4. Cấu trúc của đề tài
3.3.3. Đặc trưng thế quét vòng tuần hoàn (CV) của vật liệu
Tính chất điện hóa của vật liệu được thể hiện trên đường phân cực vòng. Vật liệu được đo ở tốc độ quét 20 mV, vật liệu có khả năng hoạt động điện hóa càng tốt khi mật độ dòng đỉnh anôt và mật độ dòng đỉnh catôt càng cao và hiệu điện thế giữa đỉnh anôt và đỉnh catôt (ΔE) càng nhỏ. Dưới đây là kết quả khảo sát mật độ vòng các mẫu vật liệu trong môi trường KOH 1M.
Hình 3.17. Đặc trưng CV của vật liệu Co3O4 IO và Ru - Co3O4 IO Bảng 3.6. Hoạt tính xúc tác của vật liệu Co3O4 IO và Ru - Co3O4 IO
Tên mẫu Ip,a
(mA) Ip,c (mA) Ep,a (V) Ep,c (V) ΔE (V) Co3O4 IO 6.31 -23.34 1,41 1,17 0.24 Ru-Co3O4 IO_VS 3ph- K.k 8.78 -7.28 1.47 1.25 0.22 Ru-Co3O4 IO_VS 3ph- N2 25.13 -5.12 1.41 1.23 0.18 Dựa vào hình 3.17 và bảng số liệu 3.6 cho thấy giá trị hiệu điện thế giữa đỉnh anôt và đỉnh catôt (ΔE) của vật liệu Ru - Co3O4 IO nung trong khí N2 có giá trị nhỏ nhất và đồng thời mật độ dòng đỉnh anôt và mật độ dòng đỉnh catôt cao. Điều này có thể chứng tỏ rằng vật liệu Ru – Co3O4 được tổng hợp theo phương pháp Polyol cấp nhiệt vi sóng 3 phút và nung trong khí N2 là vật liệu có khả năng hoạt động điện hóa tốt.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Một số kết quả và những đóng góp mới của đề tài:
- Chế tạo thành công vật liệu Co3O4 có cấu trúc xốp nano bằng phương pháp dùng “khuôn” cứng là các quả cầu PS kết hợp quá trình nung kết vật liệu.
- Đã thành công trong việc biến tính bề mặt vật liệu Co3O4 có cấu trúc xốp nano bằng các hạt nano kim loại Ru bằng phương pháp Polyol cấp nhiệt vi sóng và phương pháp ngâm tẩm mao quản.
- Kết quả khảo sát hình thái bề mặt bằng các đặc trưng SEM của hệ vật liệu Co3O4 IO và Ru - Co3O4 IO đã chế tạo cho thấy vật liệu Co3O4 IO có dạng như hình tổ ong, với các lỗ xốp (mao quản) sắp xếp trật tự với kích thước đồng đều, đường kính trung bình khoảng 280 nm, ngăn cách nhau bằng các thành mao quản có bề dày khoảng 15 nm; vật liệu Ru - Co3O4 IO với bề mặt xốp hơn, các hạt Ru đính lên bề mặt vật liệu một cách đồng đều và kết dính với nhau tạo thành hình dạng mao quản như vật liệu ban đầu.
- Kết quả XRD, EDX và Raman đều cho thấy tiền chất coban đã được biến đổi hoàn toàn thành tinh thể Co3O4 cấu trúc xốp nano, vật liệu sau khi bị biến tính bề mặt có tín hiệu của các hạt Ru.
- Nghiên cứu khả năng tăng hiệu suất xúc tác cho quá trình điện hóa dựa trên các vật liệu Co3O4 IO và Ru - Co3O4 IO đã chế tạo cho kết quả vật liệu Ru - Co3O4 IO được tổng hợp bằng phương pháp Polyol cấp nhiệt vi sóng 3 phút và nung trong môi trường khí N2 là vật liệu cho kết quả khảo sát LSV, I-t và CV tốt nhất. Vì vậy vật liệu được tổng hợp bằng phương pháp và điều kiện này là vật liệu có khả năng nâng cao hiệu suất xúc tác điện hóa tốt nhất.
- Kết quả của đề tài nhằm tìm kiếm hệ vật liệu với cấu trúc tiên tiến kết hợp với các phép đo mới góp phần trong việc nghiên cứu khả năng tăng hiệu suất xúc tác của quá trình điện hóa. Đồng thời, đề tài cũng sẽ góp một phần
không nhỏ trong việc tìm hiểu sâu hơn về cơ sở lý thuyết trong lĩnh vực tăng hiệu suất các quá trình điện hóa bằng việc biến tính các hạt nano kim loại lên bề mặt Co3O4 IO . Một số kiến nghị cho đề tài:
- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian cấp nhiệt vi sóng trong quá trình biến tính bề mặt Co3O4 IO.
- Biến tính bề mặt Co3O4 IO bằng các hạt nano kim loại khác như Pt, Au, Ag…để khảo sát đặc tính xúc tác điện hóa của vật liệu sau khi biến tính bề mặt.
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lưu Minh Đại (2010), “Tổng hợp Co3O4 kích thước nanomet bằng phương pháp đốt cháy gel”, Tạp chí Hóa học, T. 48, số 6, tr. 683 - 686.
[2] Ghribi, D., Khelifa, A., Diaf, S. & Belhamel, M. Study of hydrogen production system by using PV solarenergy and PEM electrolyser in Algeria. Int. J. Hydrogen Energy 38, 8480–8490 (2013).
[3] Meng, Y. et al. Structure–property relationship of bifunctional MnO2 nanostructures: highly efficient, ultra-stable electrochemical water oxidation and oxygen reduction reaction catalysts identified in alkaline media. J. Am. Chem. Soc. 136, 11452–11464 (2014).
[4] Bediako, D. K., Surendranath, Y. & Nocera, D. G. Mechanistic studies of the oxygen evolution reaction mediated by a nickel–borate thin film electrocatalyst. J. Am. Chem. Soc. 135, 3662–3674 (2013).
[5] Seitz, L. C., Hersbach, T. J., Nordlund, D. & Jaramillo, T. F. Enhancement effect of noble metals on manganese oxide for the oxygen evolution reaction. J. Phys. Chem. Lett. 6, 4178–4183 (2015).
[6] Siracusano, S., Van Dijk, N., Payne-Johnson, E., Baglio, V. & Arico, A. S. Nanosized IrOx and IrRuOx electrocatalysts for the O2 evolution reaction in PEM water electrolysers. Appl. Catal. B-Environ. 164,
488–495 (2015).
[7] Bajdich, M., Garcia-Mota, M., Vojvodic, A., Norskov, J. K. & Bell, A. T.heoretical investigation of the activity of cobalt oxides for the electrochemical oxidation of water. J. Am. Chem. Soc. 135, 13521– 13530 (2013).
[8] 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, doi: 10.1038/srep27081 (2016).
[9] 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).
[10] 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, doi: 10.1038/srep23398 (2016).
[11] 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).
[12] Gu, Y. et al. Hierarchical porous Co3O4@CoxFe3−xO4 film as an advanced electrocatalyst for oxygen evolution reaction. RSC Adv. 5,
8882–8886 (2015).
[13] 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).
[14] Ren, Y., Ma, Z. & Bruce, P. G. Ordered mesoporous metal oxides: synthesis and applications. Chem. Soc. Rev. 41, 4909–4927 (2012). [15] McAlpin, J. G. et al. EPR evidence for Co (IV) species produced during
water oxidation at neutral pH. J. Am. Chem. Soc. 132, 6882–6883 (2010).
[16] Qing Qu, Jian-Hua Zhang, Jing Wang, Qing-Yu Li, Chang-Wei Xu & Xihong Lu. Three-dimensional ordered mesoporous Co3O4 enhanced by Pd for oxygen evolution reaction. Scientific Reports 7(1). doi:10.1038/srep41542, (2017).
[17] Tobias Reier, Mehtap Oezaslan, and Peter Strasser. Electrocatalytic Oxygen Evolution Reaction (OER) on Ru, Ir, and Pt Catalysts: A Comparative Study of Nanoparticles and Bulk Materials. ACS Catal, 2 (8), pp 1765–1772 doi: 10.1021/cs3003098 (2012)
[18] 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. Chemical Communications, 54(12), 1533–1536. doi:10.1039/c7cc08423d (2013) [19] 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. doi:10.1021/ja200559j (2011).
[20] Chen J., Wu X., Selloni A. (2011), "Electronic structure and bonding properties of cobalt oxide in the spinel structure", Physical Review B, Vol. 83, Iss. 24, pp. 245204.
[21] 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.
[22] 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.
[23] 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.
[24] 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.
[25] 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.
[26] Li Z., Yu X.-Y., Paik U. (2016), "Facile preparation of porous Co3O4 nanosheets for high-performance lithium ion batteries and oxygen evolution reaction", Journal of Power Sources, Vol. 310, pp. 41-46. [27] 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
[28] 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.
[29] C. C. McCrory, S. Jung, J. C. Peters and T. F. Jaramillo, J. Am.Chem. Soc., 2013, 135, 16977-16987
[30] H. Dau, C. Limberg, T. Reier, M. Risch, S. Roggan and P. Strasser, ChemCatChem, 2010, 2, 724–761.]
[31] N. Pentland , J. M. Bockris , E. Sheldon , J. Electrochem. Soc. 1957, 104, 182
[32]N. Danilovic, R. Subbaraman, D. Strmcnik, K. C. Chang, A. P. Paulikas, V. R. Stamenkovic and N. M. Markovic, Angew. Chem., Int. Ed., 2012, 51, 12495–12498
[33]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., DOI: 10.1039/c9ee01202h [34] J. Creus, S. Drouet, S. Surin˜ach, P. Lecante, V. Collie`re, R. Poteau, K.
Philippot, J. Garcı ´a-Anto´n and X. Sala, ACS Catal., 2018, 8, 11094–11102.
[35] N. Danilovic, R. Subbaraman, D. Strmcnik, K. C. Chang, A. P. Paulikas, V. R. Stamenkovic and N. M. Markovic, Angew. Chem., Int. Ed., 2012, 51, 12495–12498.
[36] Y. Zheng, Y. Jiao, Y. Zhu, L. H. Li, Y. Han, Y. Chen, M. Jaroniec and S. Z. Qiao, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 16174–16181.
[37] J. Wang, Z. Wei, S. Mao, H. Li and Y. Wang, Energy Environ. Sci., 2018, 11, 800–806.
[38] J. Zhang, P. Liu, G. Wang, P. P. Zhang, X. D. Zhuang, M. W. Chen, I. M. Weidinger and X. L. Feng, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 25314– 25318.
[39] Anita Hamar Reksten, Andrea E. Russell, Peter W. Richardson, Stephen J. Thompson, Karina Mathisen, Frode Selanda and Svein Sunde. Strategies for the analysis of the elemental metal fraction of Ir and Ru oxides via XRD, XANES, and EXAFS, Phys. Chem. Chem. Phys., 2019, 21, 12217-12230.
[40] Diallo, A., Beye, A. C., Doyle, T. B., Park, E., & Maaza, M. (2015). Green synthesis of Co3O4nanoparticles viaAspalathus linearis: Physical properties. Green Chemistry Letters and Reviews, 8(3-4), 30–36.