Để xác định tính chất điện hóa của sản phẩm (như đường cong phóng điện hay đường cong phân cực…) trước hết chúng ta phải chế tạo được vật liệu điện cực. Từ 03 mẫu sản phẩm (M4, M5, M6) thu được bằng các cách rửa khác nhau và gia nhiệt ở 3700C được tiến hành nghiền mịn liên tục trong khoảng 2h. Việc nghiền mẫu trước khi đo hoạt tính điện hóa rất quan trọng vì khi kích thước hạt càng nhỏ thì diện tích tiếp xúc giữa mẫu và dung dịch điện ly càng lớn, càng có lợi cho quá trình phóng.
Tiến hành ép viên theo quy trình được trình bày trên hình 2.5.
Sau khi ép viên thu được 03 mẫu, tiến hành hàn dây dẫn và phủ epoxy sau đó thực hiện đo các tính chất điện hóa. Việc ép viên phải tuân thủ nghiêm ngặt theo các quy trình chuẩn. Lực ép đủ mạnh để các hạt vật liệu kết dính thành một khối, tuy nhiên khi ép với một lực quá lớn sẽ làm các phần tử bị ép chặt và do đó hạn chế việc trao đổi các phần tử mang điện. Pin cũng là vật liệu thoái hóa dần theo thời gian do đó để đo khả năng điện hóa của MnO2 đạt kết quả cao ta nên tiến hành điều chế và ép viên trong khoảng thời gian ngắn nhất có thể, tránh các hiện tượng có thể xảy ra như oxi hóa hay hút ẩm làm hạn chế khả năng điện hóa.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.5: Sơ đồ quy trình ép viên MnO2
Viên ép thu được sau khi hoàn tất có hình dạng mô phỏng như trong hình 2.6
Hình 2.6: Viên ép MnO2
Mẫu nghiên cứu như trên được lắp trong một bình đo và trở thành một điện cực. Thiết bị bình đo được mô phỏng như trong hình 2.7.
Hình 2.7: Bình đo
epoxy
MnO2
Dây dẫn
Điện cực nghiên cứu
Điện cực đối Điện cực so sánh 400mg M4 76 g C 400mg M6 76 g C 400mg M5 76 g C Khuấy trộn 20 phút, tốc độ 5000r/p Bốc hơi 500 trong30 phút
Sấy chân không 1200C
trong 24h 20 ml xyclohexan+ 135g PTFE Ép viên khối lƣợng 500 mg; đƣờng kính 1,5cm; cao 0,5cm; lực ép 3500 kg/cm2 trong 2h.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Điện cực đối làm bằng lưới platin để cung cấp dòng điện. Điện cực so sánh là điện cực calomen bão hòa. Dung dịch điện ly là hỗn hợp ZnCl2 2M và NH4Cl 5M. Tốc độ quét 5mV/s.
2.5.2. Xác định thành phần pha và kích thƣớc hạt trung bình theo phƣơng pháp XRD
Các mẫu sản phẩm EMD sau khi tổng hợp được rửa sạch và nghiền mịn sau đó tiến hành nghiên cứu thành phần pha và kích thước hạt trung bình bằng phương pháp nhiễu xạ tia X. Thiết bị ghi phổ nhiễu xạ là máy ghi nhiễu xạ tia X Siemens D5005 của Đức tại Trung tâm Khoa học vật liệu, khoa Vật lý, trường ĐHKHTN - ĐHQG Hà Nội. Chế độ ghi như sau:
Ống phát tia Cu với bước sóng : kx=1,54056A0
Điện áp : 40 KV
Cường độ ống phóng : 30mA
Nhiệt độ : 250C
Góc quét : 2=30 đến 700
2.5.3. Xác định diện tích bề mặt riêng
Diện tích bề mặt riêng của các mẫu được đo trên thiết bị Micromeritics (Hoa Kỳ) tại khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm I Hà Nội. Phân tích hấp phụ giải hấp N2, nhiệt độ ổn định để phân tích là 77K, tỉ trọng để phân tích là 1 g/cm3
.
2.5.4. Ghi giản đồ phân tích nhiệt
Các mẫu được ghi giản đồ phân tích nhiệt TG- DTA trên máy DTG – 60 H Shimadzu (Nhật Bản) tại khoa Hóa học, trường Đại học Sư phạm I Hà Nội. Nâng nhiệt độ từ nhiệt độ phòng lên đến 9000C với tốc độ nâng nhiệt là 100 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
C/phút.
2.5.5. Xác định hàm lƣợng MnO2, độ ẩm và pH của sản phẩm EMD
Hàm lượng MnO2, độ ẩm và pH trong mẫu được xác định theo các phương pháp như đã trình bày ở mục 1.5.1, 1.5.2 và 1.5.3. Sản phẩm EMD sau khi được tách khỏi điện cực, rửa sạch, sấy khô và nghiền mịn. Tiến hành xác định giá trị hiệu suất
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
dòng sau đó xác định hàm lượng MnO2, độ ẩm và pH theo quy trình như được mô tả trên hình 2.8 sau:
Hình 2.8:Quy trình xác định hàm lượng, độ ẩm và pH của EMD
pH của mẫu được xác định sau khi đã lọc thu được dung dịch trong suốt, tiến hành xác định giá trị pH trên máy đo pH Orion 520 tại phòng Hóa Phân tích, ĐH KHTN, ĐH QG Hà Nội.
EMD
đã biết hiệu suất dòng
0,5 (g) EMD Nước cất Hỗn hợp EMD-H2O Dung dịch chứa I2 3 (g)KI 10 ml HCl 1M Na2S2O3 0.1N
Đến khi xuất hiện màu vàng nhạt
Dung dịch chứa I2 dƣ
3 giọt hồ tinh bột Na2S2O3 0.1N
Đến khi mất màu xanh 2 %MnO Chén sứ m1=12,04 (g) 0,5 (g) EMD Chén sứ m1 = 12,54 (g) Chén sứ m2 (g) Sấy khô ở 1070 C Thời gian 2h Độ ẩm 0,5 (g) EMD 50 (ml)H2O Lắc đều trong 2h Hỗn hợp EMD-H2O Hỗn hợp EMD-H2O Định mức 100 ml Dung dịch trong suốt Lọc Đo pH
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. KHẢO SÁT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN HIỆU SUẤT DÕNG 3.1.1. Ảnh hƣởng của nồng độ mangan sunfat trong dung dịch khi điện phân 3.1.1. Ảnh hƣởng của nồng độ mangan sunfat trong dung dịch khi điện phân đến hiệu suất dòng.
Trong quá trình khảo sát nồng độ MnSO4 chúng tôi nhận thấy khi nồng độ MnSO4 nhỏ hơn 0,4M thì hiệu suất thu hồi EMD trên điện cực không cao (dưới 30%) do đó chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của nồng độ MnSO4 qua tiến hành 09 thí nghiệm với nồng độ MnSO4 bắt đầu từ 0,4M. Điện cực dương titan với diện tích nhúng trong dung dịch là 18x12x0,5 cm. Cách tiến hành thực nghiệm điều chế EMD như đã trình bày ở mục 2.4.1. Với các thông số cố định như sau:
Nhiệt độ : 900C
Nồng độ H2SO4 : 0,5M
Thời gian điện phân : 3h
Cường độ dòng điện khi điện phân : 3,0 A Hiệu điện thế điện phân : 3,37 V
Thông số thay đổi: nồng độ MnSO4 được thay đổi từ 0,4M đến 1,2M.
Hiệu suất dòng được xác định từ khối lượng MnO2 lý thuyết tính theo định luật Faraday bằng điện lượng thực nghiệm và khối lượng EMD thực tế thu được như đã trình bày ở mục 2.4.2.
Kết quả thực nghiệm được thể hiện qua bảng 3.1:
Bảng 3.1: Ảnh hưởng của nồng độ MnSO4 đến hiệu suất dòng
Stt [MnSO4] mol/l mMnO2 lt(g) mMnO2 tt(g) H%
1 0,4 13,97 9,64 69.04 2 0,5 14,06 10,67 75.9 3 0,6 13,54 10,74 79.3 4 0,7 13,95 11,9 85.3 5 0,8 14,05 13,14 93.54 6 0,9 13,96 13,45 96.34 7 1,0 13,88 13,48 97.12 8 1,1 14,11 13,63 96.62 9 1,2 14,05 13,57 96.58
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Có thể thấy mối tương quan giữa nồng độ MnSO4 và hiệu suất dòng qua hình 3.1: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.1: Sự ảnh hưởng của nồng độ MnSO4 đến hiệu suất dòng
Dựa vào bảng kết quả và hình trên ta nhận thấy rằng hiệu suất quá trình điện phân điều chế MnO2 điện giải tỉ lệ thuận với nồng độ MnSO4 trong dung dịch. Vì vậy trong quá trình điện phân cần khống chế nồng độ MnSO4 cao. Tuy nhiên ta cũng nhận thấy rằng đến nồng độ 1,0M thì hiệu suất dòng cực đại và sau đó gần như không tăng nữa. Điều này có thể giải thích là khi nồng độ MnSO4 vượt quá 1,0M thì xuất hiện cân bằng:
4 3 2 2Mn Mn Mn
Theo nguyên lý chuyển dịch cân bằng thì nồng độ Mn2+ tăng làm cân bằng dịch chuyển sang chiều thuận khiến nồng độ Mn4+ giảm xuống. Mặt khác sự tăng nồng độ MnSO4 cũng làm tăng sự hiện diện của ion SO42- sẽ gây nên sự cản trở tiếp cận của Mn2+ với anot và làm giảm tốc độ phóng điện của Mn2+. Một lý do khác nữa là trong môi trường H2SO4 ở nhiệt độ cao mà nồng độ MnSO4 tăng cao sẽ dẫn đến hiện tượng kết tinh MnSO4, đây cũng chính là lí do gây giảm nồng độ MnSO4.
Do đó chúng tôi chọn nồng độ MnSO4 thích hợp cho quá trình này là 1,0M và nồng độ này được dùng cố định cho các thí nghiệm sau.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3.1.2. Ảnh hƣởng của nồng độ của axit sunfuric trong dung dịch khi điện phân đến hiệu suất dòng.
Trong thực nghiệm chúng tôi nhận thấy khi nồng độ axit sunfuric dưới 02,M thì hiệu suất dòng điều chế EMD thu được rất thấp. Vì vậy chúng tôi nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ axit sunfuric đến hiệu suất dòng qua tiến hành thực hiện 09 thí nghiệm với nồng độ H2SO4 bắt đầu từ 0,2M. Thực hiện thực nghiệm với điện cực dương titan có diện tích nhúng trong dung dịch là 18x12x0,5 cm. Cách tiến hành thực nghiệm điều chế EMD như đã trình bày ở mục 2.4.1. Với các thông số cố định như sau:
Nhiệt độ : 900C
Nồng độ MnSO4 : 1,0 M
Thời gian điện phân : 3h
Cường độ dòng điện khi điện phân : 3,0 A Hiệu điện thế điện phân : 3,37 V
Thông số thay đổi: nồng độ H2SO4 được thay đổi từ 0,2M đến 1,0M.
Hiệu suất dòng được xác định từ khối lượng MnO2 lý thuyết tính theo định luật Faraday bằng điện lượng thực nghiệm và khối lượng EMD thực tế thu được như đã trình bày ở mục 2.4.2.
Kết quả cụ thể được trình bày ở bảng 3.2:
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nồng độ H2SO4 đến hiệu suất dòng
Stt [H2SO4] mol/l mMnO2 lt(g) mMnO2 tt(g) H%
1 0,2 14,55 10,45 71.8 2 0,3 13,96 11,9 85.26 3 0,4 13,58 12,29 90.53 4 0,5 14,05 13,13 93.48 5 0,6 14,05 13,38 95.22 6 0,7 13,98 13,5 96.62 7 0,8 13,55 13,27 97.94 8 0,9 14,11 13,2 93.56 9 1,0 14,2 11,64 81.94
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa nồng độ axit và hiệu suất dòng được đưa ra trên hình 3.2
Hình 3.2: Ảnh hưởng của nồng độ H2SO4 đến hiệu suất dòng
Dựa vào đồ thị trên ta nhận thấy hiệu suất dòng tăng theo sự tăng của nồng độ axit và đạt cực đại tại điểm ứng với nồng độ axit là 0,8M sau đó giảm dần. Sự tăng hiệu suất khi nồng độ axit tăng có thể giải thích là do nồng độ H+
trong dung dịch tăng dẫn đến độ dẫn điện trong dung dịch tăng dần làm cho các sự phóng điện của các ion tăng theo. Khi đạt cực đại ở 0,8M khiến nồng độ SO42- tăng làm cản trở sự phóng điện của các ion khiến hiệu suất dòng giảm xuống.
Vì vậy chúng tôi chọn nồng độ axit thích hợp cho quá trình này là 0,8M và nồng độ này được sử dụng cố định cho các thí nghiệm sau.
3.1.3. Ảnh hƣởng của hiệu điện thế nguồn điện ngoài đến hiệu suất dòng
Từ biểu thức U.l.I (trong đó U, I là hiệu điện thế và cường độ dòng, là điện trở riêng của dung dịch, l là khoảng cách giữa hai điện cực) muốn thay đổi giá
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
trị U và giữ nguyên giá trị I thì ta tiến hành thay đổi giá trị l bằng cách tăng dần khoảng cách giữa hai điện cực. Thực hiện thực nghiệm với điện cực dương titan có diện tích nhúng trong dung dịch là 18x12x0,5 cm. Cách tiến hành thực nghiệm điều chế EMD như đã trình bày ở mục 2.4.1. Với các thông số cố định như sau:
Nhiệt độ : 900C
Nồng độ H2SO4 : 0,8M (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thời gian điện phân : 3h
Cường độ dòng điện khi điện phân : 3,0 A
Nồng độ MnSO4 : 1M
Thông số thay đổi: khoảng cách thay đổi từ 1cm đến 5 cm.
Hiệu suất dòng được xác định từ khối lượng MnO2 lý thuyết tính theo định luật Faraday bằng điện lượng thực nghiệm và khối lượng EMD thực tế thu được như đã trình bày ở mục 2.4.2.
Kết quả khảo sát thu được trình bày ở bảng 3.3:
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của hiệu điện thế đến hiệu suất dòng
Stt Khoảng cách (cm) Hiệu điện thế (V) mMnO2 lt (g) mMnO2 tt(g) H% 1 1,0 3.12 13,85 13,59 98.11 2 1,5 3.2 13,72 13,45 98.02 3 2,0 3.78 13,68 13,31 97.26 4 2,5 4.32 14,12 13,67 95.7 5 3,0 5.49 13,75 12,67 92.14 6 3,5 5.98 13,25 12,00 90.6 7 4,0 6.15 13,88 11,99 89.5 8 4,5 6.66 13,61 11,37 86.2 9 5,0 6.92 14,17 11,95 84.32
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của hiệu suất dòng vào hiệu điện thế nguồn điện ngoài được đưa ra trên hình 3.3.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3.3: Ảnh hưởng của hiệu điện thế đến hiệu suất dòng
Dựa vào đồ thị ta thấy khi hiệu điện thế tăng dần dẫn đến sự giảm dần của hiệu suất dòng. Sự ảnh hưởng này xảy ra là do khi hiệu điện thế tăng cao thì ngoài sự phóng điện của Mn2+
còn kèm theo quá trình phóng điện của OH- như sau:
2 2
4OH4eO 2H O
Sự thoát khí oxi tuy làm xốp phần sản phẩm bám vào điện cực giúp chúng ta dễ tách MnO2 ra khỏi điện cực hơn nhưng lại làm giảm hiệu suất dòng điện phân, thậm chí còn gây cản trở cho sản phẩm MnO2 tiếp xúc với điện cực gây hiện tượng sa lắng sản phẩm xuống đáy bình điện phân.
Trong thực nghiệm với các điều kiện cố định như đã trình bày ở trên thì chúng ta cần khống chế hiệu điện thế dưới 4V bằng cách giữ khoảng cách giữa hai điện cực 2 (cm). Tuy nhiên khi hai điện cực quá gần nhau thì dưới tác động của dòng dung dịch do máy khuấy tạo ra sẽ làm các điện cực dễ va chạm vào nhau.
Do đó chúng tôi chọn khoảng cách hợp lý cho thí nghiệm là 1,5 (cm) ứng với hiệu điện thế 3,2V. Để cố định hai điện cực thì giữa hai điện cực lắp thêm một thước thủy tinh cách điện và khoảng cách 1,5 cm ứng với hiệu điện thế cố định 3,2V sẽ được dùng cho các thí nghiệm sau.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
3.1.4. Ảnh hƣởng của mật độ dòng điện khi điện phân đến hiệu suất dòng
Từ biểu thức U .l.I (trong đó U, I là hiệu điện thế và cường độ dòng, là điện trở riêng của dung dịch, l là khoảng cách giữa hai điện cực) muốn thay đổi giá trị I và giữ nguyên giá trị U thì ta tiến hành thay đổi giá trị l bằng cách tăng dần khoảng cách giữa hai điện cực. Thực hiện thực nghiệm với điện cực dương titan có diện tích nhúng trong dung dịch là 18x12x0,5 cm. Cách tiến hành thực nghiệm điều chế EMD như đã trình bày ở mục 2.4.1. Với các thông số cố định như sau:
Nhiệt độ : 900C
Nồng độ H2SO4 : 0,8M
Thời gian điện phân : 3h
Hiệu điện thế : 3,2 V
Nồng độ MnSO4 : 1M
Thông số thay đổi: khoảng cách thay đổi từ 1,5 cm đến 6 cm.
Hiệu suất dòng được xác định từ khối lượng MnO2 lý thuyết tính theo định luật Faraday bằng điện lượng thực nghiệm và khối lượng EMD thực tế thu được như đã trình bày ở mục 2.4.2.
Kết quả khảo sát mật độ dòng được trình bày ở bảng 3.4 như sau:
Bảng 3.4: Ảnh hưởng của mật độ dòng và hiệu suất dòng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Stt Khoảng cách(cm) Mật độ (A/dm2 ) mMnO2 lt(g) mMnO2 tt(g) H% 1 1,5 1.104 14.61 14.25 97.56 2 2 0.99 13.149 12.55 95.45 3 3 0.92 12.175 11.57 95.02 4 4 0.74 9.74 9.14 93.87 5 5 0.66 8.766 7.59 88.9 6 6 0.55 7.305 6.01 82.36
Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa mật độ dòng và hiệu suất dòng điện được đưa ra trên hình 3.4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3.4: Ảnh hưởng của mật độ dòng đến hiệu suất dòng
Dựa vào đồ thị trên ta thấy mật độ dòng càng cao thì giá trị hiệu suất dòng càng tăng. Sự tăng hiệu suất dòng theo mật độ dòng là do tốc độ khuếch tán các ion tăng kéo theo mật độ ion đến điện cực và phóng điện cũng tăng. Sự giảm mật độ dòng tỉ