5. Bố cục của đề tài:
1.4. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CỦA VẬT LIỆU Co3O
TRONG XÖC TÁC ĐIỆN HÓA.
Tình hình nghiên cứu trên thế giới:
Do diện tích bề mặt và trạng thái điện tử của Co3O4 là hai trong số những yếu tố đóng góp chính cho hiệu quả xúc tác của nó, việc quan trọng là tập trung vào việc phát triển các phƣơng pháp tổng hợp mới để tạo ra các cấu trúc nano Co3O4 với diện tích bề mặt cao. Ngoài ra, việc chế tạo các vật liệu nanocomposit dựa trên Co3O4, chẳng hạn nhƣ pha tạp với Ni, [43] Pt, [44] và kết hợp với graphene, [1] cũng đã đƣợc chứng minh cho các hoạt động xúc tác tăng cƣờng, do tác dụng tƣơng trợ của các chất xúc tác này. Yicheng Wei và các cộng sự nghiên cứu về các hệ thống chuyển đổi và lƣu trữ năng lƣợng nhƣ tách nƣớc, pin kim loại không khí đòi hỏi chất xúc tác OER hiệu suất cao và bền. Ở đây, họ đã báo cáo sự mọc trực tiếp của mảng nano Co3O4 ở trên các lá Coban dùng làm đế (Co3O4 NA/CF) nhƣ là một điện cực chất xúc tác 1D cho quá trình OER. Co3O4 NA/CF chỉ cần thế khởi tạo 308 mV để đạt mật độ dòng điện 15mA cm-2
trong 1,0M KOH, với độ bền điện hóa lâu dài. [45]. Boon Siang Yeo and Alexis T. Bell ở Hoa Kỳ đã sử dụng kính hiển vi điện tử quét, phƣơng pháp điện phân tích quét tuyến tính, phân tích điện hóa và quang phổ Raman bề mặt để nghiên cứu OER xảy ra trên màng coban oxit
25
lắng tụ trên nền Au và các chất nền kim loại khác. Tất cả các thí nghiệm đƣợc thực hiện trong 0,1M KOH. Một phát hiện đáng chú ý là hiệu suất cho OER của oxit coban trên nền Au cao hơn 40 lần so với lƣợng oxit coban dạng khối. Hoạt động của một lƣợng nhỏ oxit coban lắng đọng trên Pt, Pd, Cu và Co giảm đơn điệu theo thứ tự Au > Pt > Pd > Cu > Co, song song với độ âm điện giảm của kim loại nền. Một phát hiện đáng chú ý khác là hiệu suất OER đối với oxit coban lắng đọng trên Au cao gấp gần 3 lần so với Ir. Quang phổ Raman cho thấy oxit coban đƣợc lắng đọng có mặt nhƣ Co3O4 nhƣng trải qua quá trình oxy hóa biến đổi thành CoO(OH). Hoạt độ OER cao hơn của coban oxit lắng đọng trên Au là do sự gia tăng một phần của các vị trí Co có mặt nhƣ các cation Co (IV), một trạng thái coban đƣợc cho là cần thiết cho OER xảy ra. [46]
Yongcheng Wang và các cộng sự tổng hợp các sợi nano Co3O4 với trạng thái khiếm khuyết oxy bề mặt đã cho hiệu suất hoạt động OER tăng bảy lần so với các sợi Co3O4 nguyên sơ. Các tính toán lý thuyết cho thấy vị trí trống oxy tạo ra các trạng thái khuyết tật mới nằm trong khoảng cách của Co3O4 và do đó hai electron trên các trạng thái khiếm khuyết dễ bị kích thích, làm tăng tính dẫn điện và hiệu suất điện hóa đáng kể.[47]
Nhìn chung, những nổ lực của các nhà nghiên cứu từ trƣớc đến nay cho việc nâng cao hiệu suất xúc tác điện hóa cho quá trình OER trên nền vật liệu Co3O4 là rất đáng ghi nhận. Tuy nhiên, cho đến nay việc sử dụng chúng làm chức năng kép cho ứng dụng tách nƣớc điện hóa (đặc biệt là quá trình HER) cần phải đƣợc tiếp tục nghiên cứu và cải thiện thêm nữa cả về cấu trúc hình thái vật liệu lẫn cơ chế xúc tác điện hóa.
Tình hình nghiên cứu trong nƣớc:
Trong những năm gần đây, trên thế giới, vấn đề tăng hiệu suất cho các quá trình xúc tác điện hóa của vật liệu làm điện cực trong tách nƣớc điện hóa,
26
các loại pin kim loại-không khí, hay các tế bào nhiên liệu,…rất đƣợc quan tâm và là một hƣớng nghiên cứu rộng mở và nhiều tiềm năng, bởi vì sản phẩm là nguồn năng lƣợng sạch, an toàn, tiết kiệm và có thể tái tạo. Tuy nhiên cho đến hiện tại chúng tôi vẫn chƣa tìm thấy một công bố nào về ứng dụng vật liệu Coban oxit có cấu trúc dạng xốp nano cho xúc tác điện hóa chức năng kép (OER/HER) ở trong nƣớc. Vì vậy sự phát triển đề tài là hết sức cần thiết, và hệ vật liệu Co3O4 có cấu trúc xốp nano đƣợc kỳ vọng nhƣ là chất xúc tác điện hóa cho các quá trình OER và mở rộng cho quá trình HER, với hoạt tính xúc tác vƣợt trội, ứng dụng nhằm nâng cao hiệu suất chuyển hóa năng lƣợng. Đề tài này sẽ mở ra hƣớng nghiên cứu mới triển vọng cho chúng ta trong việc chế tạo và ứng dụng các chất xúc tác điện hóa cấu trúc xốp nano đối với lĩnh vực năng lƣợng và môi trƣờng.
27
CHƢƠNG 2. THỰC NGHIỆM
Từ nhiều nghiên cứu khác nhau đã cho thấy việc sử dụng vật liệu Co3O4 có cấu trúc xốp nano làm chất xúc tác cho quá trình tiến hoá oxy (OER) và mở rộng cho quá trình tiến hóa hydro (HER) ứng dụng trong điện hóa tách nƣớc sẽ cho hiệu suất rất tốt, giá thành rẻ và độ bền cao. Do vậy, chúng tôi tập trung sử dụng phƣơng pháp dùng “khuôn” cứng là các quả cầu polystyrene (PS) kết hợp quá trình nung kết trong không khí để chế tạo vật liệu Co3O4 có cấu trúc xốp nano. Thực nghiệm sử dụng những điện cực là vật liệu cấu trúc xốp nano Co3O4 mọc trực tiếp trên đế bọt Niken, để khảo sát thuộc tính tách nƣớc điện hóa. Quy trình chế tạo mẫu cũng nhƣ phƣơng pháp khảo sát tính chất của mẫu đƣợc trình bày chi tiết ở các mục sau.
28