Chất điện ly trên cơ sở polymer trong pin nhiên liệu

Mục lục Mở đầu....................................................................................................................................... 2 I. Pin nhiên liệu màng điện phân Polymer................................................................................. 3 I.1. Pin nhiên liệu....................................................................................................................... 3 I.2. Pin nhiên liệu màng Polymer .............................................................................................. 4 II. Chất điện ly trên cơ sở Polymer trong pin nhiên liệu ........................................................... 6 II.1. Chất điện ly trong pin nhiên liệu........................................................................................ 6 II.2. Tổng quan về chất điện ly dựa trên cơ sở polymer............................................................ 6 II.3. Cấu trúc chất điện ly dựa trên cơ sở polymer .................................................................... 8 II.4. Nafion............................................................................................................................... 10 II.4.1 Cấu trúc ......................................................................................................................... 10 II.4.2 Sự hấp thụ nước của màng Nafion................................................................................. 13 II.4.3 Các loại màng dựa trên sự biến tính Nafion................................................................... 15 III. Cải tiến Nafion................................................................................................................... 19 III.1. Một số phương pháp giải quyết vấn đề thẩm thấu của methanol qua màng .................. 19 III.2. Vật liệu TiO2 ................................................................................................................... 19 III.2.1 Cấu trúc của tinh thể TiO2 ........................................................................................... 19 III.2.2 Một số tính chất của TiO2 ............................................................................................. 20 III.3. Tổng hợp nano TiO2 lên màng Nafion ........................................................................... 22 III.3.1 Các phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 22 III.3.1.1 Phương pháp sol-gel .................................................................................................. 22 KẾT LUẬN............................................................................................................................. 48 Tài liệu tham khảo ................................................................................................................... 49 Vật liệu cho nguồn năng lượng mới 2 Mở đầu Năng lượng có vai trò quyết định đến sự phát triển của xã hội loài người, đó là điều đã được thực tế khẳng định. Hầu hết các nguồn năng lượng được cung cấp từ nhiên liệu hóa thạch (than, dầu mỏ và khí thiên nhiên). Đó là nguồn tài nguyên thiên nhiên quan trọng nhất của các thế kỷ qua và cho đến ngày nay. Nó cung cấp hơn 85% nhu cầu năng lượng cho sự vận hành của nền kinh tế: chủ yếu là bảo đảm nhu cầu điện năng, nhiệt năng và nhiên liệu động cơ cho mọi hoạt động của con người. Tuy vậy, việc sử dụng nguồn nhiên liệu này đang gặp phải những vấn đề cần phải giải quyết như môi trường, tài nguyên cạn kiệt,… Một trong những hướng đi để giải quyết các vấn đề về năng lượng trong tương lai, là pin nhiên liệu. Ưu điểm của pin nhiên liệu là hiệu suất cao, thuận tiện, thân thiện với môi trường. Mặt khác, nguồn nguyên liệu cung cấp cho pin có thể điều chế từ nhiều nguồn khác nhau mà không phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hoá thạch đang dần cạn kiệt. Vì ứng dụng to lớn trong tương lai của pin nhiên liệu, thế giới đang không ngừng cải tiến kỹ thuật pin nhiên liệu, nâng cao hiệu suất, tính cơ động,… Chất điện ly trên cơ sở Polymer là một trong những cải tiến kỹ thuật về vật liệu trong pin nhiên liệu, mang lại thêm nhiều ưu điểm cho chất điện ly nói riêng và pin nhiên liệu nói chung. Trong bài báo cáo này, chúng em sẽ tổng hợp, phân tích các kết quả về chất điện phân loại màng trên cơ sở Polymer, cụ thể là về Nafion sử dụng trong pin nhiên liệu

Vật liệu cho nguồn lượng Mục lục Mở đầu I Pin nhiên liệu màng điện phân Polymer I.1 Pin nhiên liệu I.2 Pin nhiên liệu màng Polymer II Chất điện ly sở Polymer pin nhiên liệu II.1 Chất điện ly pin nhiên liệu II.2 Tổng quan chất điện ly dựa sở polymer II.3 Cấu trúc chất điện ly dựa sở polymer II.4 Nafion 10 II.4.1 Cấu trúc 10 II.4.2 Sự hấp thụ nước màng Nafion 13 II.4.3 Các loại màng dựa biến tính Nafion 15 III Cải tiến Nafion 19 III.1 Một số phương pháp giải vấn đề thẩm thấu methanol qua màng 19 III.2 Vật liệu TiO2 19 III.2.1 Cấu trúc tinh thể TiO2 19 III.2.2 Một số tính chất TiO2 20 III.3 Tổng hợp nano TiO2 lên màng Nafion 22 III.3.1 Các phương pháp nghiên cứu 22 III.3.1.1 Phương pháp sol-gel 22 KẾT LUẬN 48 Tài liệu tham khảo 49 Vật liệu cho nguồn lượng Mở đầu Năng lượng có vai trị định đến phát triển xã hội lồi người, điều thực tế khẳng định Hầu hết nguồn lượng cung cấp từ nhiên liệu hóa thạch (than, dầu mỏ khí thiên nhiên) Đó nguồn tài nguyên thiên nhiên quan trọng kỷ qua ngày Nó cung cấp 85% nhu cầu lượng cho vận hành kinh tế: chủ yếu bảo đảm nhu cầu điện năng, nhiệt nhiên liệu động cho hoạt động người Tuy vậy, việc sử dụng nguồn nhiên liệu gặp phải vấn đề cần phải giải môi trường, tài nguyên cạn kiệt,… Một hướng để giải vấn đề lượng tương lai, pin nhiên liệu Ưu điểm pin nhiên liệu hiệu suất cao, thuận tiện, thân thiện với môi trường Mặt khác, nguồn nguyên liệu cung cấp cho pin điều chế từ nhiều nguồn khác mà không phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hoá thạch dần cạn kiệt Vì ứng dụng to lớn tương lai pin nhiên liệu, giới không ngừng cải tiến kỹ thuật pin nhiên liệu, nâng cao hiệu suất, tính động,… Chất điện ly sở Polymer cải tiến kỹ thuật vật liệu pin nhiên liệu, mang lại thêm nhiều ưu điểm cho chất điện ly nói riêng pin nhiên liệu nói chung Trong báo cáo này, chúng em tổng hợp, phân tích kết chất điện phân loại màng sở Polymer, cụ thể Nafion sử dụng pin nhiên liệu Vật liệu cho nguồn lượng I Pin nhiên liệu màng điện phân Polymer I.1 Pin nhiên liệu Pin nhiên liệu thiết bị điện hóa biến đổi trực tiếp hóa (thường khí hydro, methanol, ethanol,… chất oxy hóa oxy) thành điện Về pin nhiên liệu có thành phần đặc điểm giống ắcquy có nhiều điểm khác pin thông thường thiết bị tồn trữ lượng ngừng hoạt động chất hóa học tiêu thụ hết cần phải nạp điện lại từ nguồn cung cấp điện bên ngoài, ngược lại pin nhiên liệu khơng tích trữ nhiên liệu bên trong, dịng điện pin tạo liên tục có nguồn nhiên liệu bên cung cấp trực tiếp liên tục So với loại pin cổ điển, pin nhiên liệu sinh chất thải gây ô nhiễm môi trường thấp không gây ô nhiễm lượng nước sinh sau phản ứng nước dùng uống [1] Loại thiết bị điện khí hóa thơng dụng mà sử dụng hàng ngày pin Hóa chất tích trữ pin chuyển đổi thành lượng điện hóa chất hết dần làm cho pin bị phế thải Ngược lại, pin nhiên liệu chuyển hóa lượng từ phản ứng hóa học thành điện Cụ thể q trình tổng hợp hydro oxy thành nước vừa tạo dịng điện mạch ngồi vừa tạo sức nóng cho động làm việc Đó hệ thống hở đòi hỏi phải cung cấp nhiên liệu liên tục suốt trình hoạt động nhờ pin vận hành mãi Ngày nay, phần lớn pin nhiên liệu sử dụng hydro oxy làm nguồn chạy pin, số khác dùng methanol Hình 1: Cấu tạo pin nhiên liệu [1] Vật liệu cho nguồn lượng Hình sơ đồ cấu tạo pin nhiên liệu hydro, bản, pin nhiên liệu có cấu tạo đơn giản bao gồm ba lớp nằm nhau: - Lớp thứ điện cực nhiên liệu - anode - Lớp thứ hai chất điện ly dẫn proton - màng - Lớp thứ ba điện cực khí oxy - cathode Về phương diện hóa học pin nhiên liệu phản ứng ngược lại điện phân Trong trình điện phân, nước bị tách thành khí hydro oxy nhờ vào lượng điện Pin nhiên liệu, ví dụ pin nhiên liệu hydro lấy hai chất biến đổi chúng thành nước tạo dịng điện mạch ngồi Nhiên liệu (khí H2) dẫn liên tục vào điện cực anode; cịn chất oxy hóa, thơng thường oxy, đưa vào cathode H2 qua màng xúc tác tác dụng áp suất Khi phân tử H2 đến tiếp xúc Pt, bị phân tách thành 2H+ 2e- Phản ứng anode: H2 → 2H+ + 2eCác proton H+ di chuyển chất điện giải xuyên qua màng đến cathode Các điện tử giải phóng từ anode qua mạch bên cathode kết hợp với khí oxy ion H+ sinh nước đồng thời tạo dịng điện mạch ngồi Phản ứng cathode: 1/2 O2 + 2e- + 2H+ → H2O Phản ứng tổng quát pin nhiên liệu: H2 + 1/2 O2 → H2O I.2 Pin nhiên liệu màng Polymer Hình Sơ đồ biểu diễn loại pin nhiên liệu khác [2] Vật liệu cho nguồn lượng Pin nhiên liệu màng điện phân polymer, hay còn pin nhiên liệu trao đổi proton (PEMFC) hoạt động nhiệt độ 100° C với màng điện phân polymer đặc biệt [2] Từ hình 2, ta thấy hoạt động loại pin từ từ 50-90oC Pin nhiên liệu nhiệt độ thấp lựa chọn hàng đầu cho phương tiện xe điện, ứng dụng di động thiết bị cầm tay khởi động nhanh, nhiệt độ hoạt động thấp hiệu suất lượng tuyệt vời Chất điện phân pin nhiên liệu thường màng trao đổi ion, polyme axit sunfonic perfluorated hóa, bán thị trường dạng Nafion, chất khử ion dẫn điện tốt [2] Sản phẩm phụ pin nhiên liệu nước việc kiểm soát nước PEMFC vấn đề quan trọng để giữ hiệu suất pin Pin nhiên liệu phải hoạt động điều kiện mà nước sản phẩm phụ không bay nhanh so với nước tạo ra, màng phải giữ điều kiện ngậm nước Hình Cấu tạo pin nhiên liệu màng điện phân Polymer [2] Nhiệt độ hoạt động thấp pin PEMFC địi hỏi phải có chất xúc tác điện hoá hoạt động mạnh Pt Phản ứng khử hydro tương đối dễ dàng, lớp xúc tác Pt cực yêu cầu mật độ thấp, khoảng 0,05mg/cm2 Tuy nhiên việc khử oxy chậm, mà tốc độ khử oxy quan trọng cực âm, đòi hỏi mật độ Pt phải nhiều Thông thường Pt sử dụng C (Pt/C) có kích khoảng thước 2-3 nm [2] So với loại pin nhiên liệu khác, pin PEMFC quan tâm ưu điểm sau: - Hiệu suất chuyển hoá lượng cao - Nhiệt độ làm việc thấp - Khởi động nhanh - Phát thải gần không với sản phẩm phụ nước - Linh hoạt, động dễ vận hành Vật liệu cho nguồn lượng Tuy nhiên, mặt hạn chế pin khử oxy catot chậm, cụ thể chậm so với khử hydro anot, lượng phân ly liên kết O─O (494 kJ/mol) phân tử O2 cao liên kết H─H ( 433 kJ/mol) [3] H2 ảnh hưởng tới hiệu suất pin Đây vấn đề mà nhà khoa học đau đầu nỗ lực nghiên cứu cải tiến II Chất điện ly sở Polymer pin nhiên liệu II.1 Chất điện ly pin nhiên liệu Chất điện ly chất phân ly tạo thành ion hoà tan dung môi để tạo môi trường dẫn điện Một số chất điện ly thường gặp ví dụ muối NaCl,… hay axit mạnh H2SO4,… Trong pin nhiên liệu, chất điện ly sử dụng pin Chúng phải đảm bảo yêu cầu như, ngăn chặn tối đa di chuyển electron, rào cản chất phản ứng nhiên liệu,… Chất điện phân pin nhiên liệu dạng lỏng rắn Trong tồn q trình, chất điện phân đóng vai trị việc trì tỷ lệ ion để di chuyển cực dương cực âm Bất kỳ điện tử di chuyển tự khác phá vỡ phản ứng hóa học diễn pin nhiên liệu [2] II.2 Tổng quan chất điện ly dựa sở polymer Sự phát triển vật liệu rắn gốm, thủy tinh, tinh thể chất điện phân polymer khởi tạo vào năm 1970 [4] Chất điện phân polymer giới thiệu lần Fenton cộng vào năm 1973, tầm quan trọng ứng dụng công nghệ công nhận vào đầu năm 1980 [4] Trong thập kỷ trước, phát triển chất điện phân polymer nhận ý từ nhiều nhà nghiên cứu ứng dụng tiềm chúng điện hoá / lượng điện, hệ thống chuyển đổi - lưu trữ Chất điện phân polyme (PE - Polymer electrolyte) màng bao gồm chất muối ma trận polymer cao phân tử Hệ thống không dung môi rắn sở hữu đặc tính dẫn ion áp dụng rộng rãi thiết bị điện hóa học pin thể rắn pin sạc, đặc biệt pin lithium ion Trong năm gần đây, PE có ứng dụng tiềm thiết bị điện hóa, điện hóa điện tử tiên tiến pin nhiên liệu, pin sạc lại, cảm biến điện hóa,… Sự phát triển chất dẫn ion trạng thái rắn, chẳng hạn dây dẫn siêu nhanh, chất điện phân polymer, quan tâm PE phát triển mặt công nghệ từ polymer, chất dẫn ion lỏng chất dẫn ion trạng thái rắn PE có số ưu điểm so với chất điện phân lỏng thông thường Pha dẫn ion sở hữu khả vận chuyển ion tương đương với số dung mơi ion lỏng, có số tính chất thú vị khác độ suốt, khơng dung mơi, trọng lượng nhẹ, tính linh hoạt, khả tạo màng mỏng, độ dẫn ion cao, [4]… Việc sử dụng PE có ưu điểm chúng ngăn ngừa số vấn đề rò rỉ dung dịch điện phân, tránh dung mơi điện phân ăn mịn, [4] Độ dẫn ion tính chất quan trọng chất điện phân sở polymer Độ dẫn ion liên quan chặt chẽ đến mức độ kết tinh độ nhớt PE [5] PE tinh thể có mức độ kết tinh cao Sự di chuyển ion pha tinh thể khó khăn, điều dẫn Vật liệu cho nguồn lượng đến độ dẫn ion thấp [5] Một PE có độ nhớt thấp tạo lỗ trống, có độ dẫn ion cao Các phương pháp nhằm gia tăng độ dẫn ion bao gồm: pha trộn polymer, sử dụng polymer đồng trùng hợp nhánh, chất kết hợp chất lỏng chất lỏng ion bổ sung dẫn xuất vơ cơ, chất hóa dẻo vật liệu nano Chất điện phân polymer phân loại theo nguồn gốc: tổng hợp tự nhiên Một số PE tự nhiên biết đến rộng rãi nghiên cứu chitosan, tinh bột gạo tinh bột ngô Ngồi phân loại theo trạng thái vật lý thành phần: - Chất điện phân gel polymer - Chất điện phân polymer rắn - Chất điện phân polymer tổng hợp Chất điện phân gel polymer Chất điện phân polymer rắn Chất điện phân polymer tổng hợp Ổn định nhiệt, Độ dẫn ion cao, Tính chất Độ dẫn icon cao Độ bền học tốt Nhược điểm Độ bền học thấp Độ dẫn ion thấp Điện trở giao thoa cao Bảng So sánh số tính chất loại chất điện phân polymer [4] a Chất điện phân gel polymer Chất điện phân polymer gel (GPE) gọi chất điện phân polymer dẻo, Feuillade Perche giới thiệu lần vào năm 1975 [4] GPE ma trận polymer hóa dẻo hố keo, kết dính chất hóa dẻo dẫn đến ma trận polymer bị nở chất điện phân lỏng GPE điều chế dễ dàng cách đun nóng hỗn hợp có chứa loại ma trận polymer thích hợp (ethylene oxide) (PEO), loại muối kim loại kiềm muối lithium dung môi Hỗn hợp chất lỏng suốt, nhớt đúc trạng thái nóng làm lạnh áp suất điện cực tạo thành màng mỏng GPE kết hợp tính chất khuếch tán chất lỏng tính kết dính chất rắn [4] GPE sở hữu độ ion cao, độ bay thấp, độ phản ứng thấp, an toàn hoạt động tốt ổn định hóa học, học, quang hóa, điện hóa cấu trúc [4] Nó có khối lượng nhẹ, khơng có dung mơi, mật độ lượng cao, độ ổn định thể tích tốt dễ dàng tạo hình thành kích thước hình dạng mong muốn Các đặc tính hấp dẫn GPE tăng cường tính an tồn khả ứng dụng thiết bị điện hóa Việc sử dụng pin GPE ngăn ngừa rị rỉ dung mơi kéo dài thời hạn sử dụng Các đặc tính độc đáo GPE có tiềm để thay cho chất điện phân lỏng Tuy nhiên GPE có số nhược điểm việc ứng Vật liệu cho nguồn lượng dụng thực tế Việc ngâm tẩm với chất điện phân lỏng dẫn đến độ bền học [4] Độ bền học có nghĩa khơng thể chịu ứng suất cực dương cực âm Tuy nhiên, hiệu ứng khơng mong muốn loại bỏ thêm chất độn kết hợp với vật liệu nano [4] b Chất điện phân polymer rắn Chất điện phân rắn hồn tồn khơng có dung môi, chất lỏng hữu không sử dụng Hiệu suất SPE dựa PEO không đạt yêu cầu tính dẫn điện nhiệt độ phòng [4] SPE nghiên cứu rộng rãi năm gần ứng dụng tiềm chúng nhiều thiết bị điện hóa điện hóa, pin điện cực, pin mặt trời tế bào, pin nhiên liệu, lượng mặt trời nhạy quang (DSSC),… Sự phát triển SPE ứng dụng nhiều thiết bị điện tử cầm tay, điện thoại di động máy tính xách tay Bên cạnh dây dẫn ion, SPE hoạt động dải phân cách chất điện phân điện cực tế bào pin, tránh việc phải sử dụng miếng đệm xốp trơ Chúng hoạt động chất gắn kết để tạo điều kiện cho việc tiếp xúc chất điện phân với điện cực điều giúp loại bỏ cần thiết nhiệt độ cao sử dụng chất điện phân lỏng Tuy nhiên, SPE có độ dẫn điện thấp nhiệt độ thường c Chất điện phân polymer tổng hợp Những nỗ lực khắc phục nhược điểm hạn chế chất điện phân rắn SPE dẫn đến việc tạo dạng vật liệu mới, chất điện phân polymer tổng hợp (CPE Composite Polymer Electrolytes) Kỹ thuật chế tạo loại chất điện phân phổ biến là: phối trộn nhiều polymer, ma trận polymer liên kết ngang, copolymer phân nhánh, hệ thống muối nhị phân, kết hợp chất phụ gia chất dẻo, pha tạp vật liệu nano, ngâm tẩm với chất lỏng ion, gia cố chất độn vơ Nhìn chung, phương pháp cải thiện linh hoạt độ bền học chất điện phân, đồng thời thêm chất có khả dẫn ion tốt polymer bền dẻo Ưu điểm loại chất điện phân độ ổn định nhiệt cao, độ dẫn ion cao Độ dẫn điện ion CPE phụ thuộc vào đặc tính hạt sử dụng, bao gồm kích thước hạt, độ xốp, nồng độ, diện tích bề mặt tương tác hạt ma trận polymer Loại chất điện phân có ưu điểm loại rắn gel, đồng thời khắc phục nhược điểm cố hữu chúng II.3 Cấu trúc chất điện ly dựa sở polymer Về bản, chất điện ly sở polymer cần có khung polymer trước bổ sung thêm loại vật liệu khác [4] Quan sát hình 2, ta hình dung cấu trúc sở bao gồm chuỗi polymer kết hợp với nhóm chức ưa nước có tác dụng dẫn ion Vô số chuỗi bố trí ngẫu nhiên theo kiểu đầu polymer kị nước co cụm với hướng vào trong, nhóm chức có khả dẫn ion hướng ngồi Như vậy, có vơ số nhóm chức dẫn ion phân bố khung polymer hình Vật liệu cho nguồn lượng Các lỗ trống xuất khoảng cách tổ hợp khung polymer Ion di chuyển qua lỗ trống với giúp đỡ nhóm chức - - Nhóm chức vận chuyển ion Chuỗi polymer kị nước Hình Cấu trúc sở chất điện phân polymer Hình Cấu trúc hình học chất điện phân polymer [2] Bảng Một số polymer chất điện phân tương ứng Vật liệu cho nguồn lượng Hình Cấu trúc số chất điện phân polymer [6] II.4.Nafion II.4.1 Cấu trúc Hình Màng Nafion [7] Nafion chế tạo lần vào cuối năm 1960 Walther Grot hãng DuPont Nafion có hình dạng màng mỏng, suốt, dẻo (hình 7) 10 Vật liệu cho nguồn lượng (a) (b) Hình 28 : Ảnh TEM mẫu sol TiO2 dùng để phủ màng đế Nafion 117 (a), phân bố kích thước hạt tính tốn từ ảnh TEM (b, c) 35 Vật liệu cho nguồn lượng 3.2 Kết khảo sát hình học bề mặt màng Nafion 117 màng nano TiO2/Nafion 117 3.2.1 Kết khảo sát bề mặt kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FESEM – Field Emission Scanning Electron Microscope) Hình 29 ảnh FESEM màng Nafion 117 chưa biến tính TiO2, cịn hình 30 ành FESEM màng nano TiO2/Nafion 117 với độ dày lớp phủ TiO2 khác Từ kết phân tích chúng tơi nhận thấy bề mặt màng Nafion 117 chưa biến tính tồn nhiều khe nứt, bên cạnh bề mặt khơng đặn có tồn vị trí lồi lõm khác Bề mặt màng Nafion 117 sau biến tính cách phủ màng mỏng nano TiO2 trở nên đặn nhiều, vị trí lồi lõm khơng cịn thấy (hình 30a) thay đổi giá trị độ dày lớp phủ TiO2 bề mặt quan sát trở nên mịn với khe nứt hoàn toàn che phủ 3.2.2 Kết khảo sát kính hiển vi lực nguyên tử (AFM – Atomic Force Microscope) Từ kết khảo sát AFM, nhận thấy màng Nafion 117 có bề mặt khơng đồng với độ gồ ghề bề mặt 3,03 (hình 31) Hình 3.7 hình 3.8 ảnh AFM Nafion 117 sau biến tính TiO2 với bề dày lớp màng TiO2 khác Kết cho thấy lớp vật liệu TiO2 phân bố bề mặt màng Nafion 117 che lấp phần khe nứt (Hình 31) tăng độ dày lớp phủ TiO2 khơng cịn thấy khe nứt bề mặt đồng thời độ gồ ghề bề mặt giảm xuống từ - lần 36 Vật liệu cho nguồn lượng Hình 29: Ảnh AFM màng Nafion: ảnh bề mặt (a), ảnh 3D bề mặt (b) kết khảo sát độ gồ ghề bề mặt (c) 37 Vật liệu cho nguồn lượng Hình 30 : Ảnh AFM màng TiO2 dày 170 nm phủ Nafion: ảnh bề mặt (a), ảnh 3D bề mặt (b) kết khảo sát độ gồ ghề bề mặt (c) 38 Vật liệu cho nguồn lượng Hình 31: Ảnh AFM màng TiO2 dày 340 nm phủ Nafion: ảnh bề mặt (a), ảnh 3D bề mặt (b) kết khảo sát độ gồ ghề bề mặt (c) 3.3 Kết khảo sát góc tiếp xúc Hình 32 kết khảo sát góc tiếp xúc màng Nafion 117 chưa biến tính sau biến tính màng mỏng nano TiO2 Màng Nafion 117 loại vật liệu ưa nước với góc tiếp xúc nhỏ 90o sau biến tính lớp màng TiO2 góc tiếp xúc giảm xuống cịn 56,2o Ngồi ra, từ ảnh chụp góc tiếp xúc chúng tơi nhận thấy bề mặt màng Nafion 117 tiếp xúc với nước bị biến dạng nhiều (Hình 32a) Việc biến tính cách phủ màng mỏng nano TiO2 khơng giúp tăng tính ưa nước màng Nafion 117 mà làm tăng độ bền học màng giúp hạn chế biến dạng màng trình hoạt động 39 Vật liệu cho nguồn lượng Hình 32: Kết đo góc tiếp xúc màng Nafion 117 chưa biến tính (a) biến tính (b) 3.4 Kết khảo sát độ thẩm thấu Methanol Phương pháp sắc ký khí áp dụng để xác định nồng độ methanol ngăn B (CB) theo thời gian tương ứng với nồng độ ban đầu methanol ngăn A (CA) Từ kết trình bày phần phụ lục 3, dựa vào công thức 2.6 để suy độ thẩm thấu P (x 10-5 cm /s) methanol cho ba mẫu: màng Nafion 117, màng TiO2 /Nafion-1 với lớp phủ TiO2 dày 170 nm màng TiO2/Nafion- với lớp phủ TiO2 dày 340 nm 40 Vật liệu cho nguồn lượng Đồ thị 3.1: Độ thẩm thấu P (x 10-5 cm2/s) methanol qua màng Nafion 117 theo thời gian với nồng độ ban đầu ngăn A khác Bảng 5: Độ thẩm thấu P (x 10-5 cm2/s) methanol qua màng Nafion 117 theo thời gian với nồng độ ban đầu ngăn A khác 41 Vật liệu cho nguồn lượng Đồ thị 3.2: Độ thẩm thấu P (x 10-5 cm2/s) methanol qua màng TiO2/Nafion-1 theo thời gian với nồng độ ban đầu ngăn A khác Bảng 6: Độ thẩm thấu P (x 10-5 cm2/s) methanol qua màng TiO2/Nafion-1 theo thời gian với nồng độ ban đầu ngăn A khác 42 Vật liệu cho nguồn lượng Đồ thị 3.3: Độ thẩm thấu P (x 10-5 cm2/s) methanol qua màng TiO2/Nafion-2 theo thời gian với nồng độ ban đầu ngăn A khác Bảng 7: Độ thẩm thấu P (x 10-5 cm2/s) methanol qua màng TiO2/Nafion-2 theo thời gian với nồng độ ban đầu ngăn A khác Từ đồ thị 3.1, 3.2, 3.3, nhận thấy độ thẩm thấu methanol qua màng trao đổi proton giảm dần theo thời gian sau khoảng độ thầm thấu gần khơng thay đổi Ngồi ra, chúng tơi rút kết luận sử dụng dung dịch methanol có nồng độ mol/L cho kết giảm thiểu độ thẩm thấu methanol Đồ thị 3.4 cho thấy phụ thuộc độ thẩm thấu P (x 10-5 cm2/s) theo thời gian tương ứng với loại màng nồng độ ban đầu ngăn chứa A mol/L Độ thẩm thấu methanol qua màng Nafion 117 sau đươc biến tính giảm từ 1,5-2 lần theo thời gian so với màng Nafion chưa biến tính Bảng 3.4: Độ thẩm thấu P (x 10-5 cm2/s) methanol qua mẫu màng theo nhiệt độ thời gian với nồng độ ban đầu ngăn chứa A mol/L 43 Vật liệu cho nguồn lượng Đồ thị 3.4: Sự phụ thuộc độ thẩm thấu P (x 10-5 cm2/s) theo thời gian tương ứng với loại màng nồng độ ban đầu ngăn chứa A mol/L Độ thẩm thấu methanol tăng nhiệt độ tăng từ kết từ đồ thị 3.5 nhận thấy độ thẩm thấu methanol qua màng Nafion 117 sau biến tính giảm từ 3-4 lần so với chưa biến tính tăng nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng vận tốc phân tử chất lỏng dung dịch nhiên liệu tăng làm cho độ thẩm ethanol qua màng trao đổi proton tăng lên Việc biến tính màng Nafion 117 với lớp phủ TiO2 kích thước nano tạo thành màng ngăn hạn chế lượng dung dịch thấm qua màng 44 Vật liệu cho nguồn lượng Đồ thị 3.5: Độ thẩm thấu P (x 10-5 cm2/s) methanol qua mẫu màng theo nhiệt độ thời gian với nồng độ ban đầu ngăn chứa A mol/L 3.5 Kết khảo sát độ dẫn Proton Bảng 8: Độ dẫn proton σ (mS/cm) mẫu màng tương ứng với nhiệt độ 30oC 70oC Kết độ dẫn proton σ (mS/cm) suy từ công thức 2.7 sau xác định tổng trở R màng (Phụ lục 4) Đồ thị 3.6 thể phụ thuộc độ dẫn proton vào nhiệt độ tương ứng với mẫu màng Kết cho thấy độ dẫn protoncủa màng giảm nhiệt độ tăng mẫu phủ TiO2 cho độ dẫn proton nhỏ so với mẫu không phủ từ 1,5 – 2,5 lần Cũng giống độ thẩm thấu methanol, độ dẫn proton phụ thuộc vào nhiệt độ vận tốc dịch chuyển proton qua kênh tăng nhiệt độ tăng Đối với độ dẫn proton, nhiều khả lớp màng TiO2 hạn chế lượng proton truyền qua kênh dẫn làm độ dẫn proton giảm theo độ dày lớp phủ nano TiO2 45 Vật liệu cho nguồn lượng Đồ thị 3.6: Sự phụ thuộc độ dẫn proton vào nhiệt độ 3.6 Kết so sánh độ dẫn proton độ thẩm thấu methanol Để đánh giá khả ứng dụng màng cho hoạt động pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp, lập tỉ số σ/P (mS.s/cm3) độ dẫn proton σ (mS/cm) độ thẩm thấu methanol P (x 10-5cm2/s) hai điều kiện nhiệt độ khác (30oC 70oC) bảng Bảng 8: Tỉ số độ dẫn proton độ thẩm thấu methanol σ/P (x 107 mS.s/cm3) 30oC 70oC Đồ thị 3.7: Tỉ số độ dẫn proton độ thẩm thấu methanol σ/P (x 107 mS.s/cm3) 46 Vật liệu cho nguồn lượng Từ kết so sánh tỉ số σ/P mẫu màng Nafion, màng TiO2/Nafion-1 màng TiO2/Nafion-2 theo nhiệt độ (đồ thị 3.7), nhận thấy màng Nafion 117 biến tính cách phủ màng TiO2 với độ dày lớp phủ 170 nm không cho độ thẩm thấu methanol thấp mà cho tỉ số σ/P cao hẳn so với màng Nafion117 chưa biến tính hay màng Nafion 117 biến tính với độ dày lớp phủ TiO2 340 nm Đây kết mà mục tiêu luận văn hướng tới nhằm cải thiện hiệu suất pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC) 47 Vật liệu cho nguồn lượng KẾT LUẬN Chất điện ly sở polymer thể tối ưu kích thước, độ dẫn độ bền học Chúng thừa hưởng ưu điểm khắc phục mặt hạn chế chất điện ly lỏng Mặc dù có nhiều ưu điểm, loại vật liệu tiếp tục cải tiến để nâng cao chất lượng, tiềm việc cải tiến lớn Trong tương lai, việc sử dụng cải tiến chất điện ly sở polymer góp phần giải vấn đề pin nhiên liệu nói riêng ngành lượng nói chung 48 Vật liệu cho nguồn lượng Tài liệu tham khảo [1] Trung tâm Thông tin Khoa học Công Nghệ TP.HCM, Chuyên đề “Nghiên cứu chế tạo pin nhiên liệu – Triển vọng xu hướng nhiên liệu xanh”, Tp Hồ Chí Minh: Sở Khoa học Công Nghệ TP.HCM, 2011 [2] N Bhuvanendran, Advanced Supporting Materials for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells, London: IntechOpen, May 9th 2018 [3] J H Wee, “Applications of proton exchange membrane fuel cell systems,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, tập 11, số 8, pp 1720-1738, 2007 [4] K Ramesh , Joon Ching Juan, S Ramesh Koh Sing Ngai , “A review of polymer electrolytes: fundamental, approaches and applications,” Ionics, tập 22, số 8, p 1259– 1279, 2016 [5] Chiam Wen Liew, R Durairaj S Ramesh, “Rheological Studies of PMMA–PVC Based Polymer Blend Electrolytes with LiTFSI as Doping Salt,” PLoS ONE , tập 9(7): e102815., 2014 [6] M Odgaard, “The Use of Per-Fluorinated Sulfonic Acid (PFSA) Membrane as Electrolyte in Fuel Cells,” Advanced Fluoride-Based Materials for Energy Conversion, Elsevier, 2015, pp 325-374 [7] FuelCellStore, “Nafion™ 117,” Fuel Cell Store, [Trực tuyến] Available: https://www.fuelcellstore.com/nafion-117 [8] Mauritz K Moore R, “State of understanding of Nafion,” Chemical Reviews, tập 104, số 10 , pp 4535-4586, 2004 [9] M Fichtner, “Materials and characterization techniques for high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells,” Beilstein J Nanotechnol, số 6, pp 68 - 83, 2015 [10] M Schuster, M Ise, K Kreuer J Maier, “Proton and Water Transport in Nanoseparated Polymer Membranes,” J Phys IV France, tập 10, số PR7, pp Pr7-279 - Pr7281, 2000 [11] D Simonsson, P Ekdunge Y Sone, “Proton Conductivity of Nafion 117 as Measured by a Four‐Electrode AC Impedance Method,” Journal of The Electrochemical Society, tập 143, số 4, pp 1254-1259, 1996 [12] L Q Hồ, Nghiên cứu chế tạo màng mỏng nano TiO2 màng nafion để nâng cao hiệu suất pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC), Tp Hồ Chí Minh: Trường Đại học Cơng nghệ - Đại học Quốc gia TP.HCM, 2009 [13] E Lerner, Tác giả, Paving the way for safer, smaller batteries and fuel cells [Performance] University of Pennsylvania, 2018 49 ... lý thành phần: - Chất điện phân gel polymer - Chất điện phân polymer rắn - Chất điện phân polymer tổng hợp Chất điện phân gel polymer Chất điện phân polymer rắn Chất điện phân polymer tổng hợp... tới hiệu suất pin Đây vấn đề mà nhà khoa học đau đầu nỗ lực nghiên cứu cải tiến II Chất điện ly sở Polymer pin nhiên liệu II.1 Chất điện ly pin nhiên liệu Chất điện ly chất phân ly tạo thành ion... thuật pin nhiên liệu, nâng cao hiệu suất, tính động,… Chất điện ly sở Polymer cải tiến kỹ thuật vật liệu pin nhiên liệu, mang lại thêm nhiều ưu điểm cho chất điện ly nói riêng pin nhiên liệu nói