hướng nghiên cứu đầy triển vọng nghiên cứu: việc sử dụng pin nhiên liệu hay pin kim loại – không khí (một thiết bị chuyển đổi trực tiếp hóa thành điện nhờ q trình điện hố) Trong đó, việc lựa chọn tìm nguồn nhiên liệu thích hợp (cho hiệu suất cao, dễ tái tạo, dễ sử dụng, không độc hại, thân thiện với môi trường) mối quan tâm hàng đầu Ngoài ra, thiết bị dụng cụ điện tử cầm tay phát triển với tốc độ nhanh chóng, tiến địi hỏi nguồn điện phải có mật độ lượng công suất ngày tăng Do mật độ lượng cao nguồn lượng trước nên pin lithium-ion hy vọng đáp ứng nhu cầu Tuy nhiên, mật độ lượng pin lithiumion bị hạn chế, chi phí cao mức độ an tồn thấp, cháy nổ khơng thân thiện với môi trường [1-3] Gần đây, pin kim loại – không khí trở thành nguồn lượng triển vọng, mật độ lượng lý thuyết cao so với pin lithium-ion, trữ lượng điện gấp lần so với pin lithium ion, nguồn cung cấp nguyên liệu oxy tự từ khí quyển, chi phí thấp an tồn (do chất khơng cháy nổ chất điện phân pin) thân thiện với mơi trường [3] Trong đó, pin kẽm – khơng khí mặt lựa chọn khả thi mặt kỹ thuật kinh tế Ưu vượt trội pin kẽm – khơng khí chất xúc tác khơng phải kim loại q sử dụng làm chất xúc tác cho phản ứng khử (ORR) tiến hóa oxy (OER) – hai trình đóng vai trị quan trọng ZABs [4-7] Từ thấy khả ứng dụng y tế, viễn thông thiết bị điện tử di động có triển vọng Động học q trình khử oxy (ORR) q trình phóng điện tiến hóa oxy (OER) q trình sạc pin chậm trở ngại lớn giới hạn nhiều thiết bị chuyển đổi lượng điện hóa pin sạc kẽm – khơng khí ứng dụng rộng rãi thực tiễn [8] Việc tìm kiếm phát triển chất xúc tác điện hóa có hiệu suất cao với khởi phát thấp tốc độ phản ứng nhanh, chi phí thấp ổn định q trình ORR, OER, dùng làm vật liệu điện cực khơng khí mục tiêu quan trọng nghiên cứu lượng thời gian qua không để đẩy hệ thống lượng điện hóa ZABs đạt hiệu suất gần với giới hạn lý thuyết, [8] mà đáp ứng nhu cầu ứng dụng thực tế ZABs thiết bị điện tử di động hệ thống xe điện tương lai gần mật độ lượng, mật độ công suất đỉnh số chu kỳ phóng nạp Với nhu cầu mục đích trên, vật liệu làm chất xúc tác tạo thành từ kim loại chuyển tiếp cobalt oxit nghiên cứu rộng rãi nhờ tính chất xúc tác cao, tính chất khơng độc, dễ kiếm, nhiều hóa trị độ ổn định hóa học cao, nhà nghiên cứu sử dụng thay đầy hứa hẹn, tiềm cho q trình xúc tác điện hóa OER ORR [9] Các nghiên cứu gần chứng minh hình thành ion Co (IV) cobalt oxit đóng vai trị trạng thái trung gian vị trí xúc tác Do đó, việc chuẩn bị chất xúc tác có nồng độ ion Co (IV) cao quan trọng trình xúc tác điện hóa, đặc biệt q trình OER Bằng phép đo quang phổ cộng hưởng từ trường điện tử ngoại vi, người ta chứng minh hình thành ion Co(IV) cobalt oxit bước quan trọng OER [10, 11] Ion Co(IV) tham gia trạng thái trung gian điểm xúc tác, kết hợp với gốc OH O khác tăng tốc độ tạo oxy OER Ngồi ra, cấu trúc xốp nano có lỗ xốp (mao quản) kết nối với nhau, diện tích bề mặt riêng lớn, kích thước lỗ xốp điều khiển được, cho phép điểm hoạt động xúc tác nhiều bề mặt, tạo điều kiện cho thâm nhập chất điện phân, đồng thời tạo điều kiện cho khuếch tán gốc hoạt động dễ dàng tăng tốc phản ứng điện hóa bề mặt [12] Phương pháp dùng khn để chế tạo cấu trúc xốp nano coi phương pháp hiệu tiện lợi Hơn nữa, cách làm biến tính bề mặt vật liệu cấu trúc xốp nano cobalt oxit hạt nano kim loại giúp tăng cường hiệu suất xúc tác Các hạt nano kim loại chứng minh chất xúc tác hoạt động cho phản ứng khử oxy (ORR) phản ứng tiến hóa oxy (OER) [13] Khi diện tích bề mặt riêng trạng thái điện tử vật liệu xúc tác hai số nhân tố đóng góp cho hoạt động xúc tác việc tổng hợp lựa chọn vật liệu cấu trúc xốp nano Co 3O4 biến tính bề mặt hạt nano kim loại phương án tối ưu cho vật liệu làm điện cực khơng khí pin kẽm – khơng khí Với tất sở lý luận trên, chọn đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp vật liệu cấu trúc xốp nano Co3O4 biến tính bề mặt hạt nano kim loại ứng dụng pin kẽm khơng khí” để nghiên cứu Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo vật liệu Co3O4 có cấu trúc xốp nano với diện tích bề mặt cao sử dụng khn cứng cầu polystyrene (PS) kết hợp trình nung kết vật liệu - Nghiên cứu việc tối ưu hóa hạt nano kim loại phân tán lên bề mặt vật liệu Co3O4 để tạo vật liệu xúc tác hiệu suất cao Khảo sát tính chất xúc tác điện hóa hệ vật liệu tổng hợp Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Vật liệu Co3O4 có cấu trúc xốp nano biến tính bề mặt hạt nano kim loại dùng làm điện cực cho pin kẽm – khơng khí - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu hình thái, cấu trúc ảnh hưởng điều kiện chế tạo mẫu hiệu suất xúc tác cho trình OER ORR ứng dụng pin kẽm – khơng khí Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp phân tích tổng hợp lý thuyết - Phương pháp thực nghiệm khoa học - Phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm Cấu trúc đề tài Ngoài phần mở đầu, kết luận tài liệu tham khảo, nội dung đề tài gồm chương: - Chương 1: Tổng quan - Chương 2: Thực nghiệm chế tạo mẫu - Chương 3: Kết thảo luận CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu nano Co3O4 1.1.1 Cấu trúc tinh thể Co3O4 kết hợp hỗn hợp hai cobalt oxit: cobalt oxit (II) CoO cobalt oxit (III) Co2O3 Co3O4 biết đến với cơng thức CoO.Co 2O3, có cấu trúc mạng tinh thể spinel thuận Trong tinh thể Co 3O4 gồm ion O2- xếp khít lập phương tâm mặt, ion Co2+ phân bố vào hốc tứ diện ion Co3+ phân bố vào hốc bát diện [14] Hình 1.1: Tế bào đơn vị tinh thể Co3O4 Các hình cầu màu xanh nhạt màu xanh đậm biểu thị ion Co 2+ 3+ 2- Co , màu đỏ ion O [14] Cấu trúc nano Co3O4 biết đến với nhiều dạng hình thái ống nano, nano, dây nano, hạt cầu, nano dạng tấm, nano bát diện nano dạng nhộng [15] 1.1.2 Tính chất vật lý hóa học Co3O4 chất bột màu đen, không tan nước, khơng có từ tính nhiệt độ thấp, phân hủy nhiệt độ cao tạo thành CoO; bị H 2, CO, Al,… khử thành kim loại nung; tác dụng với acid chlorhydric HCl tạo muối Co(II) giải phóng khí Cl2 Co3O4 + 4H2 → 3Co + 4H2O Co3O4 + 8HCl → 3CoCl2 + 4H2O + Cl2 1.1.3 Ứng dụng vật liệu nano Co3O4 xúc tác điện hóa Trong nghiên cứu gần đây, Mei et al đánh giá toàn diện nghiên cứu gần vật liệu cấu trúc nano dựa Co3O4 cho ứng dụng lượng điện hóa, bao gồm pin, siêu tụ điện điện phân Gần đây, Zhang đồng nghiệp tóm tắt tiến triển gần chất xúc tác điện sở cobalt HER phản ứng tiến hóa oxy (OER) Và Li et al tổng kết phân tích ứng dụng gần vật liệu dựa kim loại Co trình xúc tác điện hóa kép ORR/OER chất điện phân kiềm [16] Như vậy, việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano Co 3O4 làm chất xúc tác cho trình xúc tác điện hóa kép ORR/OER pin kẽm – khơng khí giải pháp hiệu quả, khả thi lý sau đây: - Co3O4 oxit kim loại chuyển tiếp có nhiều trạng thái oxy hóa nên chúng có khả tạo thành hợp chất trung gian với chất phản ứng làm giảm lượng hoạt hóa phản ứng nên phản ứng xảy với tốc độ nhanh Do đó, vật liệu xúc tác nano Co 3O4 giúp cho động học trình khử oxy (ORR) trình phóng điện tiến hóa oxy (OER) q trình sạc pin trở nên nhanh hơn, hiệu suất cao với khởi phát thấp tốc độ phản ứng nhanh - Ngồi ra, vật liệu nano Co3O4 đóng vai trị chất hấp phụ bề mặt (thường xúc tác dị thể) có diện tích bề mặt lớn - Hơn nữa, so với Pt Co3O4 có giá thành rẻ nên việc ứng dụng chất xúc có hiệu mặt kinh tế 1.2 Tổng quan vật liệu Rutheni ... vật liệu cấu trúc xốp nano Co3O4 biến tính bề mặt hạt nano kim loại ứng dụng pin kẽm khơng khí? ?? để nghiên cứu 4 Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu chế tạo vật liệu Co3O4 có cấu trúc xốp. .. HỌC QUY NHƠN MAI VĂN CẦM NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU CẤU TRÚC XỐP NANO Co3O4 BIẾN TÍNH BỀ MẶT BẰNG CÁC HẠT NANO KIM LOẠI ỨNG DỤNG TRONG PIN KẼM KHƠNG KHÍ Chun ngành : Vật lí chất rắn Mã số Ngƣời... liệu cấu trúc xốp nano Co 3O4 biến tính bề mặt hạt nano kim loại phương án tối ưu cho vật liệu làm điện cực không khí pin kẽm – khơng khí Với tất sở lý luận trên, chọn đề tài: ? ?Nghiên cứu tổng hợp