phạm hồng hạnh - gust.edu.vngust.edu.vn/media/27/uftai-ve-tai-day27051.pdf · các quốc gia...
TRANSCRIPT
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------------
Phạm Hồng Hạnh
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC ĐIỆN HÓA
TRÊN CƠ SỞ IrO2 CHO PHẢN ỨNG THOÁT ÔXY ÁP
DỤNG TRONG THIẾT BỊ ĐIỆN PHÂN NƯỚC SỬ DỤNG
MÀNG TRAO ĐỔI PROTON
Chuyên ngành: Hóa lý thuyết & Hóa lý
Mã số: 9.44.01.19
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
Hà Nội – 2019
2
Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ -
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Người hướng dẫn khoa học 1: TS. Nguyễn Ngọc Phong
Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Lê Bá Thắng
Phản biện 1: …
Phản biện 2: …
Phản biện 3: ….
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..’, ngày … tháng
… năm 201….
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
1
MỞ ĐẦU
Sư tăng trương cua dân số và sư công nghiệp hóa nhanh cua
các quốc gia dẫn đến nhu câu năng lượng tăng nhanh trên toàn thế giới.
Hiện nay, hơn 80 % nhu câu năng lượng được đáp ưng tư các nguồn
nhiên liệu hóa thạch như dâu mo, than đá và khi thiên nhiên do chung
có sẵn trong tư nhiên, dễ dàng và thuận tiện trong vận chuyển và lưu
trư. Tuy nhiên, các nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dân cạn kiệt trong
khi nhu câu sư dung năng lượng ngày càng tăng cao. Mặt khác, sư
dung nhiên liệu hóa thạch cũng tạo thành các sản phẩm khi gây ô
nhiễm môi trường và hiệu ưng nhà kinh dẫn đến biến đổi khi hậu toàn
câu làm trái đất nóng lên. Vì vậy, nhu câu phát triển các nguồn năng
lượng mới thay thế, có khả năng tái tạo và không làm ô nhiễm môi
trường đang trơ nên bưc thiết đối với nhân loại. Hydro chinh là một
trong các nguồn năng lượng mới tiềm năng trong tương lai, hydro là
nguyên tố có nhiều nhất trong vũ tru và trái đất; hiệu suất cháy cua nó
cao hơn dâu mo (60% so với 25%). Khi đốt hydro chỉ có một sản phẩm
phu duy nhất là nước, không kèm bất cư chất thải nào có hại cho môi
trường. Tóm lại, hydro là nguồn năng lượng tái sinh sạch nhất, hiệu
suất cao nhất và có nguồn cung cấp vô tận. Bơi vậy nền kinh tế dưa
trên hydro sẽ dân thay thế cho nền kinh tế dâu mo và sẽ là nền kinh tế
bền vưng lý tương nhất cua loài người.
Có nhiều cách để sản xuất hydro, phương pháp điện phân nước
màng trao đổi proton (PEMWE) dùng dòng điện một chiều để tách
nước thành khi hydro và ôxy là một phương pháp có nhiều ưu điểm
vượt trội: hiệu suất cao (có thể đạt hơn 90%), độ tinh khiết cao
(khoảng 99%), an toàn, tiêu thu năng lượng it, có thể vận hành với mật
độ dòng cao (lên đến 2 A/cm2) và đặc biệt là khả năng kết hợp với các
nguồn năng lượng mới như: sưc gió, năng lượng mặt trời... Đến nay,
đã có rất nhiều nghiên cưu phát triển trên PEMWE và các sản phẩm
2
thương mại hóa với quy mô khác nhau (có công suất sản xuất hydro tư
0,01- 50.000 Nm3/h) được cung cấp bơi các công ty hàng đâu thế giới
như: Hamilton Sundstrand cua Mỹ, Htec cua Đưc, RRC “Kurchatov
Institute” cua Nga …Tuy nhiên, sư phát triển cua thiết bi PEMWE vẫn
đang bi hạn chế bơi chi phi chế tạo cao cua các thành phân như là
màng trao đổi proton, các xuc tác kim loại qui… Ngoài ra, quá trình
điện phân nước gắn với tổn thất năng lượng chu yếu do quá thế cao tại
anốt cua phản ưng thoát ôxy (OER). Vì vậy, các nghiên cưu về
PEMWE gân đây đều tập trung tìm ra vật liệu xuc tác mới để cải thiện
diện tich hoạt hóa và độ bền tại anốt bằng cách sư dung các kỹ thuật
tổng hợp tiên tiến để điều chế vật liệu xuc tác dưới dạng bột kich thước
nanô, tư đó cải thiện hiệu suất và công suất cua PEMWE.
Tại Việt Nam, các nghiên cưu về điện phân sản xuất hydro sư
dung màng trao đổi proton vẫn chưa được quan tâm nhiều. Để tiếp cân
dân với nền kinh tế hydro và bắt kip với xu hướng nghiên cưu về vật
liệu xuc tác cho PEMWE, chung tôi đã lưa chọn đề tài nghiên cưu cho
luận án: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa trên cơ sở IrO2
cho phản ứng thoát ôxy trong thiết bị điện phân nước áp dụng màng
trao đổi proton”.
Mục tiêu của luận án:
Chế tạo các vật liệu xuc tác điện cưc trên cơ sơ IrO2 cho quá
trình thoát ôxy trong điện phân nước màng trao đổi proton PEMWE có
cấu truc nano, có hoạt tinh xuc tác và có độ bền cao.
Áp dung chế tạo bộ điện phân sư dung màng trao đổi proton
PEMWE để điều chế hydro có công suất cao.
Nội dung chính của luận án:
3
- Tổng quan sơ lược về điện phân nước sư dung màng trao đổi proton
(PEMWE) và các nghiên cưu phát triển cua vật liệu xuc tác trên cơ sơ
IrO2 hệ đơn nguyên, nhi nguyên và tam nguyên trong PEMWE.
- Nghiên cưu chế tạo bột xuc tác IrO2 bằng các phương pháp thuy phân
và phương pháp Adams, đánh giá ảnh hương cua nhiệt độ đến đặc
trưng tinh chất cua các vật liệu xuc tác tổng hợp tư đó lưa chọn được
phương pháp cũng như đưa ra quy trình phù hợp chế tạo xuc tác IrO2.
- Nghiên cưu chế tạo hỗn hợp bột xuc tác nhi nguyên IrxRu(1-x)O2 (x =0;
0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 1), đánh giá, so sánh ảnh hương tỉ lệ thành phân
RuO2:IrO2 khác nhau đến hoạt tinh, độ bền cua vật liệu xuc tác. Lưa
chọn được thành phân xuc tác tối ưu có hoạt tinh và độ bền cao.
- Nghiên cưu phát triển hỗn hợp xuc tác tam nguyên IrRuMO2 (với M
= Ti, Sn và Co)
- Áp dung chế tạo chế tạo bộ điện phân sư dung màng trao đổi proton
PEMWE với diện tich làm việc 5 cm2 bao gồm các bộ phận; tấm dẫn
điện, tấm tách dòng, doăng, điện cưc màng, tấm vo, chốt...để điều chế
hydro có công suất cao, thư nghiệm và đánh giá tinh năng cua bộ
PEMWE đơn khi hoạt động.
Chương 1. TỔNG QUAN
- Giới thiệu sơ lược về lich sư phát triển, cấu tạo, nguyên lý vận hành
và ưng dung cua các PEMWE.
- Trình bày các cơ chế và động học phản ưng cua các phản ưng thoát
ôxy và hydro trên các vật liệu xuc tác trên cơ sơ IrO2 trong PEMWE.
- Giới thiệu lich sư phát triển cua vật liệu xuc tác sư dung trong
PEMWE và trình bày tình hình nghiên cưu phát triển cua các loại vật
liệu xuc tác tại các điện cưc anôt và catôt cua PEMWE.
4
Chương 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU
2.3. Chế tạo vật liệu xúc tác trên cơ sở IrO2
Ba phương pháp được áp dung để tổng hợp chất xuc tác là
phương pháp thuy phân, phương pháp Adams và phương pháp Adams
sưa đổi.
- Phương pháp thuy phân: cho các tiền chất muối kim loại tác dung với
dung dich NaOH ơ 80 oC, khuấy 12 giờ. Điều chỉnh pH cua hỗn hợp
bằng cách nho giọt tư tư dung dich HNO3 1M cho đến khi đạt 7 - 8.
Kết tua hình thành được lọc rưa và nung ơ nhiệt độ cao ơ 300 –600 oC
trong 1 giờ với tốc độ nâng nhiệt 5 oC/phut để tạo thành ôxit kim loại
tương ưng.
- Phương pháp Adams: các tiền chất kim loại với tỉ lệ mol khác nhau
được hòa tan trong isopropanol, rung siêu âm 30 phut và khuấy trong 1
giờ. Sau đó thêm NaNO3 tiếp tuc rung siêu âm 30 phut và khuấy trong
12 giờ. Hỗn hợp muối này được đun nóng trong không khi ơ 70oC để
bay hơi đến khô và nung ơ 300–600oC trong 1 giờ với tốc độ nâng
nhiệt 5oC/phut sau đó làm mát ơ nhiệt độ phòng qua đêm. Sản phẩm
được lọc, rưa sạch bằng nước khư ion đến khi hết clo và sấy khô trong
không khi ơ 90oC.
- Phương pháp Adams sưa đổi: các bước tiến hành giống như phương
pháp Adams chỉ khác ơ giai đoạn nung: trước khi nung ơ 500oC trong
1 giờ hỗn hợp muối cân nung trước ơ 325oC trong 30 phut với tốc độ
nâng nhiệt 5oC/phut.
2.4. Phương pháp đánh giá tính chât của vật liệu xúc tác
2.4.1. Các phương pháp vật lý
Phương pháp nhiệt trọng lượng TGA và nhiệt trọng lượng vi
sai DTA để khảo sát nhiệt độ hình thành cua các ôxit kim loại. Phương
5
pháp SEM, TEM được sư dung đánh giá kich thước và độ phân bố cua
các hạt xuc tác trong khi phương pháp nhiễu xạ tia X được dùng để
đáng giá cấu truc các vật liệu xuc tác trên cơ sơ IrO2. Phương pháp phổ
tán xạ năng lượng tia X (EDX) để xác đinh thành phân cua hỗn hợp
xuc tác ôxit đã tổng hợp.
2.4.2. Các phương pháp điên hoa
Mẫu đo điện hóa được đặt trong bộ gá mẫu bằng nhưa Teflon
với diện tich làm việc cua mẫu được khống chế là 1 cm2. Hệ đo là hệ
điện hóa ba điện cưc với điện cưc đối là điện cưc platin và điện cưc so
sánh là điện cưc bạc clorua. Các phep đo điện hóa được thưc hiện
trong dung dich H2SO4 0,5 M và thiết bi điện hóa sư dung là Autolab –
Nova 1.10.
2.4.2.1. Phương pháp chế tạo điện cực cho các phép đo điện hóa
Điện cưc làm việc là giấy cabon (lớp khuếch tán). Các điện
cưc này được phu hỗn hợp mưc xuc tác, mưc xuc tác có thành phân
bao gồm: bột xuc tác và dung dich Nafion 5% (bằng 30% lượng xuc
tác). Mưc xuc tác được phu trên bề mặt điện cưc giấy cacbon bằng
phương pháp quet, sau mỗi lân quet mẫu được để khô tại nhiệt độ
phòng, quá trình này được lặp lại đến khi đạt mật độ xuc tác kim loại
trên điện cưc anôt là 4 mg/cm2 và trên điện cưc catôt là 1 mg/cm
2. Cuối
cùng mẫu được sấy khô tại 80oC trong thời gian 12 giờ.
2.4.2.2. Phương pháp quét thế vòng (CV – Cyclic Voltammetry)
Trong luận án này, các đường CV được đo với ba muc đich:
- Xác đinh độ hoạt hóa cua xuc tác và các quá trình điện hóa xẩy ra
trên bề mặt xuc tác: các phep đo CV được quet trong khoảng điện thế
theo chiều thuận tư 0÷1,3VAg/AgCl và theo chiều nghich tư
1,3÷0VAg/AgCl, với tốc độ quet thế 50 mV/s trong môi trường axit
H2SO4 0,5 M. Độ hoạt hóa có đơn vi là C/cm2 được tinh bằng tổng mật
6
độ điện tich cua nhánh quet thuận và nhánh quet ngược theo phân mềm
cua thiết bi đo Autolab-Nova 1.10.
- Xác đinh độ thuận nghich cua xuc tác: các phep đo CV được quet
tuân hoàn trong khoảng điện thế 0÷0,9 VAg/AgCl với tốc độ quet thế
nhau (10; 20; 50; 100; 200 mV/s) trong dung dich chưa cặp ôxy hoá
khư [Fe(CN)6]3-
/[Fe(CN)6]4-
có nồng độ 0,1 M đã được sư dung để
thêm vào dung dich H2SO4 0,5 M. Tư các đường CV, tỷ lệ Qa/Qc được
tinh toán để kiểm tra độ thuận nghich cua quá trình ôxy hóa khư.
- Xác đinh độ suy giảm hoạt tinh cua cua xuc tác: các mẫu được đo CV
với 1000 chu kỳ trong khoảng điện thế tuân hoàn tư 0,85÷1,4 VAg/AgCl
tốc độ quet 100 mV/s. Trước và sau 1000 chu kỳ đo kiểm tra độ bền,
mẫu được đo CV (quet trong khoảng điện thế tuân hoàn thuận tư 0÷1,3
VAg/AgCl với tốc độ quet thế 50 mV/s) đánh giá lại hoạt tinh xuc tác,
hoạt tinh xuc tác được thể hiện qua giá tri tổng mật độ điện tich.
2.4.2.3. Đo đường cong phân cực
Khả năng xuc tác cho phản ưng thoát ôxy cua các chất xuc tác
được nghiên cưu bằng phương pháp đo quet thế tuyến tinh. Mẫu được
phân cưc tư giá tri điện thế mạch hơ về giá tri điện thế 1,8 VAg/AgCl
trong dung dich H2SO4 0,5 M với tốc độ quet 1 mV/s. Phương pháp
này cho phep xác đinh mật độ dòng ổn đinh io, điện thế bắt đâu cua quá
trình thoát ôxy EOER để đánh giá khả năng xuc tác cho phản ưng thoát
ôxy cua mẫu xuc tác
2.4.2.4. Thử nghiệm dòng ổn định
Các mẫu xuc tác được phân cưc anôt ơ mật độ dòng điện cao
(200 mA/cm2) trong môi trường axit H2SO4 0,5 M nhằm gia tốc quá
trình hòa tan hoặc khư hoạt hóa cua anôt, tư đó đánh giá nhanh thời
gian sống cua điện cưc. Giá tri điện thế được ghi lại theo thời gian,
7
thời gian sống cua điện cưc là thời gian đo được đến khi điện cưc bi
phá huy.
2.5. Phương pháp nghiên cứu đánh giá tính chât của điện cưc
màng MEA
2.5.1. Phương pháp chế tạo điên cực màng (MEA)
Điện cưc màng được chế tạo bằng phương pháp ep nhiệt, ep
màng Nafion vào giưa hai lớp khuếch tán khi đã được phu mưc xuc
tác. Ba thông số quan trọng trong quá trình ep sẽ ảnh hương lên tinh
chất cua MEA là lưc ep=18; 20; 22; 24 kg/cm2, nhiệt độ = 130
oC và
thời gian ep = 180 giây.
2.5.2. Phương pháp chế tạo các phu kiên khác sư dung trong
PEMWE
Trong nghiên cưu này, một bộ điện phân PEMWE đơn được
thiết kế, chế tạo và lắp đặt. Vật liệu và thông số kỹ thuật cua các vật
liệu sư dung được đưa ra trong bảng 2.5.
Bảng 2.5. Các thông số chế tạo PEMWE
Thông số Vật liệu Kích thước
(mm)
MEA Đã chế tạo trong phân 2.5.1 23 × 23
Tấm đệm Silicon chiu nhiệt 50 × 50 × 1
Tấm chia dòng Grafit graphite AXF- 5Q (Poco) 50 × 50 × 3,2
Tấm vo Nhưa acrylic 50 × 50 × 8
Tấm dẫn điện Đồng được mạ vàng 50 × 50 × 1
Chốt Thep không gỉ bọc nhưa ⏀5
2.5.3. Phương pháp nghiên cứu đánh giá tinh chât MEA
- Cấu truc và sư biến dạng cua lớp xuc tác, màng và lớp khuếch tán khi
cua MEA sau quá trình ep nóng được quan sát bằng hiển vi điện tư
quet SEM.
- Chiều dày cua MEA được xác đinh bằng giá tri trung bình cua 9 lân
đo tại các vi tri khác nhau trên màng MEA.
8
- Phương pháp đo đường cong U‒i: Các đặc trưng điện hóa cua bộ
PEMWE đơn được nghiên cưu bằng phương pháp đo đường cong U‒i:
giá tri hiệu điện thế cua bộ PEMWE đơn được ghi lại khi áp các giá tri
mật độ dòng điện thay đổi tư 0,2–2 A/cm2.
- Độ bền cua bộ PEMWE đơn được đánh giá bằng đường đo hiệu điện
thế cua bộ PEMWE đơn theo thời gian tại mật độ dòng cố đinh
1A/cm2.
- Lưu lượng sản xuất hydro cua bộ PEMWE được đo bằng phương
pháp cột nước thay đổi.
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác bột IrO2
Để xác đinh khoảng nhiệt độ tạo thành IrO2 tư hai hỗn hợp tiền
chất cua hai phương pháp chế tạo khác nhau, các phương pháp phân
tich nhiệt được thưc hiện (hình 3.1 và 3.2). Quan sát thấy trên cả hai đồ
thi TGA cua hai phương pháp tổng hợp đều chia làm hai giai đoạn, giai
đoạn đâu tiên xẩy ra tại vùng nhiệt độ thấp, các hỗn hợp muối cua cả
hai phương pháp có sư giảm trọng lượng nhanh xuất hiện chu yếu do
quá trình bay hơi cua phân tư nước hấp phu vật lý và dưới dạng hydrat
Hinh 3.1. Giản đồ TGA và DTA
cua hỗn hợp tiền chất
(H2IrCl6.xH2O + NaOH) theo
phương pháp thuy phân
Hinh 3.2. Giản đồ TGA và DTA
cua hỗn hợp tiền chất
(H2IrCl6.nH2O + NaNO3) theo
phương pháp Adams
9
trong muối cua Ir. Giai đoạn hai trên các đồ thi DTA và TG là quá trình
phân huy nhiệt hoàn toàn cua các muối tạo thành bột IrO2. Đối với
phương pháp thuy phân, quá trình này xẩy ra trong khoảng nhiệt độ tư
300 - 394oC. Đối với phương pháp Adams, nhiệt độ phân huy tạo bột
IrO2 trong khoảng 350 - 605,6oC. Kết quả nghiên cưu mẫu thu được
bằng phổ Phổ nhiễu xạ tia X đã chưng minh sản phẩm cuối cùng là
IrO2 (hình 3.3 và 3.4). Tư đây, các bột xuc tác IrO2 sẽ được nung ơ
nhiệt độ 300oC, 400
oC, 500
oC và 600
oC theo phương pháp thuy phân
và 400oC, 500
oC và 600
oC theo phương pháp Adams.
Hinh 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X
cua các mẫu xuc tác IrO2 tổng
hợp bằng phương pháp thuy phân
Hinh 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia
X cua các mẫu xuc tác IrO2 tổng
hợp bằng phương pháp Adams
Hình 3.3 và 3.4 là các giản đồ nhiễu xạ tia X cua các mẫu bột
IrO2 tổng hợp bằng phương pháp thuy phân và phương pháp Adams tại
các nhiệt độ nung khác nhau. Tại các giá tri nhiệt độ nung thấp hơn
500oC, các pic trên giản đồ nhiễu xạ tia X cua cả hai phương pháp tổng
hợp có đỉnh tin hiệu không ro ràng và chân rộng. Điều này do IrO2 tạo
thành tại các nhiệt độ nung này có cấu truc rất min. Khi tăng nhiệt độ
nung lên 500oC và 600
oC, kich thước chân các pic nho đi và các tin
hiệu đỉnh ro net hơn thể hiện cấu truc tinh thể. Các pic trên giản đồ
nhiễu xạ tia X có đỉnh tin hiệu tại giá tri góc 2θ là: 28 (110); 35,1
(101); 54,3 (211) trùng với phổ chuẩn cua IrO2 cấu truc rutil. Như vây,
10
tại nhiệt độ tư 500oC trơ lên, vật liệu xuc tác IrO2 chuyển dân sang cấu
truc tinh thể rutil.
Hinh 3.5. Ảnh SEM cua các mẫu bộ xuc tác IrO2 chế tạo bằng
phương pháp thuy phân, độ phóng đại 80.000 lân
Quan sát trên các ảnh SEM cua các bột xuc tác tổng hợp bằng
phương pháp thuy phân, trên hình thấy rằng các hạt có kich thước
tương đối nho tich tu thành đám hoặc khối. Khi tăng nhiệt độ nung thì
có sư thay đổi kich thước hạt và nhiệt độ nung càng tăng thì kich thước
hạt càng lớn.
Hinh 3.6. Ảnh TEM cua các mẫu bộ xuc tác IrO2 chế tạo bằng
phương pháp Adams, độ phóng đại 80.000 lân
Ảnh TEM cua các mẫu xuc tác bột IrO2 tổng hợp bằng phương
pháp Adams tại các nhiệt độ khác nhau trên hình 3.6 cho thấy so với
phương pháp thuy phân, phương pháp Adams cho các hạt xuc tác phân
bố đồng đều hơn, không bi tich tu và có kich thước nho hơn nhiều (chỉ
khoảng vài nanomet). Tại 400oC các hạt xuc tác thu được rất nho min
và không có gianh giới biên hạt ro ràng. Khi nhiệt độ tăng lên 500oC
các hạt được hình thành ro ràng và tương đối đồng đều. Tại 600oC bột
xuc tác xuất hiện thêm nhiều hạt có hình que với kich thước lớn, hiện
11
tượng này có thể do khi nhiệt độ tăng tốc độ phát triển mâm diễn ra
nhanh hơn khiến cho kich thước tinh thể tăng.
Hình 3.7 là đồ thi CV cua các mẫu xuc tác IrO2 tổng hợp tại
các nhiệt độ khác nhau bằng hai phương pháp thuy phân và Adam.
Nhìn chung, các đường cong CV có hình dáng tương tư đường cong
CV cua IrO2 chuẩn. Tuy nhiên các pic ôxy hóa-khư thể hiện không ro
ràng trư đường CV cua mẫu IrO2 nung tại 400oC theo phương pháp
Adams. Ở cả hai phương pháp, đường CV cua các mẫu nung tại 400oC
có diện tich lớn nhất so với các mẫu nung ơ nhiệt độ cao hơn tại cùng
phương pháp tổng hợp, điều này là do IrO2 nung tại 400oC có kich
thước hạt nho và min nhất nên bề mặt hoạt động điện hóa cua chung là
lớn nhất nên hoạt tinh xuc tác lớn nhất so với các mẫu khác cùng
phương pháp. Do kich thước hạt nho hơn nhiều nên mẫu IrO2 nung tại
400oC bằng phương pháp Adam có hoạt tinh xuc tác lớn hơn so với
mẫu tổng hợp bằng phương pháp thuy phân. Nhiệt độ càng tăng thì
diện tich đường CV càng giảm nghĩa là độ hoạt hóa càng giảm, tuy
nhiên các mẫu tổng hợp bằng phương pháp Adams vẫn luôn có độ
hoạt hóa lớn hơn mẫu cua phương pháp thuy phân ơ cùng nhiệt độ.
(a) Thuy phân (b) Adams
Hinh 3.7. Đồ thi CV cua các bột xuc tác IrO2 trong môi trường
H2SO4 0,5 M, tốc độ quet thế 50 mV/s
12
Tư các đường cong phân cưc anôt cua các mẫu bột xuc tác
trong trong dung dich H2SO4 0.5M, các thông số điện hóa được tinh
toán và tổng hợp trong bảng 3.1. Dưa vào số liệu trong bảng 3.1 ta thấy
ôxit IrO2 nung tại 500oC bằng phương pháp Adam có họat tinh xuc tác
cho phản ưng thoát ôxy trong môi trường axit cao nhất do có điện thế
thoát ôxy EOER thấp nhất.
Bảng 3.1. Thông số điện hóa cua các mẫu IrO2
Mẫu io (µA/cm2) Eoer (mV)
Tổng điện tích
(C/cm2.mg)
400oC-Thuy phân 51 1232 26,25
500oC-Thuy phân 50 1253 22,25
600oC-Thuy phân 33 1262 12,00
400oC- Adams 16 1190 30,50
500oC- Adams 12 1220 23,00
600oC- Adams 22 1222 13,75
Như vậy, các mẫu xuc tác tổng hợp bằng phương pháp Adams
có kich thước hạt nho hơn nên có hoạt tinh xuc tác tốt hơn, bền hơn và
xuc tác cho phản ưng thoát ôxy tốt hơn so với các mẫu xuc tác tổng
hợp bằng phương pháp thuy phân. Tại nhiệt độ nung 400oC các mẫu
xuc tác có kich thước nho min hơn, hoạt tinh xuc tác tốt hơn nhưng lại
kem bền hơn các mẫu nung ơ nhiệt độ 500oC và 600
oC. Việc lưa chọn
xuc tác tối ưu dưa trên sư kết hợp tốt nhất giưa các tinh chất đặc trưng
cua chất xuc tác như độ hoạt hóa, độ bền, khả năng xuc tác tốt cho
phản ưng thoát ôxy cũng chi phi sản xuất, và nhiệt độ 500oC là nhiệt
độ thich hợp để nung bột xuc tác tổng hợp bằng phương pháp Adams.
Nhằm tối ưu hơn nưa bề mặt hoạt động cua bột xuc tác, do
NaNO3 nóng chẩy tại 308oC, vì thế nên duy trì tại nhiệt độ nóng chẩy
này trong một thời gian để NaNO3 nóng chẩy hoàn toàn sẽ dễ dàng
phản ưng với H2IrCl6 để tạo thành IrO2 có hiệu suất cao. Áp dung cải
tiến này, xuc tác IrO2 được tổng hợp bằng phương pháp Adams sưa đổi
13
theo quá trình nung 2 bước, cu thể như sau: nung ơ 325oC trong 30
phut với tốc độ nâng nhiệt 5oC/phut sau đó nâng mưc nhiệt lên 500
oC
với tốc độ gia nhiệt 5oC/phut trong 1 giờ.
Phổ nhiễu xạ tia X cua 2 mẫu IrO2 nung theo chế độ 1 bước và
2 bước có cường độ mạnh giống nhau và có các đỉnh pic trùng với các
pic chuẩn cua IrO2 cấu truc rutil. Điều này chưng to các mẫu nung cả
hai chế độ nhiệt này đều tạo thành IrO2 cấu truc rutil. Tuy nhiên mẫu
nung theo 2 bước nhiệt có chân pic doãng rộng hơn nghĩa là các hạt
xuc tác thu được có kich thước nho hơn. Ảnh TEM cua các mẫu này
cũng cho thấy mẫu nung theo 2 giai đoạn có các hạt nho hơn, đồng đều
hơn, và các hạt to gân như không xuất hiện với kich thước chỉ khoảng
vài nanomet.
Bảng 3.2. Các thông số điện hóa cua IrO2 tại 2 chế độ nhiệt
khác nhau
Thông số io (µA/cm2) Eoer (mV)
Tổng điện tích
(C/cm2.mg)
IrO2 500oC 16 1220 23,0
IrO2 325oC‒500
oC 22 1220 29,5
Đường CV cua 2 chế độ nung có hình dáng tương tư nhau.
mẫu bột xuc tác nung theo 2 bước có tổng diện tich hơn hơn so với
mẫu xuc tác nung 1 bước ngu ý rằng mẫu này có khả năng hoạt hóa tốt
hơn và các phản ưng diễn ra trên bền mặt điện cưc xẩy ra dễ dàng và
thuận lợi hơn. Điều này chưng to, chế độ nung 2 giai đoạn cải thiện độ
hoạt hóa cua bột xuc tác IrO2. Tư đây, các mẫu xuc tác sẽ được chế tạo
theo quy trình nung 2 bước, quy trình chế tạo được đưa ra trên hình
3.14.
14
Hinh 3.14. Quy trình chế tạo chế vật liệu xuc tác bột IrO2
3.2. Nghiên cứu chế tạo vật liệu hỗn hợp xúc tác bột IrxRu(1-x)O2
Tư giản đồ TGA và DTG khi nung các hỗn hợp muối
(H2IrCl6.nH2O + NaNO3) và (RuCl3.mH2O + NaNO3) trong không khi
có thể xác đinh được khoảng nhiệt độ tư 400-600oC là khoảng nhiệt độ
thich hợp để nung hỗn hợp muối thành ôxit IrxRu(1-x)O2, kết hợp phân
thưc nghiệm 3.1 (đã chưng to nhiệt độ 500oC là nhiệt độ tối ưu để tổng
15
hợp IrO2) chung tôi đưa ra nhiệt độ thich hợp để tổng hợp các bột xuc
tác IrO2, Ir0.9Ru0.1O2, Ir0.8Ru0.2O2, Ir0.7Ru0.3O2, Ir0.6Ru0.4O2, Ir0.5Ru0.5O2
và RuO2 là 500°C theo phương pháp Adams sưa đổi sư dung tiền chất
là hai muối H2IrCl6.nH2O và RuCl3.mH2O.
Hinh 3.17. Giản đồ nhiễu xạ tia X cua các mẫu
hỗn hợp xuc tác IrxRu(1-x)O2
Hình 3.17 là giản đồ nhiễu xạ tia X cua các mẫu bột
IrxRu1−xO2. Có thể quan sát thấy giản đồ nhiễu xạ cua tất cả các mẫu
đều có đỉnh tin hiệu ro ràng, chân pic hẹp và có cấu truc rutil. Pic nhiễu
xạ cua RuO2 và IrO2 được phân bố ơ các góc 2θ gân như tương tư nhau.
Các pic nhiễu xạ cua hỗn hợp ôxit đều có cả tất cả các góc nhiễu xạ
đặc trưng cua hai ôxit tinh khiết và các pic này chuyển dich tư tư về
phia các pic cua ôxit RuO2 khi tăng dân nồng độ Ru. Điều này chưng to
khi nguyên tư Ru đã thâm nhập vào các ô mạng cơ sơ cua Ir và tạo
thành hỗn hợp dung dich rắn
Kết quả phân tich EDX cua các mẫu bột IrxRu(1-x)O2 (x =0,5;
0,6; 0,7; 0,8; 0,9) cho thấy sư có mặt cua các nguyên tố Ir, Ru, O2 tại
tất cả các mẫu hỗn hợp ôxit và tỉ lệ mol Ir và Ru lý thuyết và tỉ lệ mol
thưc tế không khác nhau nhiều chưng to phương pháp Adams sưa đổi
là phương pháp thich hợp để tổng hợp hỗn hợp bột xuc tác với thành
phân mong muốn.
16
Ảnh TEM cho thấy ơ tất cả các mẫu, các hạt tich tu it, phân bố
khá đồng đều và kich thước hạt rất nho (chỉ vài nanomet). Kich thước
hạt tăng dân khi tăng dân hàm lượng Ru. Các hạt IrO2 có các hạt kich
thước nho (khoảng tư 2-5 nm) tuy nhiên lại xen lẫn với các hạt có dạng
kết tinh đinh hướng theo hình que với kich thước rất lớn (tư 10-40 nm).
Trong khi các hạt RuO2 đồng đều hơn, các hạt có kich thước to hơn (tư
10-15 nm). Khi thêm dân RuO2 vào, hình thái học bề mặt cua các hạt
thay đổi dân dân. Các hạt xuc tác có kich thước tăng dân lên không
đáng kể và các hạt hình que có kich thước lớn dân biến mất.
Các đường CV cua các mẫu bột IrxRu(1-x)O2 có các đỉnh rộng
và giới hạn các pic cua RuO2 ro ràng hơn cua IrO2. Ôxit RuO2 có độ
hoạt hóa lớn nhất trong khi ôxit IrO2 có độ hoạt hóa kem nhất. Các hỗn
hợp ôxit có hình dáng tương tư nhau và có độ hoạt hóa trung bình ơ
giưa IrO2 và RuO2.
Bảng 3.4. Thông số điện hóa cua các mẫu IrxRu1−xO2
Mẫu io
(µA/cm2)
EOER
(mV)
Tổng điện tích
(C/cm2.mg)
Suy giảm hoạt
tính (%)
IrO2 22 1220 29,5 4,6
Ir0.9Ru0.1O2 11 1200 32,8 5,1
Ir0.8Ru0.2O2 14 1180 33,7 6,1
Ir0.7Ru0.3O2 16 1140 38,2 7,8
Ir0.6Ru0.4O2 20 1160 34,6 9,5
Ir0.5Ru0.5O2 24 1150 36,9 10,2
RuO2 42 1100 38,9 19,8
Sư suy giảm hoạt tinh cua hỗn hợp xuc tác được thể hiện qua
sư suy giảm diện tich các đường CV sau 1000 vòng quet CV thư
nghiệm độ bền trong H2SO4 0,5 M với tốc độ quet 50 mV/s. Các kết
quả đo được thể hiện bảng 3.4. Tư kết quả thu được cho thấy, mặc dù
IrO2 có độ hoạt hóa kem hơn nhưng lại bền hơn RuO2 và điều này phù
hợp với các nghiên cưu trước đây. IrO2 chỉ bi suy giảm hoạt tinh 4,6%
17
sau 1000 vòng quet trong khi RuO2 bi suy giảm đến 19,8%. Khi RuO2
được thêm dân vào thì độ suy giảm hoạt tinh giảm dân đi chưng to độ
bền cua hỗn hợp giảm dân khi hàm lượng Ru tăng. Cả IrO2 và RuO2
khi đặt trong chất điện ly sẽ được bao phu bằng lớp hydroxit. Các bước
phản ưng cho quá trình ôxy hóa ôxy trên bề mặt IrO2 và RuO2 lân lượt
diễn ra và số ôxy hóa cua iridi và rutheni tăng dân. Đối với iridi, thế
cua quá trình chuyển đổi cuối (Ir4+
/ Ir6+
) khoảng 2,057 V và với
rutheni (Ru4+
/ Ru6+
) là 1,4 V. Giá tri điện thế đó cũng chinh là điện thế
giới hạn cho vận hành quá trình điện phân sư dung các xuc tác trên.
Điều này cũng lý giải tại sao IrO2 lại bền hơn nhiều so với RuO2
Kết quả đo đường cong phân cưc anôt cua các mẫu bột xuc tác
trong trong dung dich H2SO4 0,5M được chỉ ra trên hình 3.27. Các
thông số điện hóa được tổng hợp trong bảng 3.4. Xuc tác IrO2 là chất
xuc tác hoạt tinh thấp nhất cho quá trình thoát ôxy do có điện thế thoát
ôxy là cao nhất. Khi tăng dân hàm lượng Ru trong hỗn hợp thì khả
năng xuc tác cho quá trình thoát ôxy tăng dân lên và tốt nhất khi chỉ có
ôxit RuO2
Hinh 3.27. Đường cong phân cưc anôt cua IrxRu1−xO2 đo trong H2SO4
0,5 M tốc độ quet 1 mV/s
Như vậy, có thể thấy rằng phương pháp Adams sưa đổi đã chế
tạo được hỗn hợp bột xuc tác IrxRu1−xO2 có kich thước tương đối đồng
18
đều, kich cơ nho cơ nanomet và cấu truc rutil, có hoạt tinh tốt và có độ
bền cho quá trình thoát ôxy tại anôt. Sư thêm vào Ru đã tạo thành dung
dich rắn giưa Ir và Ru làm cải thiện đáng kể hình thái học bề mặt cũng
như kich thước cua các hạt xuc tác tư đó cải thiện hoạt tinh xuc tác mà
không làm giảm đáng kể độ bền cho quá trình thoát ôxy. Hỗn hợp xuc
tác Ir0.7Ru0.3O2 có độ kết tinh tốt nhất do tại tỉ lệ mol này sư tạo thành
dung dich rắn giưa Ru và Ir là cao nhất. Các hạt Ir0.7Ru0.3O2 có hình
thái học khá đồng đều cho hoạt tinh cao nhất và độ bền trung bình
trong số các hỗn hợp xuc tác. Có thể nói hỗn hợp xuc tác với tỉ lệ mol
(Ir:Ru)=(7:3) thể hiện sư kết hợp tốt nhất giưa độ hoạt hóa và sư ổn
đinh, chinh vì thế chung tôi lưa chọn hỗn hợp Ir0.7Ru0.3O2 cho nhưng
nghiên cưu tiếp theo.
3.3. Nghiên cứu chế tạo vật liệu hỗn hợp xúc tác hệ ba câu tử
IrRuMO2 (với M là Ti, Sn, Co)
Muc đich cua phân nghiên cưu này là đưa vào hỗn hợp xuc tác
Ir0.7Ru0.3O2 một cấu tư thư ba nhằm giảm lượng xuc tác kim loại quý để
tạo ra hỗn hợp IrRuMO2 vẫn giư được hoạt tinh và độ bền cao cho
phản ưng thoát ôxy. Các chất được đưa vào với tỉ lệ mol ban đâu là
Ir:Ru:M= 1:1:1 (M = Ti; Sn; Co)
Hinh 3.28. Giản đồ nhiễu xạ tia X cua các mẫu hỗn hợp
xuc tác IrRuTiO2; IrRuSnO2; IrRuCoO2.
19
Hinh 3.29. Ảnh TEM cua các mẫu hỗn hợp xuc tác
IrRuMO2 (M = Ti, Sn, Co), độ phóng đại 80.000 lân
Hình 3.28 là phổ nhiễu xạ tia X cua các mẫu hỗn hợp xuc tác
IrRuTiO2; IrRuSnO2; IrRuCoO2và Ir0.7Ru0.3O2 chế tạo được. Có thể
thấy phổ nhiễu xạ cua cả 3 hỗn hợp đều có các pic chinh cua
Ir0.7Ru0.3O2. Tin hiệu pic cua IrRuTiO2 ro ràng nhất, sau đó đến
IrRuCoO2 và thấp nhất là IrRuSnO2. Điều này chưng to với M = Ti cho
độ tinh thể cao nhất. Nguyên nhân có thể do Ti có kich thước tinh thể
gân giống với Ir và Ru nhất nên dễ dàng trộn lẫn với Ir và Ru ơ mưc độ
tinh thể để tạo thành dung dich rắn. Độ doãng rộng cua các pic cho
thấy tinh thể cua IrRuSnO2 là be nhất rồi đến IrRuCoO2 và IrRuTiO2
điều này cũng phù hợp với ảnh TEM trong hình 3.29.Các giá tri điện
tich, suy giảm điện tich và điện thế thoát ôxy xác đinh tư các đồ thi
được liệt kê trong bảng 3.5. Hoạt tinh cua các chất cũng thay đổi với
hoạt tinh tăng dân theo hướng Ti < Sn < Co. Điều này là do độ dẫn
điện cua các chất này cũng tăng dân (điện trơ suất cua ρTiO2 = 108
Ωcm; ρSnO2 = 107
Ωcm; ρCo3O4 = 104
Ωcm). Tuy nhiên, độ suy giảm
sau 1000 vòng quet CV cua IrRuCoO2 lại cao nhất do Co3O4 là một
chất ôxy mạnh nên nó không bền vưng trong môi trường axit được tạo
điều kiện làm việc cua PEMWE.
20
Bảng 3.5. Thông số điện hóa cua các mẫu IrRuMO2
Mẫu io
(µA/cm2)
Eoer
(mV)
Tổng điện tích
(C/cm2.mg)
Suy giảm hoạt
tính (%)
Ir0.7Ru0.3O2 16 1140 38,2 7,8
IrRuSnO2 38 1220 33,7 19,4
IrRuTiO2 28 1220 26,7 16,7
IrRuCoO2 49 1138 42,6 18,84
Như vậy, xet về độ bền xuc tác IrO2 vẫn là xuc tác lý tương
cho phản ưng thoát ôxy. Hỗn hợp Ir0.7Ru0.3O2 là sư kết hợp tốt nhất
giưa độ bền cua IrO2 và độ hoạt hóa cua RuO2. Khi thay thế Ir và Ru
đắt tiền bằng nhưng chất rẻ tiền dễ kiếm hơn thì Ti là một lưa chọn tốt.
Để đảm bảo hiệu suất và độ bền khi áp dung xuc tác anôt chế tạo được
vào một bộ PEMWE đơn, chung tôi quyết đinh lưa chọn hỗn hợp xuc
tác Ir0.7Ru0.3O2 cho nhưng thư nghiệm tiếp theo.
3.4. Chế tạo và đánh giá tính chât của bộ PEMWE đơn
Các bộ phận cua bộ PEMWE đơn được thiết kế bao gồm: tấm
phân dòng với các kênh dẫn nước, tấm dẫn điện, tấm vo và tấm đệm,
sau đó được lắp ghep và hình 3.39 là hình ảnh cua bộ PEMWE đơn và
hình 3.40 là hệ thống thư nghiệm PEMWE đơn.
Hinh 3.39. Bộ PEMWE
đơn
Hinh 3.40. Hệ thống thư nghiệm PEMWE
Hiệu suất chuyển hóa năng lượng cua PEMWE được quyết
đinh bơi tinh chất cua MEA. Tinh chất cua MEA sẽ bi ảnh hương bơi
các thông số như mật độ xuc tác, hàm lượng ionomer và đặc biệt là
phương pháp chế tạo MEA. Trong phương pháp ep nóng được sư dung
để chế tạo MEA thì quá trình ep tại nhiệt độ cao đóng vai trò rất quan
21
trọng. Có ba thông số quan trọng trong quá trình ep sẽ ảnh hương lên
tinh chất cua MEA là lưc ep, nhiệt độ và thời gian ep. Trong luận án
này, thời gian và nhiệt độ ep được giũa cố đinh là 180 s và 130oC lưc
ep được thay đổi tư 18-22 kg/cm
Hình 3.43 là đồ thi U-i cua PEMWE đơn có MEA ep ơ các lưc
ep khác nhau. Quan sát trên U-i nhận thấy rằng khi lưc ep giảm dân thì
các đường cong phân cưc có xu hướng dich chuyển dân về bên trái,
chưng to lưc ep giảm thì điện thế cua PEMWE tăng. Trong giai đoạn
mật độ dòng trung bình, độ dốc cua đường U-i cua MEA chế tạo tại 20
và 22 kg/cm2
thấp hơn so với các MEA chế tạo tại giá tri lưc ep khác,
có nghĩa là điện trơ nội cua MEA chế tạo tại giá tri lưc ep 18 và 24
kg/cm2
sẽ cao hơn điện trơ nội cua MEA chế tạo tại lưc ep 20 và 22
kg/cm2. Điều này có thể do sư gắn kết long lẻo giưa màng ngăn và lớp
xuc tác tại lưc ep 18 kg/cm2, còn tại lưc ep 24 kg/cm
2 thì sư gắn kết
này lại quá đặc chắc hơn như các kết quả phân tich chup ảnh SEM. Tại
giá tri lưc ep 22 kg/cm2 điện thế cua PEMWE đạt được tại mật độ dòng
1 A/cm2 thấp nhất chưng to tại giá tri lưc ep này hiệu suất cua PEMWE
đạt được cao nhất.
Hình 3.44 là đồ thi đo điện thế cua PEMWE với điện cưc
màng MEA chế tạo tư bốn loại lưc ep khác nhau theo thời gian. Trên
đồ thi có thể thấy các đường cong điện thế theo thời gian dich chuyển
về bên trái theo chiều giảm lưc ep. Với MEA chế tạo tại lưc ep nho 18
kg/cm2, giá tri điện thế tăng nhanh và có giá tri lớn nhất. Điều này có
thể do tại lưc ep yếu nên liên kết không đu tốt nên làm xuất hiện sư
bong tách cua lớp GDL với màng nafion sau một thời gian thẩm thấu
cua phân tư nước qua bề mặt liên kết. Do đó, có thể thấy lưc ep 18
kg/cm2
là chưa đu trong chế tạo MEA bằng phương pháp ep nhiệt. Tại
các giá tri lưc ep 20 và 24 kg/cm2
có mưc độ ổn đinh tương đối tốt cho
dù điện thế khá cao. Điện thế cua PEMWE với điện cưc màng MEA
chế tạo tư lưc ep 22 kg/cm2 cho sư ổn đinh tốt nhất tại giá tri điện thế
22
thấp nhất và điều này cũng phù hợp với các kết quả nhận được tư các
đồ thi trên hình 3.43.
Hinh 3.43. Đường cong U-i cua
PEMWE có lưc ep MEA khác nhau
Hinh 3.44. Độ bền cua bộ
PEMWE theo thời gian
Để đánh giá hiệu quả điện phân tạo ra hydro, bộ PEMWE đơn
với MEA ep tại 22 kg/cm2 được chạy tại các giá tri mật độ dòng khác
nhau. Lượng khi hydro sản phẩm được thu vào bình và được đo thể
tich. Tại giá tri lưc ep 22 kg/cm2 điện thế cua PEMWE tại mật độ dòng
2 A/cm2 năng suất hydro thu được có thể đạt 8,2 ml/phut
Bảng 3.8. Hiệu điện thế cua các bộ PEMWE đơn tham khảo tư các
nghiên cưu
TT Xuc tác cho
OER
Hiệu điện thế tại mật độ dòng
1 A/cm2 (mV)
Tài liệu tham
khảo
1 Ir0.6Ru0.4O2 1,567 [35]
2 IrO2 1,600 [97]
3 IrO2 1,610 [49]
4 Ir0.2Ru0.8O2 1,617 [86]
5 Ir0.7Ru0.3O2 1,618 Luận án
6 Ru0.8Nb0.2O2 1,620 [98]
7 Ir0.5Ru0.5O2 1,710 [99]
8 Ru0.9Ir0.1O2 1,750 [100]
9 Ir 2,000 [70]
10 Ir0.5Ru0.5O2 2,250 [90]
Bảng 3.8 đưa ra một số kết quả nghiên cưu trong và ngoài
nước về hiệu quả điện phân cua bộ PEMWE đơn sư dung các chất xuc
tác cho phản ưng thoát ôxy, thông số chinh dùng để đánh giá hiệu quả
23
điện phân là giá tri điện thế tại mật độ dòng 1 A/cm2. Khi so sánh với
các kết quả trên, giá tri điện thế cua bộ PEMWE đơn sư dung xuc tác
Ir0.7Ru0.3O2 cho phản ưng thoát ôxy đạt được 1,618 V trong luận án này
khá thấp chưng to xuc tác Ir0.7Ru0.3O2 và bộ PEMWE chế tạo được có
hiệu quả cao.
KẾT LUẬN
1. Đã tổng hợp thành công vật liệu xuc tác IrO2 cho phản ưng thoát ôxy
trên điện cưc anôt trong thiết bi điện phân PEMWE bằng các phương
pháp thuy phân và Adams sư dung tiền chất là H2IrCl6.
2. Đã nghiên cưu cải thiện phương pháp Adams và đưa ra quy trình
Adams sưa đổi ổn đinh để chế tạo vật liệu xuc tác IrO2 ơ quy mô 1
gram, có cấu truc tinh thể rutil với kich thưc nano (3-20 nm), có hoạt
tinh, độ bền cao đối với phản ưng thoát ôxy trong dung dich H2SO4 0,5
M
3. Đã tổng hợp thành công vật liệu xuc tác hỗn hợp hai cấu tư IrxRu(1-
x)O2 (x =0; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 1) bằng phương pháp Adams sưa đổi. Đã
tìm ra tỉ lệ mol Ir:Ru là 7:3 mang lại sư kết hợp tốt nhất giưa hoạt tinh
và độ bền cua chất xuc tác. Đó là hỗn hợp xuc tác Ir0.7Ru0.3O2.
4. Đã tổng hợp thành công vật liệu xuc tác hỗn hợp ba cấu tư IrRuMO2
(M=Ti; Sn; Co). Các kết quả nghiên cưu chỉ ra rằng cấu tư thư 3 là
Titan cho độ hoạt tinh và độ bền phù hợp. Vật liệu IrRuTiO2 áp dung
trong thiết bi sản xuất hydro PEMWE hưa hẹn mang lại hiệu quả kinh
tế do giảm chi phi sư dung nguyên tố qui Iridium.
5. Một bộ điện phân PEMWE đơn với diện tich làm việc 5cm2 đã được
thiết kế chế tạo tại phòng thi nghiệm với vật liệu xuc tác Ir0.7Ru0.3O2 tư
tổng hợp. Đã đưa ra các thông số kỹ thuật chế tạo điện cưc màng thich
hợp bằng phương pháp ep nóng (lưc ep 22 kg/cm2, nhiệt độ 130
0C,
thời gian 180s). Thiết bi điện phân PEMWE tư chế tạo vận hành ổn
24
đinh đạt điện thế 1,618 V tại mật độ dòng 1 A/cm2. Đây là điện áp
tương đương so với các nghiên cưu xuc tác trên thế giới.
CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
1. Đã chế tạo được vật liệu bột xuc tác IrO2 và IrxRu(1-x)O2 (x =0; 0,5;
0,6; 0,7; 0,8; 1) dưa trên quy trình Adams có sưa đổi, tìm ra vật liệu
bột xuc tác Ir0.7Ru0.3O2 cho hoạt tinh và độ bền tốt nhất.
2. Đã chế tạo được bột xuc tác hệ tam nguyên IrRuTiO2 có hoạt tinh và
độ bền cao phù hợp cho quá trình thoát ôxy trong thiết bi điện phân
nước màng trao đổi proton PEMWE.
3. Đã chế tạo thành công bộ PEMWE đơn có diện tich làm việc MEA
đạt 5 cm2 (sư dung vật liệu bột xuc tác anôt Ir0.7Ru0.3O2, mật độ xuc tác
phu trên điện cưc 4mg/cm2) cho năng suất sản xuất hydro đạt 8,2
mL/phut tại mật độ dòng 2A/cm2.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
1. Hong Hanh Pham, Ngoc Phong Nguyen, Chi Linh Do and Ba
Thang Le, Nanosized IrxRu1−xO2 electrocatalysts for oxygen evolution
reaction in proton exchange membrane water electrolyzer, Adv. Nat.
Sci.: Nanosci. Nanotechnol.6, 2015, 025015 (5ppm).
2. Phạm Hồng Hạnh, Nguyễn Ngọc Phong, Đỗ Chi Linh, Tổng hợp và
đánh giá tinh chất cua vật liệu bột RuO2 xuc tác cho phản ưng thoát
ôxy trong điện phân màng trao đổi proton,Tạp chi Khoa học và Công
nghệ , 2014, T52(3C), 616-662.
3. Phạm Hồng Hạnh, Nguyễn Ngọc Phong, Đỗ Chi Linh, Ngô Ánh
Tuyết, Nghiên cưu tổng hợp vật liệu IrO2 xuc tác cho phản ưng thoát
ôxy trong điện phân màng trao đổi proton, Tạp chi Hóa học, 2014,
T52(6B), 38-41.
4. Pham Hong Hanh, Nguyen Ngoc Phong, Le Ba Thang, Pham Thy
San, Do Chi Linh, Preparation of RuO2 for oxygen evolution reaction
in proton exchange membrane water electrolyzer by Adams’ fusion
method, Tạp chi Hóa học, 2017, T55, 415-420.