Phổ nhiễu xạ tia X góc hẹp các mẫu AC, AC800 và Vulcan cũng được đo đạc tại
Phòng thí nghiệm nhiễu xạ tia X - Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam. Hình 3.15 cho
thấy mẫu carbon Vulcan không xuất hiện đỉnh, chứng tỏ sự phân bố lỗ xốp trên bề mặt không đồng đều, chưa phân bố một cách trật tự.
Trong khi đó, các mẫu AC và AC800 có những gợn sóng, tuy mẫu AC800 có xuất hiện đỉnh, nhưng từng đó chưa đủ khẳng định tính trật tự trong cấu trúc lỗ xốp của carbon N330 tái hoạt tính. Đặc điểm trật tự và tuần hoàn trong cấu trúc lỗ xốp của carbon là cần thiết, vì khi kim loại được tẩm lên nền carbon, các hạt này sẽ phân bố đều đặn, hoạt động xúc tác trên toàn bề mặt điện cực sẽ đồng đều hơn.
3.3. Kết quả khảo sát phổ hồng ngoại – IR
Dưới đây là một số kết quả đo phổ FTIR các mẫu AC, AC800 và Vulcan tại Viện Công nghệ Hóa học Thành phố Hồ Chí Minh.
Hình 3.17. Phổ FTIR của carbon black N330 đã hoạt tính tại nhiệt độ 8000C
Sự tồn tại các nhóm chức chính trong các mẫu carbon đo đạc có thể tóm tắt trong bảng 3.2 dưới đây:
Bảng 3.2. Bảng tóm tắt các nhóm chức bề mặt trên các mẫu AC, AC800 và Vulcan
- Từ bảng 3.2 có thể thấy các mẫu đều chứa các nhiều nhóm chức khác nhau, và đa phần đều có sự đóng góp của oxy như nhóm hydroxy (-OH), carboxyl (-COOH), nitro (NO2), quinone. Các nhóm chức này đóng góp nhiều vào tính thấm ướt của carbon, làm tăng khả năng tương tác của carbon với H2PtCl6 trong suốt quá trình tẩm điện cực. Qua đó, sự phân tán của hạt kim loại xúc tác trên nền carbon sẽ tốt hơn [7,15].
- Ngoài ra, trên bề mặt các mẫu AC và AC800, còn xuất hiện các nhóm Nitrile (- C≡N) và nitro (NO2), đây là một đặc điểm hoàn toàn có lợi, vì rằng trong quá trình tẩm hạt kim loại xúc tác điện cực những nguyên tử Nitơ có thể đóng góp vào gốc cation muối amoni kim loại Pt và Pt dễ dàng gắn kết lên bề mặt carbon tại những vị trí này [25].
Tóm lại, những nhóm chức tồn tại trên bề mặt carbon black N330 tái hoạt tính là hoàn toàn phù hợp trong các ứng dụng chế tạo điện cực xúc tác cho pin nhiên liệu DMFC.
3.4. Kết quả chụp ảnh FESEM bề mặt
Và cuối cùng, các mẫu AC700, AC800 và carbon black Vulcan được chụp ảnh FESEM bề mặt tại Viện Công nghệ Hóa học TPHCM.
Hình 3.22. Ảnh FESEM x 100,000 của mẫu AC700
Hình 3.23. Ảnh FESEM x 100,000 của mẫu AC800
micro meso macro so meso micro
Hình 3.24. Ảnh FESEM x100,000 của carbon Vulcan XC72
- Từ các hình 3.22 và 3.23 có thể thấy mẫu carbon N330 sau khi tái hoạt tính có sự phân bố lỗ xốp đồng đều, và hầu như chỉ thấy các lỗ xốp micro và meso.
- Trong hình 3.24, mẫu carbon Vulcan có nhiều lỗ xốp lớn từ meso đến macro, trong khi đó, những lỗ xốp micro lại phát triển không nhiều như các mẫu AC700 và AC800, do đó diện tích bề mặt của Vulcan thấp hơn so với AC700 và AC800 cũng là điều dễ hiểu.
meso
KẾT LUẬN
1. Những kết quả đã đạt đƣợc trong đề tài
Với những mục tiêu ban đầu đặt ra cho đề tài: tiến hành tái hoạt tính carbon black N330, xem xét khả năng thay thế N330 tái hoạt tính cho carbon black Vulcan XC72 ứng dụng chế tạo nền điện cực hỗ trợ xúc tác pin nhiên liệu DMFC, tác giả đã thu được một số kết quả khả quan như sau:
- Đã tiến hành tái hoạt tính carbon black N330 (mua tại thị trường Việt Nam), mẫu carbon sau khi tái hoạt tính đã có sự phát triển tốt lỗ xốp micro cũng như meso, qua đó diện tích bề mặt riêng được tăng lên đáng kể (SBET AC700/AC: 4,44 lần, AC800/AC:
5,31 lần; Vtổng AC700/AC: 2,13 lần, AC800/AC: 2,5 lần) theo bảng 3.1.
- Đã khẳng định được carbon black N330 tái hoạt tính hoàn toàn có khả năng thay thế carbon black Vulcan XC72 trong ứng dụng nền điện cực hỗ trợ xúc tác pin nhiên liệu màng trao đổi proton nói chung cũng như pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC) nói riêng. Qua các phân tích về phân bố lỗ xốp, diện tích bề mặt riêng cũng như sự tồn tại các nhóm chức bề mặt…các mẫu carbon N330 tái hoạt tính đều tỏ ra vượt trội so với carbon Vulcan XC72 (SBET AC700/Vulcan: 1,25 lần, AC800/Vulcan: 1,49 lần; Vtổng AC700/Vulcan: 1,06 lần, AC800/Vulcan: 1,24 lần) theo bảng 3.1. Việc thay thế này sẽ giảm được giá thành cho sản phẩm pin nhiên liệu DMFC.
- Đã dự đoán được điều kiện tối ưu trong phương pháp hoạt tính KOH đối với loại carbon N330: nhiệt độ hoạt tính từ 700-8000C, thời gian giữ nhiệt 2-3h. Vì rằng khi nhiệt độ hoạt tính quá cao (trên 10000
C), quá trình tái hoạt tính sẽ có tác dụng ngược trở lại, đặc tính xốp của vật liệu sẽ bị giảm sút trong khi đó lại chịu tốn kém về thiết bị, vật tư. Dự đoán này cũng phù hợp với nhiều bài báo được đăng tải trên thế giới.
- Đã đúc kết được một phương pháp hoạt tính mới (phương pháp 2 - phần 2.1.2.1), mặc dù đơn giản nhưng rất hiệu quả, và phương pháp này có thể ứng dụng được trong công nghiệp sản xuất than hoạt tính tại Việt Nam.
2. Một số hạn chế và phƣơng hƣớng để phát triển đề tài
- Trong giới hạn thời gian của đề tài, chưa thể kiểm định được hiệu quả thay thế carbon VulcanXC72 bằng carbon N330 tái hoạt tính trong ứng dụng pin nhiên liệu DMFC (tăng hiệu suất pin); ngoài ra chưa thể tiến hành tái hoạt tính carbon N330 tại các nhiệt độ cao hơn (trên 10000C) để có thể định lượng được sự sụt giảm đặc tính xốp của vật liệu carbon.
- Công việc tiếp theo của đề tài sẽ là thực hiện quá trình tẩm pha kim loại xúc (Pt) lên nền carbon Vulcan cũng như carbon N330 tái hoạt tính, qua đó so sánh độ phân tán của pha kim loại trên nền điện cực và cải thiện khả năng gia nhiệt của lò nung.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] E. Antolini (2003), “Formation of carbon - supported PtM alloys for low temperature fuel cells: a review”, Materials Chemistry and Physics, Vol. 78, pp.563-573.
[2] T.J. Bandosz (2006), Activated carbon surface in Environmental remediation, The City College of New York, New York, USA.
[3] S. Basu (2007), Recent trend in Fuel cell Science and Technology, Springer USA and Anamaya Publishers, NewDelhi,India.
[4] S. Brunauer (1945), The Adsorption of Gases and Vapor, Vol 1, Physical Adsorption, Princeton University Press, USA.
[5] T.D. Burchell (1999), Carbon materials for Advanced technologies, Oak Ridge, National Laboratory, USA.
[6] F. Derbyshire (1994), “Science and Technology of Activated carbon”, Short Course CAM and Universidad de Alicante, Spain.
[7] T.C. Deivaraj and J.Y. Lee (2005), “Preparation of carbon – supported PtRu nanoparticles for direct methanol fuel cell applications: a comparative study”, Journal of Power Sources, Vol. 142, pp. 43-49.
[8] E. Furimsky (2008), Carbon and Carbon supported catalysts in Hydroprocessing, IMAF Group, Ohawa, Ontario, Canada.
[9] I. Martin-Gullon (1995), Activation of coal tar pitch carbon fibre: Physical activation and Chemical activation, Ph.D Thesis, University of Alicante, Spain.
[10] P.J. Guy and J. Perry (1992), Fuel, Elsevier Science, Vol. 1, pp.1083.
[11] J. Hayashi, et all (2000), Carbon, Elsevier Science, Vol. 38, pp. 1873.
[12] G. Hoogers (2003), Fuel cell Technology Handbook, CRC Press.
[13] H. Jakowska, A. Swiatkowski and J. Choma (1991), Active carbon, Ellis Hardwood Warsaw, Poland.
[14] K. Kinoshita (1988), Carbon: Electrochemical and Physicochemical, John Wiley & Sons Publishers, New York, USA.
[15] N. Lakshmi, N. Rajalakshmi and K.S. Dhathathreyan (2006), “Functionalization of various carbons of proton exchange membrane fuel cell electrodes: analysis and characterization”, Journal of Physics – Applied Physics, Vol. 39, pp. 2785-2790.
[16] J. Larminie and A. Dicks (2003), Fuel cell Systems Explained, Oxford Brookes University, United Kingdom.
[17] C.A. Leon y León and L.R. Radovic (1996), Chemistry and Physics of Carbon, P.A.Thrower, Vol. 24, pp. 213-310, Marcel Dekker, New York, USA.
[18] H.S. Nalwa (2004), Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, American Scientific Publishers, Vol.1, pp. 517-546.
[19] G. Park, et all (2003), “Pore size effect of the DMFC catalyst supported on porous materials”, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 28, pp. 645-650.
[20] G. Park, et all (2005), “Effect of Pretreatment process of support materials on the PEMFC catalyst”, Journal of New Materials for Electrochemical Systems, Vol. 8, pp. 91- 95.
[21] J.B. Parra, et all (1995), “Effect of gasification the porous characteristics of activated carbon from a semianthracite”, Carbon, Elsevier Science, Vol. 33, pp. 801-807.
[22] J.J. Pis, et all (1996), “Preparation of active carbons from coal. Part I: Oxidation of coal”, Fuel processing Technology, Elsevier Science, Vol. 47, pp. 119-138.
[23] L.R. Radovic and F.Rodriguez-Reinoso (1996), Chemistry and Physics of Carbon, P.A.Thrower, Vol. 25, pp. 243-358, Marcel Dekker, New York, USA.
[24] L. Rankel (1993), Energy & Fuels, ACS Publications, Vol. 7, pp. 937.
[25] J.R. Regalbuto (2004), “The Engineering of Pt/Carbon catalyst preparation for Application on PEMFC”, Catalysts Laboratory, University of Illinois, Chicago, USA.
[26] M.A. Lillo-Rodenas, et all (2001), Carbon, Elsevier Science, Vol. 39, pp. 741.
[27] M.A. Lillo-Rodenas, et all (2003), Carbon, Elsevier Science, Vol. 41, pp. 267.
[28] F. Rodriguez-Reinoso and M. Molina-Sabio (1992), Carbon, Elsevier Science, Vol. 30, pp. 1111.
[29] M. Smisek and S. Cerny (1970), Active Carbon Manufacture, Properties and Applications, Elsevier Science, New York, USA.
[30] F. Su, et all (2005), “Template systhesis of microporous carbon for direct methanol fuel cell application”, Carbon, Elsevier Science, Vol. 43, pp. 2366-2373.
[31] M.A. Woitowicz, et all (July 13-18, 1997), Carbon, Proc.23rd Biennial Conference on Carbon, Vol. 97, Stage College, PA.
[32] www.en.wikipedia.org
[33] www.gigapedia.org
[34] www.nnschemicals.com