Khoa học và công nghệ nano là một trong những thuật ngữ đƣợc sử dụng rộng rãi nhất trong khoa học vật liệu ngày nay là do đối tƣợng của chúng là vật liệu
nano có những tính chất kì lạ khác hẳn với các tính chất của vật liệu khối mà ngƣời ta nghiên cứu trƣớc đó. Công nghệ nano ngày càng tỏ ra chiếm ƣu thế trong công nghiệp lẫn trong đời sống.
Khi đạt đến kích cỡ nano, các kim loại chuyển tiếp có khả năng hoạt động rất mạnh. Những hoạt tính ở kích cỡ thông thƣờng kim loại không thể hiện, ví dụ nhƣ khả năng diệt khuẩn, khả năng xúc tác cho nhiều phản ứng xảy ra ở nhiệt độ thƣờng hoặc ở nhiệt độ âm, và quan trọng nữa là tính dẫn truyền thuốc thông minh trong y học, hơn nữa nó có tính tự phát quang khi chiếu tia sáng vào, mà không cần đến chất phát quang gây độc tới các tế bào nhƣ một số hóa chất sử dụng để tạo phát huỳnh quang trong công nghệ sinh học v.v…Lợi dụng các tính chất này, rất nhiều nano của kim loại ứng dụng vào thực tế cuộc sống và trong công nghiệp.
1.3.2 Tổng quan về nano Platin
Hạt nano platin thƣờng ở dạng lơ lửng trong dung dịch màu đỏ nâu hoặc dạng keo màu đen thay thế các hạt platin kích thƣớc micromet trong dung dịch, thƣờng là nƣớc. Các hạt nano có nhiều hình dạng bao gồm hình cầu, hình khối, dạng thanh và que.
Hạt nano platin có vai trò quan trọng trong kỹ thuật xúc tác, ở kích thƣớc nano, platin có hiệu quả cao hơn đáng kể bởi vì diện tích bề mặt tăng lên.
Do các hạt nano platin có tính chất chống oxy hóa tốt vì thế chúng là những đề tài nghiên cứu đang đƣợc quan tâm với các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm cả y học, công nghệ nano và tổng hợp vật liệu mới với những tính chất độc đáo.
1.3.3 Đặc điểm chất xúc tác nano Platin trên Carbon 1.3.3.1 Định nghĩa về chất xúc tác 1.3.3.1 Định nghĩa về chất xúc tác
Chất xúc tác là những chất đƣợc dùng cho phản ứng hóa học không có tác dụng làm phản ứng xảy ra hay đổi chiều nhƣng chỉ làm tăng tốc độ phản ứng và đƣợc thu hồi nguyên vẹn sau quá trình phản ứng.
1.3.3.2 Tính chất đặc trƣng của chất xúc tác
Độ rỗng đặc trƣng (tổng thể tích các lỗ xốp mà các phân tử chất dùng để xác định lấp đầy đƣợc) trên một đơn vị khối lƣợng.
Sự phân bố kích thƣớc lỗ xốp.
Bán kính trung bình của lỗ xốp.
Sự phân bố kích thƣớc hạt.
1.3.3.3 Đặc điểm của nanocomposit Platin trên Carbon
Xúc tác nano platin có tính ổn định cao và hoạt tính điện xúc tác tốt đối với những phản ứng quan trọng trong các tế bào nhiên liệu vì nó hỗ trợ bởi các quá trình oxi hóa điện hóa học của hydro và các phân tử hữu cơ nhỏ. Những phản ứng này bao gồm các phản ứng oxi hóa hydro (Hydrogen oxidation reaction - HOR), phản ứng oxi hóa methanol (Methanol oxidation reaction - MOR), phản ứng oxi hóa ethanol (Ethanol oxidation reaction - EOR), quá trình oxi hóa axit Formic và phản ứng oxi hóa khử (Oxygen reduction reaction - ORR).
1.3.4 Các phuơng pháp điều chế 1.3.4.1 Phƣơng pháp Polyol 1.3.4.1 Phƣơng pháp Polyol
Polyol là một trong những phƣơng pháp khử hóa học. Phƣơng pháp này dùng các các nhóm rƣợu đa chức để khử ion kim loại thành kim loại. Đây là phƣơng pháp từ dƣới lên. Dung dịch ban đầu có chứa các muối của các kim loại nhƣ HAuCl4, H2PtCl6, AgNO3. Tác nhân khử ion kim loại Ag+, Au+ thành Ag, Au ở đây thƣờng dùng các rƣợu đa chức nhƣ Ethylene glycol hay Glycerin.
1.3.4.2 Phƣơng pháp tẩm trên chất mang
Trái với phƣơng pháp polyol thì phƣơng pháp tẩm chúng ta phải tách riêng thành hai giai đoạn. Giai đoạn đầu ta cần phải điều chế những hạt xúc tác với kích thƣớc hạt nhƣ mong muốn và bƣớc tiếp là tẩm chúng trên chất mang. Mặc dù, đặc điểm của chất mang là kém hoạt động và trơ nhƣng khi ta tẩm những thành phần hoạt động (thành phần xúc tác) thì chúng trở thành những nguyên tố hoạt động trong quá trình xử lý.
Phƣơng pháp chế tạo hạt nano Platin [1]
Thông thƣờng có hai hƣớng chính để chế tạo các hạt nano là từ trên xuống (top-down) hay từ dƣới lên (bottom-up). Nhƣng ngày ngƣời ta ƣu tiên sử dụng phƣơng pháp từ dƣới lên hơn, có nghĩa là hạt nano platin sẽ đƣợc tạo ra từ việc kết hợp các ion platin lại với nhau. Một số phƣơng pháp đƣợc dùng nhƣ:
Phƣơng pháp khử hóa học
Nguyên lý: dùng các tác nhân hóa học để khử các ion kim loại thành kim loại. Các tác nhân hóa học nhƣ axit Citric, Vitamin C, Natri Borohydride (NaBH4), etanol… sẽ khử ion Pt4+ trong muối H2PtCl6 thành Pt0. Vì khi tạo ra các hạt nano thì kích thƣớc của chúng rất nhỏ, khoảng cách của chúng lại gần nhau nên ngƣời ta thƣờng dùng phƣơng pháp tĩnh điện làm cho bề mặt của những hạt có cùng điện tích sẽ đẩy nhau hoặc dùng một polymer thích hợp để bao những hạt đó lại. Đối với phƣơng pháp bao bọc thì kích thƣớc của nano platin vào khoảng 10-100 nm.
Phƣơng pháp khử vật lý
Nguyên lý dùng các tác nhân vật lý điện tử, sóng điện từ có năng lƣợng cao nhƣ tia Gamma, tia tử ngoại, tia Laser khử các ion kim loại thành các kim loại. Dƣới tác dụng của các tác nhân sẽ làm biến đổi các dung môi và các phụ gia trong dung môi để sinh ra các gốc hóa học có tác dụng khử ion kim loại.
Phƣơng pháp khử hóa lý
Đây là phƣơng pháp trung gian giữa hóa học và vật lý dùng phƣơng pháp điện phân kết hợp với siêu âm để tạo màng nano. Ban đầu, các nguyên tử kim loại sau khi đƣợc điện hóa sẽ tạo ra các hạt nano bám lên điện cực âm. Sau đó, chúng đƣợc một dòng xung điện siêu âm đồng bộ với xung điện phân tách hạt nano khỏi điện cực và đi vào dung dịch.
Phƣơng pháp khử sinh học
Phƣơng pháp này dùng tác nhân là các vi khuẩn bằng cách cấy các con vi khuẩn thích hợp vào dung dịch chứa các ion platin để thu đƣợc hạt nano platin. Ƣu điểm là tạo hạt với số lƣợng lớn, thân thiện với môi trƣờng. Tuy nhiên, cách tiến hành lại rất phức tạp.
Trong quy trình tẩm cần quan tâm đến hai giai đoạn cuối vì chúng ảnh hƣởng rất nhiều đến cấu trúc xúc tác, với quy trình có thể làm theo chu kỳ hoặc liên tục đều đƣợc. Hiệu suất phụ thuộc vào sự phân tán của chất xúc tác trên bề mặt của chất mang. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1.3.4.3 Phƣơng pháp kết tủa
Khi tiến hành điều chế theo phƣơng pháp này sẽ giúp thay đổi bề mặt nội và cấu trúc của lớp xúc tác nhƣng đổi lại chi phí hơi cao. Trong phƣơng pháp kết tủa chia làm hai hƣớng là tạo hình khô và tạo hình ƣớt.
Hầu hết các giai đoạn trên đều chịu ảnh hƣởng các yếu tố nhƣ thời gian tiến hành, kích thƣớc hạt, nhiệt độ làm việc, diện tích bề mặt và đƣờng kính lỗ xốp của vật liệu…Trong phƣơng pháp kết tủa có thêm giai đoạn lọc nhằm mục đích loại bỏ bớt những muối hòa tan, kiềm kém tan các chất dƣ và ion không có lợi cho quá trình làm việc.
1.3.4.4 Phƣơng pháp trộn cơ học
Các tác chất sẽ đƣợc nghiền và trộn chung để trở nên đồng nhất, có hai hình thức trộn là trộn khô và trộn ƣớt. Trong phƣơng pháp trộn ƣớt thì huyền phù đƣợc trộn với dung dịch của chất khác, một số điểm cần lƣu ý khi tách phải dùng máy ép, sau là sấy khô và tạo hình nhƣng đổi lại sản phẩm lại đồng đều hơn. Với phƣơng pháp trộn khô thì không thể đồng đều đƣợc nhƣ trên.
Do gặp một số khó khăn về mặt tƣơng tác giữa các chất và hoạt tính xúc tác nên phƣơng pháp này ít đƣợc sử dụng.
NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
CHƢƠNG 2
CHƢƠNG II: THỰC NGHIỆM 2.1 Hóa chất
2.1.1 Một số loại hóa chất sử dụng
Acid Chloroplatinic (H2PtCl6.6H2O) độ tinh khiết 99% của hãng Prolabo
Acid Nitric (HNO3) với độ tinh khiết từ 65-68% của Trung Quốc
Acid Sulphuric (H2SO4) độ tinh khiết từ 95-97% của Merck
Aceton (C3H8O) độ tinh khiết là 99,5% của Trung Quốc
Carbon Vulcan XC-72R (C) của hãng Cabot
Etanol (C2H5OH) độ tinh khiết là 99% của Prolabo
Etylen glycol (C2H6O2) độ tinh khiết là 99% của Trung Quốc
Metanol (CH3OH) độ tinh khiết là 99,8% của Merck
Natri hydroxit (NaOH) độ tinh khiết là 96% của Trung Quốc
Nafion của hãng Merck.
2.1.2 Thiết bị sử dụng
Hình 2.1 Bể siêu âm (Phòng thí nghiệm Hóa lý ứng dụng trường ĐHKHTN, Tp.HCM)
Hình 2.2 Mấy khuấy từ IKA RET control-vis và pipet BIOHIT Proline (Phòng thí nghiệm Hóa lý ứng dụng, ĐHKHTN, Tp. HCM).
Hình 2.3 Lò vi sóng SANYO 20L EM-S2182W (phòng thí nghiệm Hóa lý ứng dụng ĐHKHTN, Tp. HCM)
Hình 2.4 Máy ly tâm UNIVERSAL 32R HETTICH ZENTRIFUGEN
2.2 Chuẩn bị một số dung dịch cho quá trình thí nhiệm 2.2.1 Pha dung dịch HNO3 với nồng độ khác nhau 2.2.1 Pha dung dịch HNO3 với nồng độ khác nhau
Dung dịch đƣợc pha trong bình định mức 500ml và với những nồng độ HNO3 khác nhau. Axit nitric đậm đặc đƣợc dùng có nồng độ khoảng 60-65%. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 2.1: Số liệu để pha dung dịch HNO3 với nồng độ khác nhau
Nồng độ dung dịch (%) Số ml HNO3 Số ml nƣớc cất 5,0 27,5 472,5 10,0 54,9 445,1 15,0 82,4 417,6 20,0 109,9 390,1 25,0 137,4 362,6 30,0 219,8 280,2
2.2.2 Pha dung dịch H2SO4 0,5M
Axit sulphuric ở dạng đậm đặc có nồng độ rất cao khoảng 18M hay 98% nên để tránh nguy hiểm cũng nhƣ để độ chính xác của dung dịch sau khi pha cao ta nên pha loãng axit này xuống 10 lần. Sau đó lấy từ dung dịch pha loãng 140ml cho vào bình định mức 500ml rồi châm nƣớc cất cho tới vạch định mức.
2.2.3 Pha dung dịch H2SO4 0,5M trong CH3OH 1M
Tƣơng tự nhƣ cách pha dung dịch H2SO4 0,5M ta lấy 140ml dung dịch này đã pha loãng cộng thêm 20ml dung dịch metanol nguyên chất (99,8%) vào bình định mức 500ml rồi cho nƣớc cất tới vạch định mức.
2.3 Xử lý nguồn Carbon Vulcan XC-72R
Cân 0,5g carbon Vulcan XC-72R cho vào một bình cầu 3 cổ loại 500ml cùng 500ml dung dịch axit nitric (HNO3) với những nồng độ khác nhau từ 5% đến 30%. Hỗn hợp đƣợc khuấy từ và đun ở nhiệt độ 110oC trong thời gian 16 giờ. Hỗn hợp đƣợc làm nguội và ly tâm với vận tốc 6000rpm trong 10 phút. Quá trình ly tâm đƣợc lập lại thêm 3 lần với 2 lần là nƣớc cất và một lần aceton. Sau đó, lấy phần rắn sấy 3 giờ ở 110oC.
2.4 Chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa bằng phƣơng pháp Polyol
Phƣơng pháp khử hóa học là dùng các tác nhân hóa học để khử ion kim loại thành kim loại. Thông thƣờng các tác nhân hóa học ở dạng dung dịch lỏng nên còn gọi là phƣơng pháp hóa ƣớt. Đây là phƣơng pháp từ dƣới lên. Dung dịch ban đầu có chứa các muối của các kim loại nhƣ HAuCl4, H2PtCl6, AgNO3. Tác nhân khử ion kim loại Ag+, Au+ thành Ag, Au ở đây là các chất hóa học nhƣ axit citric, vitamin C, Sodium Borohydride NaBH4, ethanol, Ethylene glycol (phƣơng pháp sử dụng các nhóm rƣợu đa chức nhƣ thế này còn có một cái tên khác là phƣơng pháp polyol)
Polyol là phƣơng pháp thƣờng dùng để tạo các hạt nano kim loại nhƣ Pt, Ru, Pd, Au, Co, Ni, Fe… Các hạt nano đƣợc hình thành trực tiếp từ dung dịch muối kim loại có chứa polyol (rƣợu đa chức). Polyol có tác dụng nhƣ một dung môi hoặc trong một số trƣờng hợp nhƣ một chất khử ion kim loại. Tiền chất có thể hòa tan trong polyol rồi đƣợc khuấy và nâng đến nhiệt độ sôi của polyol để khử các ion kim
loại thành kim loại. Bằng cách điều khiển động học kết tủa mà chúng ta có thể thu đƣợc các hạt kim loại với kích thƣớc và hình dáng nhƣ mong muốn. Ngƣời ta còn thay đổi phƣơng pháp này bằng cách đƣa những mầm kết tinh bên ngoài vào dung dịch. Nhƣ vậy quá trình tạo mầm và phát triển hạt là hai quá trình riêng biệt làm cho hạt đồng nhất hơn.
Hình 2.5 Quy trình chế tạo vật liệu nano Pt/C bằng phương pháp polyol
2.5 Điều chế vật liệu xúc tác điện cực Pt/VulcanXC-72R theo phƣơng pháp Polyol đun truyền thống Polyol đun truyền thống
Cho 0,05g carbon Vulcan XC-72R (đã xử lý hoặc không xử lý) vào binh cầu chứa 20ml Etylen glycol (C2H6O2) và 10ml nƣớc cất. Khuấy hỗn hợp trong 10 phút để giúp cho quá trình trộn lẫn đƣợc đồng đều, bên cạnh đó chỉnh pH môi
H2PtCl6.5H2O Carbon hoạt tính
Phân tán Ethylen glycol Phân tán Pt/C Ly tâm Phần lỏng Rửa B ỏ Phần rắn Pt/C Sấy Nhiệt độ sấy: 110oC Đun cách dầu trong 3h (hoặc lò vi sóng trong 3 phút)
trƣờng của hỗn hợp bằng NaOH 1M. Sau đó tiền chất axit Choloroplatinic đƣợc cho vào hỗn hợp. Tiến hành đun hỗn hợp trong 3 giờ ở nhiệt độ 110oC. Để nguội và ly tâm ở mức 6000rpm trong 10 phút. Quá trình ly tâm đƣợc tiến hành giống nhƣ quá trình xử lý bằng việc lập lại với 2 lần nƣớc cất và 1 lần aceton. Sản phẩm rắn đƣợc sấy ở 110oC trong 3 giờ.
2.6 Chuẩn bị mẫu và cách quét thế vòng tuần hoàn (Cyclic Voltammetry)
Trƣớc khi tiến hành quét thế vòng tuần hoàn ta phải chuần bị mẫu nhƣ sau: cân 5mg mỗi mẫu cần đo tiếp tục thêm 2ml etanol và 50μl Nafion vào mỗi mẫu. Các mẫu này sau đó đƣợc mang đi siêu âm khoảng 30 phút.
Hoàn tất xong việc chuẩn bị mẫu ta bắt đầu tiến hành đo bằng cách lấy 6μl mẫu đã đƣợc đánh siêu âm và tải lên điện cực carbon. Công việc này phải hết sức cẩn thận vì khi ta tải mẫu lên điện cực phải chính xác với vòng tròn đã đƣợc quy định không đƣợc lan ra hoặc thiếu hụt. Nguyên nhân vì diện tích bề mặt cũng ảnh hƣởng đến quá trình xúc tác. Khi đã kết nối các điện cực với máy đo và máy tính thì ta tiến hành đo.
Bƣớc đầu tiên để cho kết quả có độ chính xác cao thì ta phải làm sạch điện cực trƣớc với dung dịch H2SO4 0,5M. Quá trình quét đƣợc tiến hành 2 lần với các vận tốc là 100mV/s, 50mV/s trong khoảng thế từ 0,0 – 1,0V và quét 1 vòng. Muốn kết quả có độ chính xác cao thì trƣớc khi quét 1 vòng ta nên quét 20 vòng để ổn định. Sau khi đã đo nền xong ta tiến hành quét thế tuần hoàn dựa trên phản ứng oxy hóa Metanol. Điểm khác biệt của lần quét này so với lần quét nền là khoảng thế thấp hơn từ 0,0 – 0,9V, dung dịch H2SO4 0,5M đƣợc thay bằng hỗn hợp dung dịch H2SO4 0,5M + CH3OH 1M. Ngoài 2 lần quét nhƣ trên, mẫu đƣợc quét thêm 1 lần với vận tốc 10 mV/s. Một số điểm cần chú ý, mỗi khi thay dung môi khác vào phải rửa lại điện cực vì dung môi cũ có thể ảnh hƣởng nhiều đến kết quả quét.
2.7 Các phƣơng pháp phân tích
2.7.1 Phƣơng pháp đo diện tích bề mặt
Diện tích bề mặt của các vật liệu nanocomposite platin trên chất mang carbon đƣợc đo bằng máy Nova 3200e (hình 2.6) của phòng thí nghiệm MANA, Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh.
Mẫu nanocomposite Pt/C đƣợc sấy khô trong chân không ở 100oC trong 24 giờ sau đó mẫu đƣợc đo diện tích bề mặt bằng cách hấp phụ khí nitơ ở 77,3oK.
Hình 2.6 Máy đo BET Nova 3200e (Trung tâm MANA)
2.7.2 Phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRD)
Dựa vào phƣơng pháp này cho ta có thể khẳng định ở trong mẫu có hay không những tinh thể nano. Ngoài ra , nó còn cho biết thêm về cấu trúc, tính chất và kích thƣớc hạt của vật liệu. Tia X là một dạng sóng điện từ có bƣớc sóng khoảng 0,1-100Ao và năng lƣợng là 1.23*103eV. Đặc điểm của tia X là truyền thẳng và không bị lệch khi gặp thấu kính hoặc lăng kính.
Nguyên lý hoạt động: cho chùm tia X truyền qua một chất ở trạng thái rắn hoặc khí, chùm tia này sẽ tƣơng tác với các điện tử trong các nguyên tử của chất nghiên cứu hoặc ngay cả với nhân nguyên tử nếu chùm tia có năng lƣợng đủ lớn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});