Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Nghiên cứu chế tạo vật liệu dây nano bạc phủ paladi ứng dụng trong pin nhiên liệ...

Tài liệu Nghiên cứu chế tạo vật liệu dây nano bạc phủ paladi ứng dụng trong pin nhiên liệu

.DOCX
51
117
99

Mô tả:

B TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BỘ MÔN KĨ THUẬT HÓA VÔ CƠ CHUYÊN ĐỀ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Đề tài : Nghiên cứu chế tạo vật liệu dây nano bạc phủ paladi ứng dụng trong pin nhiên liệu GVHD : Nguyễn Trương Xuân Minh LỚP : HC15VS TP Hồ Chí Minh., Tháng 1 năm 2019 MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC VIẾT TẮT GIỚI THIỆU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU VÀ XÚC TÁC ĐIỆN CỰC TRONG PIN NHIÊN LIỆU 2 1.1Tổng quan về pin nhiên liệu2 1.1.1 Khái niệm về pin nhiên liệu2 1.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu2 1.1.2.1 Cấu tạo 1.1.2.2 Nguyên lí hoạt động 1.1.3 Hệ thống pin nhiên liệu4 1.1.4 Phân loại pin nhiên liệu5 1.1.4.1 Pin nhiên liệu axit phosphoric(Phosphoric acid fuel cell)5 1.1.4.2 Pin nhiên liệu cacbon nóng chảy (Molten carbonate fuel cell)6 1.1.4.3 Pin nhiên liệu kiềm (Alkaline fuel cell)6 1.1.4.4 Pin nhiên liệu màng trao đổi proton..............................7 1.1.4.5 Pin nhiên liệu ethanol trực tiếp (Direct ethanol fuel cell)7 1.1.4.6 Pin nhiên liệu oxit rắn (Solid oxide fuel cell)7 1.1.5 Các yếu tố ảnh huởng đến quá trình làm việc của pin8 1.1.5.1Ảnh hưởng của nhiệt độ8 1.1.5.2Ảnh hưởng của độ ẩm8 1.1.5.3Ảnh hưởng của áp suất8 1.1.5.4 Ảnh hưởng của chất mang 8 1.1.6 Một số ưu nhược điểm của pin nhiên liệu9 1.1.6.1 Ưu điểm 1.1.6.2 Nhược điểm0 1.1.7 Tình hình phát triển của pin nhiên liệu1 1.2 Tổng quan vật liệu nano và xúc tác nano2 1.2.1 Giới thiệu về vật liệu nano2 1.2.1.1 Khoa học nano2 1.2.1.2 Công nghệ nano2 1.2.1.3 Vật liệu nano...................................................................2 1.2.1.4 Tính chất vật liệu nano....................................................1 1.2.2 Xúc tác nano........................................................................................13 1.2.2.1 Giới thiệu.......................................................................13 1.2.2.2 Ứng dụng.......................................................................14 1.2.2.2.1 Xúc tác cho phản ứng...............................................14 1.2.2.2.2 Chất mang xúc tác....................................................14 1.2.2.3 Tính chất vật liệu nano.............................................................14 1.2.3. Giới thiệu dây nano bạc..................................................................... 15 1.2.3.1 Tính chất dây nano bạc............................................................ 15 1.2.3.1.1Tính chất quang........................................................ 15 1.2.3.1.2 Tính chất điện.......................................................... 15 1.2.3.1.3 Tính chất bề mặt...................................................... 16 1.2.3.1.4 Hình thái và cấu trúc............................................... 17 1.2.3.2 Phương pháp tạo dây nano bạc.................................................... 1.2.3.2.1 Phương pháp khuôn mềm........................................ 18 1.2.3.2.2 Phương pháp điện hóa............................................. 18 1.2.3.2.3 Phương pháp khuôn mẫu-khuôn cứng..................... 19 1.2.3.2 Phương pháp polyol..................................................................... 1.2.4. Giới thiệu Paladi.................................................................................. 6 1.2.4.1 Nguồn gốc và đặc trưng.................................................. 6 1.2.4.2 Nhu cầu và sản xuất........................................................ 6 1.2.4.3 Ứng dụng nano paladi..................................................... 7 1.2.4.3.1 Ngành điện tử................................................. 7 1.2.4.3.2 Ứng dụng trong công nghệ Hidro................... 7 1.2.4.3.3 Ứng dụng trong xúc tác.................................. 7 1.2.4.3.4 Ứng dụng lưu trữ hidro.................................. 8 1.2.4.3.5 Kim hoàn........................................................ 8 1.2.5 Giới thiệu vật liệu nano lõi bạc vỏ paladi.............................................. 9 CHƯƠNG II: THỰC NGHIỆM32 2.1 Hóa chất sử dụng32 2.2 Thiết bị sử dụng32 2.3 Chế tạo dây nao bạc phủ paladi bằng phương pháp polyol33 2.3.1 Tiến hành thí nghiệm33 2.3.1.l Quy trình chế tạo chung33 2.3.1.2 Quy trình chế tạo dây nano bạc34 2.3.1.3 Quy trình quay li tâm35 2.3.1.4 Quy trình phủ paladi lên dây nano bạc36 2.3.1.5 Quy trình trộn sản phẩm với cacbon37 2.3.2 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng38 2.3.2.l Khảo sát yếu tố PVP38 2.3.2.2 Khảo sát yếu tố Pd(NO3)2.H2O38 2.4 Các phép đo kiểm tra38 2.4.1 Thiết bị chụp SEM38 2.4.2 Thiết bị đo XRAY39 2.4.3 Thiết bị đo UV-Vis39 2.4.4 Thiết bị đo FTIR40 2.4.5 Thiết bị đo HRTEM40 Tài liệu tham khảo........................................................................................39 3DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mô tả cấu tạo pin nhiên liệu………………………………………………………………………………………….3 Hình 1.2 Hệ thống pin nhiên liệu……………………………………………………………………………………………………4 Hình 1.3 So sánh năng lượng của pin nhiên liệu với các năng lượng khác………………………….......9 Hình 1.4 Hình thái và cấu trúc dây nano bạc………….....................................................................................................17 Hình 1.5:Giản đồ minh họa phương pháp khuôn mềm điển hình đối với sự tổng hợp của những dây nano bạ…………………………………………………………………………………………………………………………18 Hình 1.6:Giản đồ minh họa mô hình có năm cạnh của dây nano bạc và MTP…………………….21 Hình 1.7 :Giản đồ mô hình của dây nano bạc…………………………………………………………………………..22 Hình 2.1 :Quy trình chế tạo chung……………………………………………………………………………………………..33 Hình 2.2 :Quy trình chế tạo dung dịch chứa dây nano bạc…………………………………………………….34 Hình 2.3 :Quy trình li tâm dung dịch chứa nano bạc………………………………………………………………35 Hình 2.4 :Quy trình phủ paladi lên dây nano bạc……………………………………………………………………36 Hình 2.5 :Quy trình trộn cacbon………………………………………………………………………………………………...37 Hình 2.6 Thiết bị chụp SEM………………………………………………………………………………………………………..38 Hình 2.7 Thiết bị đo Xray……………………………………………………………………………………………………………39 Hình 2.8 Thiết bị đo UV-Vis…………………………………………………………………………………………….................39 Hình 2.9 Thiết bị đo FTIR…………………………………………………………………………………………………………..40 Hình 2.10 Thiết bị chụp HRTEM……………………………………………………………………………………………….40 DANH MỤC VIẾT TẮT                   AFC DAFC DMFC MCFC PAFC PEMFC SOFC SEM TEM XRD UV-Vis CV GC GC-MS EG EtOH MeOH PVP : Pin nhiên liệu kiềm (Alkaline Fuel Cell). : Pin nhiên liệu trực tiếp từ rượu (Direct Alcohol Fuel Cell). : Pin nhiên liệu trực tiếp từ methanol (Direct Methanol Fuel Cell). : Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy (Molten Carbonate Fuel Cell). : Pin nhiên liệu acid phosphoric (Phosphoric Acid Fuel Cell). : Pin nhiênliệumàngtraođổi proton (Polymer Electrolyte Fuel Cell). : Pin nhiên liệu oxit rắn (Solid Oxid Fuel Cell). : Hiển vi điện tử quét (Scaning Electron Microscopy). : Hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy). : Nhiễu xạ tia X (X Ray Diffraction). : Quang phổkích thích electron (Ultraviolet–Visible spectroscopy). : Quét thế vòng tuần hoàn (Cyclic Voltametry). : Điện cực carbon thủy tinh (glassy carbon). : Sắc ký khí – khối lượng (Gas chromatography – mass spectroscopy). : Ethylene glycol. : Ethanol. : Methanol. : Polyvinylpyrrolidone. GIỚI THIỆU Thế giới công nghệ đang không ngừng sang tạo và phát triển, các sản phẩm điện tử,máy móc phục vụ đời sống con người ngày càng ra đời nhiều hơn. Do đó nhu cầu tiêu thụ năng lượng ngày càng tăng cao. Điện năng được sản xuất thủy điện, nhiệt điện, nhà máy điện hạt nhân… đối mặt với tình trạng mất mát năng lượng do quá trình sản xuất, ngoài ra còn gây nên nhiều vấn đề về môi trường và nguy hiểm đến tính mạng con người. Chính vì những nguyên nhân này, việc nghiên cứu để tìm ra các nguồn năng lượng thay thế, có khả năng tái tạo và thân thiện với môi trường đã và đang trở thành vấn đề cấp bách cho nhiều quốc gia. Trong quá trình nghiên cứu,thế giới đã đạt được những thành công nhất định như sử dụng năng lượng gió, năng lượng mặt trời,... để phát điện với công suất cực kì cao. Tuy nhiên những nguồn năng lượng này lại phụ thuộc rất lớn vào điều kiện tự nhiên. Một trong những thành tựu mới nhất đó là việc chế tạo ra pin nhiên liệu. Pin nhiên liệu chuyển đổi trực tiếp năng lượng của nhiên liệu như là ethanol, methanol, axit fomic, H 2…thành điện năng. Các biến đổi này được thực hiện nhờ phản ứng điện hóa xảy ra trong pin. Pin nhiên liệu ra đời mang lại các ưu điểm tuyệt vời như là khả năng tái tạo tốt, thân thiện môi trường, tiện lợi. Bên cạnh đó, một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất và sự ổn định của pin là chất xúc tác điện hóa. Chính vì vậy, công cuộc tìm kiếm đổi mới và sang tạo chất xúc tác này được các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu. Và vật liệu nano có cấu trúc lõi bạc vỏ pladi mang lại nhiều niềm hi vọng trong lĩnh vực nghiên cứu năng lượng.  Mục tiêu nghiên cứu - Xây dựng quy trình điều chế dây nano bạc - Xây dựng quy trình phủ paladi lên dây nano bạc - Đánh giá khả năng làm vật liệu xúc tác anot trong pin nhiên liệu etanol trực tiếp - Nội dung nghiên cứu - Tổng hợp dây nano bạc phủ paladi bằng phương pháp polyol. - Khảo sát ảnh hưởng của tỉ lệ mol Pd : Ag đến quá trình hình thành và tính chất của sản phẩm - Khảo sát hoạt tính xúc tác điện hóa cho phản ứng oxi hóa etanol trong môi trường kiềm  Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp đọc hiểu và tổng hợp tài liệu để tìm hiểu tổng quan về pin nhiên liệu, vật liệu nano 1 chiều, phương pháp polyol… 1 - Phương pháp tổng hợp: Phương pháp polyol trong môi trường etylen glycol, phương pháp galvanic - Các phương pháp đánh giá đặc trưng vật liệu như SEM, TEM, XRD… - Các phương pháp tính toán : thống kê, phân tích số liệu đo đạc 2 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU 1.1 Tổng quan về pin nhiên liệu 1.1.1 Khái niệm về pin nhiên liệu Pin nhiên liệu là một hệ thống dùng để biến đổi trực tiếp hóa năng thành điện năng bằng quá trình oxy hóa nguyên liệu. Thành phần nguyên liệu trong pin nhiên liệu bao gồm nguồn cung cấp ion như: hydro (H 2), metan (CH4), metanol (CH3OH), etanol (C2H5OH)…và oxy lấy từ không khí. Sản phẩm của quá trình chuyển hóa này gồm có nhiệt, điện năng, nước và khí cacbonic. Sau đây là một hệ thống đơn giản của pin nhiên liệu: Hydro, metanol.. oxy Pin nhiên liệu Điện + cacbonic nước Như đã nói ở trên, pin nhiên liệu biến đổi trực tiếp hóa năng thành điện năng thông qua phản ứng H2 + O2 H 2O + dòng điện, nhờ tác động của những chất xúc tác như: màng platin nguyên chất, hỗn hợp platin với kim loại khác và một số chất điện phân như kiềm, muối cacbonat, oxit rắn… bản chất thực sự của nó tương tự như pin điện hóa. 1.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu Sau đây là một hệ thống pin nhiên liệu cơ bản: 3 Hình 1.1 Mô tả cấu tạo pin nhiên liệu 1.1.2.1 Cấu tạo Một hệ thống pin nhiên liệu gồm có hai điện cực là anot (nơi xảy ra quá trình oxy hóa) và catot (nơi xảy ra quá trình khử). Thông thường hai điện cực được làm từ những chất có khả năng dẫn điện cao như những kim loại hoặc cacbon. Ở giữa hai điện cực là chất điện giải (Electrolyte), nó có tác dụng giúp vận chuyển nhanh các ion từ điện cực này sang điện cực kia. Chất điện giải có nhiều loại như axit, kiềm và cả muối nóng chảy tương ứng với chúng là các dạng rắn, lỏng hay cấu trúc màng. Loại màng được dùng là Nafion với mục đích để cho các ion thích hợp đi qua. Tùy vào mục đích và thời đại, người ta sẽ chọn ra loại tối ưu nhất. Ngoài ra còn một lớp xúc tác giúp tăng tốc độ phản ứng. Chất xúc tác có thể được đặt ở giữa dung dịch điện phân và các điện cực. Trường hợp khác, người ta có thể dùng nó trực tiếp như một điện cực hoặc phủ trên bề mặt của điện cực tùy thuộc vào từng loại pin nhiên liệu khác nhau. Chất xúc tác không chỉ có tác dụng làm tăng tốc độ phản ứng mà còn làm giảm đi năng lượng hoạt hóa của quá trình hóa học. Thông thường, người ta dùng platin hoặc các hợp kim của platin với kim loại như Ni, Ru, Co…, làm chất xúc tác. 1.1.2.2 Nguyên lý hoạt động Tuy có nhiều loại pin nhiên liệu khác nhau nhưng nhìn chung nguyên lý hoạt động của chúng đều có chung những nét tương đồng như: Nhiên liệu đi vào ở cực âm (Anot), nơi đây sẽ diễn ra quá trình oxy hóa để tạo thành các ion hydro (H+) và electron (e-). Khi tiếp xúc với lớp màng nơi điện cực thì chỉ duy nhất các ion hydro hay còn gọi là proton đi xuyên trực tiếp từ anot sang catot, còn các electron thì bị giữ lại và phải đi theo 4 một hệ thống dây dẫn để qua catot. Chính do sự di chuyển như vậy mà sinh ra dòng điện một chiều. Dòng điện này sẽ di chuyển tử catot sang anot, vì vậy nên gọi catot là cực dương còn anot là cực âm. Cũng trong thời gian đó, khí oxy được lấy từ không khí cũng đi vào cực dương (Catot). Sau khi tiến đến gần cực dương khí oxy này sẽ tiếp xúc và nhận các electron để hình thành nên các ion oxy (O 2-). Tùy vào từng loại pin nhiên liệu mà các ion oxy này có thể sử dụng với mục đích khác nhau. Chúng có thể trực tiếp tác dụng với ion hydro ở cực dương để tạo thành nước, hoặc đi xuyên qua lớp màng ở điện cực dương tiến đến các ion hydro ở cực âm và tạo ra nước. Ở một số pin nhiên liệu sử dụng nguồn nhiên liệu là Metanol (CH3OH), Metan (CH4) thì sản phẩm cuối được tạo ra có thêm Cacbonic (CO2). Nhưng lượng khí Cacbonic được tạo ra thấp hơn rất nhiều lần so với lượng khí này thải ra ở động cơ đốt trong. 1.1.3 Hệ thống pin nhiên liệu Hình 1.2 Hệ thống pin nhiên liệu Các bộ phận chính trong một hệ thống pin nhiên liệu bao gồm: 5 + Bộ xử lý nhiên liệu (Fuel Processor): bộ xử lý này có tác dụng chuyển đổi những khí hay những dạng nhiên liệu lỏng hoặc thành nguồn nguyên liệu thích hợp cho quá trình hoạt động của pin. Ngoài ra, khi có bộ xử lý này chúng ta có thể yên tâm hơn về nguồn nhiên liệu vì khi qua bộ xử lý sẽ loại bỏ đi thành phần có hại và làm sạch nguồn nhiên liệu hơn. + Thiết bị biến đổi năng lượng (Power Section): thiết bị này dùng để biến nguồn hóa năng thành điện năng. Cấu tạo của bộ phận này gồm nhiều hệ thống pin nhiên liệu đơn được nối ghép với nhau còn gọi là cụm pin nhiên liệu (Fuel cell stacks). + Bộ điều hòa công suất (Power conditioner): dòng điện được tạo ra trong pin nhiên liệu không thể sử dụng trực tiếp cho tải điện được nhưng cần phải có một thiết bị chuyển hóa thành dòng điện trước khi sử dụng. Ngày nay, người ta thường dùng bộ nghịch lưu để chuyển từ dòng một chiều thành dòng xoay chiều để sử dụng. + Bộ phận thu hồi nhiệt được lắp đặt nhằm mục đích tận dụng triệt để lượng nhiệt được sinh ra trong pin nhiên liệu. Chúng có thể được dùng để làm nóng nước hoặc tiếp tục chuyển thành điện năng thông qua các turbin hay một thiết bị nào có chức năng tương tự. Ngoài những thiết bị được kể trên còn một số thiết bị phụ chưa được kể như: hệ thống xử lý độ ẩm, nhiệt độ, áp suất khí và cả nước thải khi qua pin nhiên liệu. Một số yếu tố cần quan tâm khi thiết kế một hệ thống pin nhiên liệu là loại pin nhiên liệu, loại nhiên liệu, điều kiện làm việc và lĩnh vực sử dụng. 1.1.4 Phân loại pin nhiên liệu [1] Người ta phân loại pin nhiên liệu theo điện cực hoặc chất xúc tác nhưng thông dụng nhất vẫn là theo loại chất điện giải. Sau đây là một số loại pin nhiên liệu rất phổ biến: 1.1.4.1 Pin nhiên liệu axit phosphoric (Phosphoric acid fuel cell - PAFC) PAFC xuất hiện và phát triển vào những năm 1970, sử dụng chất điện giải là axit photphoric (H3PO4). Các điện cực được làm từ giấy cacbon với một lớp màng Platin được phủ trên bề mặt. Hiệu suất pin nằm trong khoảng từ 40 - 80% và nhiệt độ làm việc khá cao từ 120 – 250oC. Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực: 6 + − Trên catot: O2 + 4 H + 4 e →2 H 2 O + − Trên anot: 2 H 2 → 4 H + 4 e Tổng quát: 2 H 2 +O 2 →2 H 2 O + điện năng + nhiệt năng. 1.1.4.2 Pin nhiên liệu cacbon nóng chảy (Molten carbonate fuel cell - MCFC) MCFC có hiệu suất làm việc cao nhất trong các loại pin như SOFC, PEMFC và PAFC. Hiệu suất thông thường của nó là 60% nhưng nếu ta tận dụng tất cả các lượng nhiệt sinh ra thì hiệu suất có thể lên tới 85%. Ngoài hiệu suất cao thì nhiệt độ làm việc cũng cao không kém là từ 600 – 700 oC. Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực: − 2− Trên catot: 2CO 2 +O 2 + 4 e →2 CO 3 2− − Trên anot: 2CO 3 +2 H 2 → 2 H 2 O+ 2CO 2 +4 e Tổng quát: 2 H 2 +O 2 → 2 H 2 O + điện năng + nhiệt năng. 1.1.4.3 Pin nhiên liệu kiềm (Alkaline fuel cell - AFC) AFC là loại pin nhiên liệu được chế tạo và phát triển sớm nhất. Nó đã được ứng dụng trong chương trình không gian của NASA nhằm tạo ra điện và nước phục vụ trên những con tàu vũ trụ. Chất điện giải được sử dụng trong loại pin này là kali hydroxit (KOH), nhiệt độ làm việc thấp khoảng từ 65 – 220oC nhưng nhiệt độ điển hình là 70 oC. Do nhiệt độ làm việc thấp nên ta không cần thiết dùng Platin, một kim loại quý hiếm và mắc tiền làm chất xúc ta nhưng có thể dùng Nikel (Ni) thay thế. Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực: − − Trên catot: O2 +2 H 2 O+4 e → 4 OH − − Trên anot: 2 H 2 +4 OH →4 H 2 O+ 4 e Tổng quát: 2 H 2 +O 2 →2 H 2 O + điện năng + nhiệt năng. 1.1.4.3 Pin nhiên liệu màng trao đổi prton (Proton exchange membrance fuel cell PEMFC) PEMFC xuất hiện vào những năm 1980. Điểm khác biệt so với các loại pin nhiên liệu khác là việc nó sử dụng chính lớp màng rắn có tính axit và nước làm chất điện giải với điện cực làm bằng 7 Platin. Hiệu suất pin nằm trong khoảng từ 40 - 50% và nhiệt độ làm việc dưới 120 oC. Nguồn nguyên liệu chính sử dụng là hydro nguyên chất. Ngoài ra, chúng ta còn biết thêm một dạng khác của PEMFC nhiệt độ cao nhờ thay thế nước bằng một dung dịch axit-bazơ vô cơ. Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực: + − Trên catot: O2 + 4 H + 4 e →2 H 2 O + − Trên anot: 2 H 2 →4 H + 4 e Tổng quát: 2 H 2 +O 2 → 2 H 2 O + điện năng + nhiệt năng. 1.1.4.4 Pin nhiên liệu ethanol trực tiếp (Direct ethanol fuel cell - DEFC) DEFC xuất hiện cùng một thời điểm với PEMFC và nó cũng có 2 dạng là kiểu axit và bazơ. Nếu ở kiểu axit CO2 được lấy ra ngoài hết thì ở kiểu bazơ CO2 vẫn còn giữ lại bởi natri hoăc kali hydroxit ở dạng cacbonat trung tính. Nhiệt độ làm việc khoảng 27 - 120oC. Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực: + − Trên anot: C 2 H 5 OH + H 2 O → 2CO 2 +8 H +8 e Trên catot: 2O 2 +8 H + 8 e →4 H 2 O + − Tổng quát: C2 H 5 OH +2 O 2 →2CO 2 +4 H 2 O + điện năng + nhiệt năng. 1.1.4.5 Pin nhiên liệu oxit rắn (Solid oxide fuel cell - SOFC) Vào những năm 1990, một sự chuyển giao công nghệ đã hình thành từ loại pin PEMFC vẫn đang thịnh hành sang SOFC, một loại pin có chất điện giải hoàn toàn mới. Chất điện giải của pin là những lớp gốm nặng, không thấm (phổ biến nhất là loại oxit bazơ của Zirconi. Với chất điện giải là một loại oxit rắn nên nhiệt độ làm việc khá cao từ 600 – 1000 oC. Hiệu suất pin nằm trong khoảng từ 70%. SOFC có thể chia thành 3 loại dựa trên cấu hình phẳng, đồng phẳng và vi ống. Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực: 3 O2 +6 H + +6 e− →3 H 2 O Trên catot: 2 8 + − Trên anot: CH 3 OH + H 2 O →CO 2 +6 H +6 e 3 CH 3 OH + O2 →CO 2 +2 H 2 O 2 Tổng quát: + điện năng + nhiệt năng. 1.1.5 Các yếu tố ảnh huởng đến quá trình làm việc của pin [4] 1.1.5.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ Sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến sự thay đổi điện thế trong pin nhiên liệu. Nếu nhiệt độ càng cao thì điện thế của quá trình càng cao và ngược lại. Ngoài ra khi nhiệt độ tăng sẽ ảnh hưởng đến lượng nhiên liệu nhập liệu vào đồng thời cũng làm giảm điện trở của pin. Do khi nhiệt độ tăng tính dẫn điện của kim loại giảm trong khi tính dẫn ion của chất điện phân lại tăng. 1.1.5.2Ảnh hưởng của độ ẩm Một chú ý đã nói ở trên là lượng nước được sử dụng trong pin rất quan trọng trong việc hydrat lớp màng nhưng khi lượng nước này cung cấp không đủ thì một vấn đề có thể xảy ra là lớp màng (Nafion) sẽ bị nứt, nghiêm trọng hơn có thể bị thủng. Từ đó sẽ kéo theo rất nhiều hệ lụy như là sự ngắt mạch hóa học, gây nóng cục bộ thậm chí màng dễ bị cháy. Tuy nhiên nếu lượng nước quá nhiều cũng không tốt. Nó sẽ dễ dàng ngưng tụ trên lớp khuếch tán khiến xảy ra một hiện tượng mà người ta quen gọi là sự đảo chiều pin. Khi hiện tượng này xảy ra đi kèm với nó là sự tăng nhiệt, chính việc này sẽ làm hỏng pin. 1.1.5.3 Ảnh hưởng của áp suất Cũng giống như ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt động của pin thì áp suất cũng ảnh hưởng tương tự. Như chúng ta đã biết thì giữa hai đại lượng này có mối quan hệ tỷ lệ thuận với nhau. Nên khi áp suất tăng thì nhiệt độ cũng tăng dẫn đến điện thế của quá trình cũng tăng. Ngoài việc làm tăng điện thế khi áp suất cao còn giúp cho các phân tử hydro và oxy tiến đến sát với chất xúc tác hơn. 1.1.5.4 Ảnh hưởng của chất mang Như chúng ta đã biết đối với pin thì việc dùng chất xúc tác rất quan trọng. Tuy nhiên để đạt được hiệu suất tốt nhất thì vấn đề cần quan tâm là kích thước của hạt xúc tác. Thông thường về lĩnh vực xúc tác thì kích cỡ người ta luôn mong muốn phải nhỏ khoảng từ 2-3 nanomet. Đặc điểm của hạt nano là rất nhỏ nên chúng có khuynh hướng là kết tụ lại (do lực hút tĩnh điện) thành những đám lớn, 9 cộng thêm khả năng ăn mòn điện cực trong quá trình làm việc sẽ ảnh hưởng lớn về mặt xúc tác. Một phương pháp rất hữu hiệu hiện nay để giải quyết vấn đề này là việc gắn trực tiếp những hạt xúc tác lên bề mặt của chất mang. Những chất mang thông thường được cấu tạo từ carbon và một số hợp chất của nó. 1.1.6 Một số ưu nhược điểm của pin nhiên liệu [5,6] 1.1.6.1 Ưu điểm Pin nhiên liệu có khả năng gây ô nhiễm môi trường thấp hơn rất nhiều so với những động cơ nhiệt. Nguyên nhân này có thể được giải thích do nguồn nguyên liệu “sạch” là hydro nên khi tạo ra sản phẩm chỉ là nhiệt và nước. Hơn nữa, nếu nguyên liệu đầu vào là metanol thì sản phẩm có thêm một lượng khí cacbonic nhưng lượng này khá nhỏ để có thể gây ô nhiễm môi trường. Hiệu suất làm việc của pin nhiên liệu cao (trên 50%) so với những thiết bị sản xuất điện khác. Đối với các động cơ nhiệt, chẳng hạn như động cơ đốt trong và tua bin khí, năng lượng hóa học được chuyển thành nhiệt bằng cách đốt cháy và sử dụng nhiệt này để làm công có ích, hiệu suất nhiệt động học của chúng bị giới hạn bởi hiệu suất nhiệt của chu trình Catot. Còn đối với pin nhiên liệu thì không có quá trình cháy tạo nhiệt nên không bị giới hạn bởi chu trình Catot thêm vào đó nó còn hoạt động ở nhiệt độ thấp. Hình 1.3 So sánh năng lượng của pin nhiên liệu với các năng lượng khác 10 Sử dụng pin nhiên liệu giúp ta tiết kiệm được nhiều chi phí về nguồn nguyên liệu hơn. Như ta biết thì nguồn nguyên liệu chính là khí hydro và oxy có sẵn trong không khí, cao hơn nữa cũng là metanol, etanol nếu so với những nguồn nguyên liệu hóa thạch mà các thiết bị sản xuất điện khác sử dụng thì không đáng kể. Nhất là khi mà nguồn nguyên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và chi phí trên thị trường luôn biến động thất thường. Sử dụng pin nhiên liệu có thể giúp chúng ta chủ động hơn trong việc tạo ra điện ở mọi nơi mọi lúc khi ta cung cấp đầy đủ nhiên liệu. Trong khi với những hệ thống dùng gió hay năng lượng mặt trời thì rất thụ động trong vấn đề này. Việc sử dụng pin nhiên liệu cũng giúp chúng ta giảm thiểu đi lượng tiếng ồn sinh ra. Như mô hình tổng quát về pin thì chúng không sử dụng động cơ nhưng chỉ với hai điện cực để thực hiện quá trình oxy hóa nguyên liệu. Pin nhiên liệu được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực bệnh viện, các phương tiện vận chuyển, trạm không gian, khách sạn, các nhu cầu sinh hoạt của con người…. 1.1.6.2 Nhược điểm Hiện nay chúng ta cũng đang gặp khó khăn trong việc xây dựng cơ sở hạ tầng để phục vụ cho việc tiếp nhiên liệu cho hệ thống pin. Một vấn đề khác khiến nhiều người chưa mạnh dạn sử dụng pin nhiên liệu là do tuổi thọ của nó chưa cao, còn phụ thuộc nhiều vào độ bền của chất xúc tác và màng trao đổi proton. Quá trình oxy hóa không hoàn toàn ở anod tạo ra các sản phẩm như: acid, anhydric...hoặc sản phẩm CO gây ngộ độc xúc tác làm giảm hiệu suất pin nhiên liệu. Giá thành của pin đắt hơn so với động cơ truyền thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch 1.1.7 Tình hình nghiên cứu và hướng phát triển pin nhiên liệu [2] Nhờ những ưu điểm của pin nhiên liệu, các nhà khoa học ở Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung đã tập trung vào nghiên cứu đề tài này và đạt được nhiều thành tích đáng kể. Tạo ra nhiều loại khác nhau:loại dùng để cấp điện cho các thiết bị lớn như trạm không gian, xe ô tô; loại dùng cấp điện cho các thiết bị cầm tay như máy tính xách tay, điện thọai di động.... 11 Các chuyên gia trong lĩnh vực pin nhiên liệu đã tin tưởng rằng, trong những năm sắp tới đây sẽ sản xuất được pin nhiên liệu quy mô thương mại dùng cho ôtô và trạm phát điện phục vụ sinh hoạt và thương mại với một số kết quả nghiên cứu trong việc làm tăng hiệu suất và giảm giá thành pin. Một nhược điểm lớn nữa mà các nhà khoa học gặp phải khi sử dụng là chi phí cho một hệ thống pin nhiên liệu rất cao. Giá thành pin nhiên liệu cao nguyên nhân chính là do chất xúc tác được chế tạo bằng các kim loại quý và cực kì khó kiếm, điển hình nhất chính là kim loại Platium. Sở dĩ người ta chọn Platium để làm xúc tác bởi chúng cũng đáp ứng 2 tiêu chí xúc tác trong công nghiệp sản xuất pin nhiên liệu: hiệu quả cao và ổn định. Ngoài ra, Platium là kim loại quý bởi chúng rất khan hiếm trên thị trường. Nhờ một số đặc thù mà Platium là nguyên liệu để chế tạo ra những món đồ trang sức với tính thẩm mỹ cao. Với tất cả những lý do trên, nếu sử dụng Platium làm xúc tác trong pin nhiên liệu thì việc tốn rất nhiều chi phí là một điều dễ hiểu. Ngoài ra xúc tác Platium sử dụng trong pin nhiên liệu vẫn có phát sinh ra các mặt hạn chế khác : Đối với các loại pin sử dụng nhiên liệu là các ancol, quá trình oxy hóa ancol tại điện cực pin lại sản sinh ra sản phẩm phụ chính là carbon monoxide (CO), các phân tử CO được hình thành sẽ bám lên bề mặt Platium ngăn cản quá trình oxy hóa tiếp diễn, dẫn đến làm giảm bề mặt tiếp xúc, pin hoạt động không ổn định và cuối cùng giảm hiệu suất pin. Do đó, có rất nhiều quá trình nghiên cứu để tìm cách thay thế Platium bằng các vật liệu khác để hạn chế ảnh hưởng CO, tăng độ ổn định và giảm giá thành pin nhiên liệu. Các nhà hóa học thuộc Đại học Brown (USA) đã tạo ra hạt nano chỉ gồm có lõi và vỏ hạt từ một lượng rất nhỏ platin nhưng hoạt động hiệu quả hơn và duy trì tuổi thọ dài hơn so với các loại xúc tác platin thuần túy hiện có trên thị trường. Trong các thí nghiệm khác, người ta sử dụng palladi hay kết hợp các hạt nano sắt – platin có khả năng tạo ra dòng điện gấp 12 lần so với các loại xúc tác platin cổ điển với cùng lượng xúc tác; thời gian sử dụng cũng dài hơn gấp 10 lần (chu kỳ 10.000 vòng so với 1.000 vòng của các mẫu pin hiện nay).Nhóm nghiên cứu cũng cho biết, kích thước vỏ hợp kim sắt – platin có thể dao động trong khoảng 1 – 3 nm, tuy nhiên theo kết quả thu được từ các thí nghiệm, kích thước 1nm cho hiệu quả phản ứng tốt nhất. Vật liệu nano được đánh giá là chất xúc tác tốt cho các phản ứng hóa học diễn ra trong pin nhiên liệu. Nhờ kích thước rất nhỏ, cùng tỉ số "bề mặt-thể tích" lý tưởng, vật liệu nano giúp các phản ứng 12 hóa học xảy ra nhanh hơn. Bên cạnh đó, vật liệu nano cũng chứng minh được tính bền vững – một tính chất rất quan trọng của chất xúc tác trong công nghiệp sản xuất nhiên liệu. Hơn nữa, với cùng một phản ứng hóa học, sẽ tốn ít chất xúc tác hơn khi sử dụng vật liệu nano. Một số nghiên cứu cho thấy các kim loại quý như bạc, vàng, platinum phản ứng tốt, cho hiệu quả cao và ổn định ở kích thước nano. Paladi được coi là một kim loại tiềm năng do có những tính chất hóa-lí gần như tương tự platin nhưng giá thành rẻ hơn rất nhiều, do đó Pd có thể thay thế Pt khi hợp kim hóa với các kim loại khác. Mặc dù chi phí thấp hơn Pt nhiều lần,nhưng các nghiên cứu lại chỉ ra rằng khả năng xúc tác của Pd thấp hơn nhiều lần so với Pt, do đó hiện nay chủ yếu các nghiên cứu tập trung tìm ra loại vật liệu tổ hợp chứa Pd. Trong một thí nghiệm, khi tiến hành hợp kim hóa Pd với các kim loại Ag, Au, Ru thì thu được hoạt tính điện hóa khá khả quan, cải thiện nhiều so với chỉ dùng Pd tinh khiết. Theo các kết quả khác nhau của quá trình nghiên cứu chỉ ra rằng hoạt tính xúc tác của vật liệu Ag-Pd cấu trúc nano với lõi là Ag và vỏ là Pd đã tạo ra một vật liệu có tính ổn định và có khả năng hấp thụ CO tốt hơn Pd đơn lẻ và giá thành cũng rẻ hơn Pt rất nhiều. Do đó, việc tiếp tục nghiên cứu để đưa ra quy trình chế tạo tối ưu cũng như đánh giá một cách kỹ lưỡng về loại xúc tác cấu trúc lõi-vỏ này là hết sức cần thiết. 1.2 Tổng quan về vật liệu nano và xúc tác nano [3] 1.2.1 Vật liệu nano 1.2.1.1 Khoa học nano Là ngành khoa học nghiên cứu về các hiện tượng và vận dụng vào các vật liệu tại các quy mô nguyên tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn. 1.2.1.2 Công nghệ nano: Là việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị, và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước tính bằng nanomet 1.2.1.3 Vật liệu nano Là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Kích thước của vật liệu nano trải dài một khoảng khá rộng, từ vài nm đến vài trăm nm. 1.2.1.4. Tính chất chung vật liệu nano [7] 13 Hạt nano được phân loại bởi những đặc điểm: (i) bề mặt của nguyên tử lớn, (ii) năng lượng bề mặt lớn (iii) không gian giới hạn và (iv) sự giảm khuyết tật [8] Các hạt nano có thể có tính chất đó như sau: - Hạt nano có thể có một nhiệt độ nóng chảy hoặc nhiệt độ chuyển pha thấp. Việc hạ thấp điểm nóng chảy được giải thích do năng lượng bề mặt gia tăng với kích thước giảm. Nhưng việc xác định nhiệt độ nóng chảy của các hạt nano vẫn không dễ dàng, tuy nhiên, có thể để thực hiện qua thực nghiệm để xác định ảnh hưởng của kích thước lên nhiệt độ nóng chảy của các hạt nano. Ví dụ, điểm nóng chảy của vàng khối là 1337 K và giảm nhanh chóng khi kích thước các hạt nano dưới 5nm. - Tính chất cơ học của các hạt nano có thể đạt được độ bền theo lý thuyết. Việc tăng cường độ bền cơ học đơn giản chỉ là do giảm xác suất khuyết tật. Theo thực nghiệm cho thấy độ bền và độ cứng của các kim loại cấu trúc nano phụ thuộc vào các phương pháp sử dụng để thay đổi kích thước hạt. Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về tính chất cơ học của các hạt nano khác nhau nhưng ảnh hưởng của kích thước hạt lên tính chất cơ học vẫn chưa rõ ràng. Ngoài ra còn nhiều yếu tố có thể tác động đáng kể lên các tính chất cơ học của vật liệu cấu trúc nano như sự biến dạng của các chất còn dư, các kích thước lỗ hổng và nội ứng suất. Ngoài ra cũng có nhiều nghiên cứu về các tính chất cơ học khác của vật liệu cấu trúc nano, chẳng hạn như mô đun Young, độ rão và tính dẻo, tuy nhiên sự ảnh hưởng của kích thước lên các tính chất này vẫn chưa được chắc chắn. - Tính chất quang học của hạt nano có thể có sự khác biệt đáng kể so với các tinh thể ở dạng khối. Dựa vào sự ảnh hưởng của kích thước có thể phân loại thành hai nhóm. Nhóm thứ nhất liên quan đến tăng khoảng cách giữa các mức năng lượng làm hệ thống trở nên bị hạn chế và ngoài ra còn liên quan đến cộng hưởng plasmon bề mặt. Cộng hưởng Plasmon bề mặt là kích thích của tất cả các điện tử tự do trong vùng dẫn, dẫn đến sự dao động cùng pha. Khi kích cỡ của một hạt nhỏ hơn bước sóng của bức xạ tới thì sẽ tạo ra sự cộng hưởng plasmon. Do sự cộng hưởng plasmon bề mặt nên các hạt nano kim loại có thể có các màu sắc khác nhau khi thay đổi kích thước. Ví dụ, keo hạt nano vàng thường là màu đỏ (khi kích thước hạt nhỏ hơn 100 nm). - Độ dẫn điện giảm khi kích thước giảm. Những ảnh hưởng của kích thước lên độ dẫn điện của các hạt nano là khá phức tạp vì nó dựa trên cách thức riêng. - Từ tính của vật liệu cấu trúc nano có sự khác biệt đáng kể với vật liệu dạng khối. Khi kích cỡ hạt giảm xuống quy mô nanomet, do năng lượng bề mặt rất lớn nên tính sắt từ của vật liệu khối sẽ biến mất hay chuyển thành siêu thuận từ. - Tự làm sạch là một tính chất nhiệt động lực nội tại của cấu trúc nano và vật liệu nano. Khi có xử lý nhiệt sẽ đẩy mạnh sự khuếch tán của các tạp chất, khuyết tật về cấu trúc nội tại và sự di chuyển, do đó dễ dàng đẩy chúng sang bề mặt bên cạnh. Tăng cường hoàn thiện có ảnh hưởng đáng kể đến tính 14
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan