5. Bố cục của đề tài:
3.5.2. Thế quét CV của vật liệu Co3O4-IO trên đế Niken và ITO
0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 -25 0 25 50 M.02- 450oC- ITO M.02-450oC - Niken M ật độ dò ng đi ện (m A .cm -2 )
Điện thế (V) với RHE
Hình 3.23. Đƣờng cong CV của vật liệu Co3O4–IO nồng độ 0.2 M
đo trên đế Niken và ITO
Các điện cực của vật liệu có hoạt tính điện hóa khác nhau rất nhiều khi chúng mọc trên các đế khác nhau. Đƣờng cong CV hình 3.23 chứng tỏ quá trình khảo sát mẫu trên đế niken rất tốt so với đế ITO, cụ thể là ở cùng một điều kiện khảo sát nhƣ nhau nhƣng mẫu trên đế niken cho thấy các pic anot và catot phân cực rõ ràng. Trên ITO thì hầu nhƣ không thấy, điều này khẳng định nhận xét trên là hoàn toàn chính xác.
66
KẾT LUẬN CHUNG
Qua thời gian tìm hiểu về lý thuyết và làm thực nghiệm chúng tôi đã chế tạo thành công vật liệu Co3O4 có cấu trúc xốp nano bằng phƣơng pháp dùng “khuôn” cứng kết hợp quá trình nung kết trong không khí, khảo sát các điều kiện ảnh hƣởng đến cấu trúc, hình thái và hiệu suất xúc tác điện hóa của vật liệu. Kết quả đạt đƣợc nhƣ sau:
Kết quả phân tích ảnh SEM cho thấy chúng tôi đã chế tạo thành công vật liệu Co3O4 - IO tại phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Trƣờng ĐH Quy Nhơn. Kết quả phân tích SEM và BET cho thấy bề dày các mao quản, đƣờng kính các lỗ xốp (mao quản) và diện tích bề mặt riêng của vật liệu cũng đƣợc điều khiển để tối ƣu hóa hiệu suất xúc tác bởi thay đổi nồng độ Co(NO3)2.6H2O và nhiệt độ nung.
Kết quả phân tích XRD của mẫu cho thấy, vật liệu đƣợc tạo thành có cấu trúc lập phƣơng Co3O4 (theo thẻ chuẩn JCPDS số 42-1467). Trên giản đồ không xuất hiện đỉnh lạ của bất kỳ pha cấu trúc tinh thể nào khác, điều này chứng tỏ rằng tiền chất coban đã đƣợc biến đổi hoàn toàn thành tinh thể Co3O4 cấu trúc xốp nano.
Kết quả khảo sát thuộc tính xúc tác điện hóa cho quá trình tiến hóa OER và HER của vật liệu Co3O4 – IO cho thấy: Hiệu suất phụ thuộc vào sự thay đổi nồng độ Co(NO3)2.6H2O và nhiệt độ nung. Hiệt suất tối ƣu đạt đƣợc tại nồng độ 0.2M Co(NO3)2.6H2O và nhiệt độ nung 450ºC.
Kết quả của đề tài nhằm góp phần tìm kiếm hệ vật liệu cấu trúc tiên tiến dùng làm chất xúc tác điện hóa cho quá trình tiến hóa oxy, mở rộng cho quá trình tiến hóa hydro, ứng dụng trong các tế bào tách nƣớc điện hóa, dùng làm nguyên liệu đầu vào cho các pin nhiên liệu (fuel cells) và pin kim loại-không khí (metal-air batteries) nhƣ pin lithium-không khí, pin kẽm-không khí.
67
Hƣớng phát triển của đề tài: Biến tính vật liệu cấu trúc xốp nano
Co3O4 với Cacbon để tăng hiệu suất xúc tác điện hóa chức năng kép (OER/HER), đặc biệt là quá trình HER.
Một số kết quả khảo sát của vật liệu C-Co3O4 đƣợc tổng hợp ở nhiệt độ 450ºC nung trong khí Nitơ, 2h.
Hình 3.24. Ảnh SEM của vật liệu C-Co3O4 với độ phóng đại khác nhau
68 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 -100 -50 0 50 100 C-Co 3O 4 M ật độ dò ng đi ện (m A .cm -2 ) Thời gian (s) a) 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 -25 0 25 50 C-Co 3O 4 M ật đ ộ d òn g đ iệ n (m A .c m -2 )
Điện thế (V) với RHE
b)
Hình 3.26. Đặc trƣng xúc tác điện hóa của vật liệu C- Co3O4: Đồ thị LSV (a), Đƣờng cong CV (b)
69
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bajdich, M., Garcia-Mota, M., Vojvodic, A., Norskov, J. K. & Bell, A. T, “Theoretical investigation of the activity of cobalt oxides for the electrochemical oxidation of water,” J. Am. Chem. Soc. 135, 13521–13530, 2013
[2] Jiang, Z. J. & Jiang, Z. Q. “Interaction induced high catalytic activities of CoO nanoparticles grown on nitrogen-doped hollow graphene microspheres for oxygen reduction and evolution reactions,” Sci.
Rep. 6, 27081, srep27081, 2016.
[3] Rosen, J., Hutchings, G. S. & Jiao, F, “Ordered mesoporous cobalt oxide as highly efficient oxygen evolution catalyst,” J. Am. Chem. Soc. 135, 4516–4521, 2013.
[4] Xia, W. Y., Li, N., Li, Q. Y., Ye, K. H. & Xu, C. W, “Au-NiCo2O4 supported on threedimensional hierarchical porous graphene-like material for highly effective oxygen evolution reaction,” Sci.
Rep. 6, 23398, srep23398, 2016.
[5] Zhuang, Z., Sheng, W. & Yan, Y, “Synthesis of monodispere Au@Co3O4 core-shell nanocrystals and their enhanced catalytic activity for oxygen evolution reaction,” Adv. Mater. 26, 3950 - 3955, 2014. [6] Gu, Y. et al, “Hierarchical porous Co3O4@CoxFe3−xO4 film as an
advanced electrocatalyst for oxygen evolution reaction,” RSC Adv. 5, 8882 - 888, 2015.
[7] Zou, X. et al. “Efficient oxygen evolution reaction catalyzed by low- density Ni-doped Co3O4 nanomaterials derived from metalembedded graphitic C3N4,” Chem. Commun. 49, 7522 - 7524, 2013.
70
[8] Ren, Y., Ma, Z. & Bruce, P. G. “Ordered mesoporous metal oxides: synthesis and applications,” Chem. Soc. Rev. 41, 4909-4927, 2012. [9] Nguyễn Hoàng Hải (2007), “Các hạt nano kim loại”, Trung tâm Khoa học
Vật liệu, Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. [10] Phan Thị Hoàng Oanh (2012), “Nanochemistry”, chuyên ngành hóa vô
cơ, Trƣờng đại học sƣ phạm thành phố Hồ Chí Minh.
[11] Vũ Đình Cự - Nguyễn Xuân Chánh (2004), “Công nghệ nanô, Điều khiển đến từng phân tử nguyên tử”, nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật Hà Nội.
[12] Chen J, Wu X., Selloni A. (2011),"Electronic structure and bonding properties of cobalt oxide in the spinel structure", Physical Review B, Vol.8, Iss. 24, pp. 245204
[13] Li L., Zhang C., Zhang R., Gao X., He S., Liu M., Li X., Chen W. (2017), "2D ultrathin Co3O4 nanosheet array deposited on 3D carbon foam for enhanced ethanol gas sensing application", Sensors and Actuators B:Chemical, Vol. 244, pp. 664-672.
[14] Sun H., Ang H.M., Tadé M.O., Wang S. (2013), "Co3O4 nanocrystals with predominantly exposed facets: synthesis, environmental and energy applications", Journal of Materials Chemistry A, Vol. 1, Iss. 46, pp. 14427.
[15] Hoàng Nhâm (2006), Hóa học vô cơ, NXB Giáo dục.
[16] Cao G. (2004), Nanostructures & nanomaterials: synthesis, properties & applications, Imperial college press.
[17] H. Sarkas, P. G. Murray et al. “Nanocrystalline mixed metal oxides novel oxygen storage material,” Technical Proceedings of Nanotechnology Conference –Nanotech 2004, Vol. 3, 496 – 498.
71
[18] Wang YQ, Cheng HM et al. J. “of Materials Science Letters,” 18 (2), 127 – 129, 1999.
[19] XIE.Yibing and YUAN Chunwei. “Rare Metals”, Vol. 23(1), Mar, 20 - 26, 2004.
[20] Yuhong Zhang, Huaxing Zhang et al. J. Mater. Chem, 13, 2261 – 2265, 2003.
[21] Nano Materials. Edited by Chakavorty Indian National Science Academy 47, Bahadur Shah Zafar Marg, New Delhi, 47 - 68, 2001.
[22] Bhushan Editor, Handbook ò nano Technology, 2007.
[23] Lƣu Minh Đại, Nguyễn Gia Hƣng, Đào Ngọc Nhiệm, Nguyễn Thị Tố Loan. Tạp chí Hóa học, T. 44(4), 471 – 474, 2006.
[24] Lƣu Minh Đại (2010), "Tổng hợp Co3O4 kích thƣớc nanomet bằng phƣơng pháp đốt cháy gel", Tạp chí Hóa học, T. 48, số 6, tr. 683 - 686.
[25] Zhou L., Xu J., Miao H., Wang F., Li X. (2005), "Catalytic oxidation of cyclohexane to cyclohexanol and cyclohexanone over Co3O4 nanocrystals with molecular oxygen", Applied Catalysis A: General, Vol. 292, pp. 223-228.
[26] Liu X., Qiu G., Li X. (2005), "Shape-controlled synthesis and properties of uniform spinel cobalt oxide nanocubes", Nanotechnology, Vol. 16, Iss. 12, pp. 3035 – 3040.
[27] Salavati-Niasari M., Khansari A. (2014), "Synthesis and characterization of Co3O4 nanoparticles by a simple method", Comptes Rendus Chimie, Vol. 17, Iss. 4, pp. 352-358.
[28] Li Z., Yu X.-Y., Paik U. (2016), "Facile preparation of porous Co3O4 nanosheets for high-performance lithium ion batteries and oxygen
72
evolution reaction", Journal of Power Sources, Vol. 310, pp. 41- 46.
[29] Wei R., Zhou X., Zhou T., Hu J., Ho J.C. (2017), "Co3O4 nanosheets with in-plane pores and highly active {112} exposed facets for high performance lithium storage", The Journal of Physical Chemistry C, Vol. 121, Iss. 35, pp. 19002-19009.
[30] El Baydi M., Poillerat G., Rehspringer J.-L., Gautier J.L., Koenig J.-F., Chartier P. (1994), "A sol-gel route for the preparation of Co3O4 catalyst for oxygen electrocatalysis in alkaline medium", Journal of Solid StateChemistry, Vol. 109, Iss. 2, pp. 281-288.
[31] Liang Y., Li Y., Wang H., Zhou J., Wang J., Regier T., Dai H. (2011), "Co3O4 nanocrystals on graphene as a synergistic catalyst for oxygen reduction reaction", Nature materials, Vol. 10, Iss. 10, pp. 780-786.
[32] Jagadeesh R.V., Stemmler T., Surkus A.E., Bauer M., Pohl M.M., Radnik J., Junge K., Junge H., Bruckner A., Beller M. (2015), "Cobalt-based nanocatalysts for green oxidation and hydrogenation processes", Nat Protoc, Vol. 10, Iss. 6, pp. 916-26 [33] Hong, W. T., Risch, M., Stoerzinger, K. A., Grimaud, A., Suntivich, J.,
& Shao-Horn, Y. (2015).“Toward the rational design of non- precious transition metal oxides for oxygen electrocatalysis”.
Energy & Environmental Science, 8(5), 1404–1427.
[34] Y.-C. Lu, B. M. Gallant, D. G. Kwabi, J. R. Harding, R. R. Mitchell, M. S. Whittingham and Y. Shao-Horn, Energy Environ. Sci, 2013, 6, 750.
[35] C. C. McCrory, S. Jung, J. C. Peters and T. F. Jaramillo, J. Am.Chem. Soc., 2013, 135, 16977-16987
73
[36] H. Dau, C. Limberg, T. Reier, M. Risch, S. Roggan and P. Strasser, ChemCatChem, 2010, 2, 724–761.
[37] S. Trasatti, Electrochim. Acta, 1991, 36, 225-241 [38] B. Hammer, Top. Catal., 2006, 37, 3-16
[39] N. Pentland , J. M. Bockris , E. Sheldon , J. Electrochem. Soc. 1957,
104, 182
[40] Neagu C, Jansen H, Gardeniers H, and Elwenspoek M, 2000, “The electrolysis of water: An actuation principle for MEMS with a big opportunity”, Mechatronics: 571-581
[41] Congling Hu, Lei Zhang and Jinlong Gong, Recent progress made in the mechanism comprehension and design of electrocatalysts for alkaline water splitting, Energy Environ. Sci.
[42] Neagu C, Jansen H, Gardeniers H, and Elwenspoek M, 2000, “The electrolysis of water: An actuation principle
[43] Y.Li, P.asin, Y.Wu, “Ni(x)Co(3-x)O(4) nanowire arrays for electrocatalytic oxygen evolution”, Adv. Mater. 2010, 22, 192. [44] S.Zhang, J.-j. Shan, Y.Zhu, A.I.Frenkel, A.Patlolla, W.Huang, S.J.Yoon,
L. Wang, H.Yoshida, S.Takeda, “WGS catalysis and in situ studies of CoO(1-x), PtCo(n)/Co3O4, and Pt(m)Co(m')/CoO(1-x) nanorod catalysts”, J.Am.Chem.Soc. 2013, 135, 8283 .
[45] Yicheng Wei, Xiang Ren, Hongmin Ma, Xu Sun, Yong Zhang, Xuan Kuang, Tao Yan, Huangxian Ju, Dan Wu and Qin Wei. “CoC2O4·2H2O derived Co3O4 nanorods array: a high-efficiency 1D electrocatalyst for alkaline oxygen evolution reaction”,
74
[46] Yeo, B. S., & Bell, A. T. “Enhanced Activity of Gold-Supported Cobalt Oxide for the Electrochemical Evolution of Oxygen”. Journal of the American Chemical Society, 133(14), 5587–5593, 2011.
[47] Yongcheng Wang, Tong Zhou, Kun Jiang, Peimei Da, Zheng Peng, Jing Tang , Biao Kong , Wen-Bin Cai , Zhongqin Yang ,* and Gengfeng Zheng, “Reduced Mesoporous Co3O4 Nanowires as Efficient Water”,Adv. Energy Mater.1400696, 2014.
[48] Seol A Cho, Yu Jin Jang, Hee-Dae Lim, Ji-Eun Lee, Yoon Hee Jang, Trang-Thi Hong Nguyen, Filipe Marques Mota, David Fenning, Kisuk Kang,* Yang Shao-Horn,* Dong Ha Kim,* “Hierarchical Porous Carbonized Co3O4 Inverse Opals via Combined Block Copolymer and Colloid Templating as Multifunctional Electrocatalysts and Cathodes in Li-O2 Battery”, Adv. Energy Mater. 2017, 7, 1700391
[49] Sing, K. S. W.; Everett, D. H.; Haul, R. A. W.; Moscou, L.; Pierotti, R. A.; Rouquerol, J.; Siemieniewska, T. “Reporting Physisorption Data for Gas/Solid Systems, with Special Reference to the Determination of Surface Area and Porosity”. Pure Appl. Chem. 1985, 57, 603-619.