Tài liệu Tổng hợp vật liệu nano cấu trúc lõi vỏ platinum ruthenium cho xúc tác điện cực pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------ NGUYỄN VĂN PHI THÒN NGUYỄN NGỌC BÌNH TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO CẤU TRÚC LÕI-VỎ PLATINUM-RUTHENIUM CHO XÚC TÁC ĐIỆN CỰC PIN NHIÊN LIỆU DÙNG METHANOL TRỰC TIẾP LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH HÓA HỌC 2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------ NGUYỄN VĂN PHI THÒN NGUYỄN NGỌC BÌNH TỔNG HỢP VẬT LIỆU NANO CẤU TRÚC LÕI-VỎ PLATINUM-RUTHENIUM CHO XÚC TÁC ĐIỆN CỰC PIN NHIÊN LIỆU DÙNG METHANOL TRỰC TIẾP LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH HÓA HỌC CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Ths. ĐẶNG LONG QUÂN 2014 Trường Đại Học Cần Thơ Khoa Khoa học Tự Nhiên Bộ môn: Hóa học Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ------ NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN Cán bộ hướng dẫn: Ths. Đặng Long Quân Tên đề tài: Tổng hợp vật liệu nano cấu trúc lõi-vỏ platinum-ruthenium cho xúc tác điện cực pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp. Sinh viên thực hiện: 1. Nguyễn Văn Phi Thòn Lớp Hóa học – Khóa 37 MSSV: 2111977 2. Nguyễn Ngọc Bình Lớp Hóa học – Khóa 37 MSSV: 2111900 Nội dung nhận xét: Nhận xét về hình thức luận văn tốt nghiệp: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Nhận xét về nội dung luận văn tốt nghiệp: Đánh giá nội dung thực hiện đề tài: ………………………………………….. ………………………………………………………………………………… Những vấn đề còn hạn chế: …………………………………………..……… ………………………………………………………………………………… Nhận xét đối với sinh viên thực hiện đề tài: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Kết luận, đề nghị và điểm: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2014 Cán bộ hướng dẫn Đặng Long Quân Trường Đại Học Cần Thơ Khoa Khoa học Tự Nhiên Bộ môn: Hóa học Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ------ NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Cán bộ phản biện: ……………………………………………………………. Tên đề tài: Tổng hợp vật liệu nano cấu trúc lõi-vỏ platinum-ruthenium cho xúc tác điện cực pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp. Sinh viên thực hiện: 1. Nguyễn Văn Phi Thòn Lớp Hóa học – Khóa 37 MSSV: 2111977 2. Nguyễn Ngọc Bình MSSV: 2111900 Lớp Hóa học – Khóa 37 Nội dung nhận xét: Nhận xét về hình thức luận văn tốt nghiệp: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Nhận xét về nội dung luận văn tốt nghiệp: Đánh giá nội dung thực hiện đề tài: ………………………………………….. ………………………………………………………………………………… Những vấn đề còn hạn chế: …………………………………………..……… ………………………………………………………………………………… Nhận xét đối với sinh viên thực hiện đề tài: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Kết luận, đề nghị và điểm: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2014 Cán bộ phản biện Trường Đại Học Cần Thơ Khoa Khoa học Tự Nhiên Bộ môn: Hóa học Cộng Hòa Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ------ NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN Cán bộ phản biện: ……………………………………………………………. Tên đề tài: Tổng hợp vật liệu nano cấu trúc lõi-vỏ platinum-ruthenium cho xúc tác điện cực pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp. Sinh viên thực hiện: 1. Nguyễn Văn Phi Thòn Lớp Hóa học – Khóa 37 MSSV: 2111977 2. Nguyễn Ngọc Bình Lớp Hóa học – Khóa 37 MSSV: 2111900 Nội dung nhận xét: Nhận xét về hình thức luận văn tốt nghiệp: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Nhận xét về nội dung luận văn tốt nghiệp: Đánh giá nội dung thực hiện đề tài: ………………………………………….. ………………………………………………………………………………… Những vấn đề còn hạn chế: …………………………………………..……… ………………………………………………………………………………… Nhận xét đối với sinh viên thực hiện đề tài: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Kết luận, đề nghị và điểm: ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2014 Cán bộ phản biện Luận văn Đại học – Hóa học LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ths. Đặng Long Quân. Thầy đã hướng dẫn, giúp đỡ và luôn bên cạnh chúng em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Chúng em xin chân thành cám ơn quý Thầy, Cô thuộc bộ môn Hóa học – Khoa Khoa học Tự nhiên – Trường Đại học Cần Thơ, các Thầy, Cô đã truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt thời gian chúng em học tập tại trường, giúp chúng em tự tin hơn trong việc học tập và thực hiện luận văn. Chúng em xin gửi lời cám ơn đến các anh chị học viên cao học, các bạn thực hiện luận văn tại phòng thí nghiệm Hóa sinh 1 đã tận tình giúp đỡ chúng em trong quá trình thực hiện luận văn. Cuối cùng, xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến gia đình và người thân đã luôn động viên, quan tâm và ủng hộ chúng em trong suốt quá trình học tập. Xin chân thành cám ơn! Cần Thơ, ngày… tháng… năm 2014 Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Phi Thòn Nguyễn Văn Phi Thòn Nguyễn Ngọc Bình Nguyễn Ngọc Bình i 2111977 2111900 Luận văn Đại học – Hóa học TÓM TẮT Vật liệu xúc tác nano platinum – ruthenium được tổng hợp bằng phương pháp khử ion kim loại bằng hai chất khử là ethylene glycol và natri borohydride (NaBH4) trên nền carbon Vulcan và carbon nanotubes được tổng hợp. Chất xúc tác được đo phổ nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định thành phần cấu tạo. Xác định hình thái và sự phân bố của hạt nano bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Khảo sát tính chất điện hóa của chất xúc tác bằng phương pháp đo thế vòng tuần hoàn (CV). Qua đó đánh giá và tìm ra loại chất xúc tác tối ưu cho xúc tác điện cực pin nhiên liệu sử dụng methanol trực tiếp. Nguyễn Văn Phi Thòn Nguyễn Ngọc Bình ii 2111977 2111900 Luận văn Đại học – Hóa học LỜI CAM ĐOAN Chúng tôi xin cam kết luận văn này được hoàn thành dựa trên các kết quả nghiên cứu của chúng tôi và các kết quả của nghiên cứu này chưa được dùng cho bất cứ luận văn cùng cấp nào khác. Cần Thơ, ngày … tháng … năm 2014 Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Phi Thòn Nguyễn Văn Phi Thòn Nguyễn Ngọc Bình Nguyễn Ngọc Bình iii 2111977 2111900 Luận văn Đại học – Hóa học MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... i TÓM TẮT.......................................................................................................... ii LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................iii MỤC LỤC ........................................................................................................ iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... vi DANH MỤC HÌNH......................................................................................... vii DANH MỤC BẢNG ......................................................................................... x Chương 1 GIỚI THIỆU ..................................................................................... 1 1.1 Đặt vấn đề ................................................................................................ 1 1.2 Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................ 1 Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU ................................................................. 3 2.1 PIN NHIÊN LIỆU ................................................................................... 3 2.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của pin nhiên liệu.......................... 3 2.1.2 Đặc điểm chung của pin nhiên liệu................................................... 5 2.1.3 Phân loại pin nhiên liệu .................................................................... 7 2.1.4 Ưu và nhược điểm của pin nhiên liệu............................................. 11 2.1.5 Ứng dụng của pin nhiên liệu........................................................... 12 2.2 PIN NHIÊN LIỆU DÙNG METHANOL TRỰC TIẾP (DMFC)......... 15 2.2.1 Cấu tạo của DMFC ......................................................................... 16 2.2.2 Nguyên lý hoạt động của DMFC.................................................... 19 2.2.3 Ưu và nhược điểm của DMFC ....................................................... 21 2.3 XÚC TÁC ĐIỆN CỰC TRONG DMFC............................................... 21 2.3.1 Chất xúc tác có cấu trúc nano ......................................................... 21 2.3.2 Chất mang xúc tác .......................................................................... 22 2.3.3 Phương pháp chế tạo chất xúc tác .................................................. 25 2.3.4 Xúc tác điện cực DMFC ................................................................. 27 Chương 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ THỰC NGHIỆM .............. 31 3.1 DỤNG CỤ, THIẾT BỊ, VẬT LIỆU VÀ HÓA CHẤT .......................... 31 Nguyễn Văn Phi Thòn Nguyễn Ngọc Bình iv 2111977 2111900 Luận văn Đại học – Hóa học 3.1.1 Dụng cụ, thiết bị ............................................................................. 31 3.1.2 Vật liệu, hóa chất ............................................................................ 32 3.2 THỰC NGHIỆM ................................................................................... 33 3.2.1 Chế tạo chất xúc tác trên nền Carbon Vulcan ................................ 33 3.2.2 Chế tạo chất xúc tác trên nền Carbon nanotubes (CNTs)............... 36 3.3 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CẤU TRÚC, TÍCH CHẤT CỦA CHẤT XÚC TÁC .................................................................................................... 40 3.3.1 Phân tích thành phần cấu tạo bằng phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) ...................................................................................................... 40 3.3.2 Xác định kích thước và sự phân bố hạt nano bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) ................................................................................ 42 3.3.3 Khảo sát tính chất điện hóa bằng phương pháp đo thế vòng tuần hoàn (CV) ................................................................................................ 42 Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................ 45 4.1 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CẤU TẠO CỦA MẪU......................... 45 4.2 XÁC ĐỊNH SỰ PHÂN BỐ CỦA HẠT NANO TRÊN NỀN CHẤT MANG ......................................................................................................... 47 4.3 KHẢO SÁT TÍNH CHẤT ĐIỆN HÓA CỦA CHẤT XÚC TÁC......... 52 Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................ 55 5.1 KẾT LUẬN............................................................................................ 55 5.2 KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 56 PHỤ LỤC ........................................................................................................ 58 Nguyễn Văn Phi Thòn Nguyễn Ngọc Bình v 2111977 2111900 Luận văn Đại học – Hóa học DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AFC Alkaline fuel cell: pin nhiên liệu kiềm CNTs Carbon nanotubes: ống carbon nano CV Phương pháp đo thế vòng tuần hoàn DMFC Direct methanol fuel cell: pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp DWNTs Double walled nanotubes: ống carbon nano vách đôi EG Dung dịch Ethylene glycol MCFC Molten carbonate fuel cell: pin nhiên liệu carbonate nóng chảy MEA Membrane electrode assembly: hệ màng điện cực MWNTs Multi walled nanotubes: ống carbon nano đa vách PAFC Phosphoric acid fuel cell: pin nhiên liệu acid phosphoric PEM Proton exchange membrane: màng trao đổi proton PEMFC Polymer electrolyte membrane fuel cell: pin nhiên liệu dùng màng polymer rắn làm chất điện giải Pt Platinum PtRu/C Vi hạt hợp kim Pt-Ru trên nền Carbon Vulcan PtRu/CNTs Vi hạt hợp kim Pt-Ru trên nền Carbon nanotubes Pt@Ru/C Vi hạt cấu trúc lõi-vỏ Pt-Ru trên nền Carbon Vulcan Pt@Ru/CNTs Vi hạt cấu trúc lõi-vỏ Pt-Ru trên nền Carbon nanotubes Ru Ruthenium Ru@Pt/C Vi hạt cấu trúc lõi-vỏ Ru-Pt trên nền Carbon Vulcan Ru@Pt/CNTs Vi hạt cấu trúc lõi-vỏ Ru-Pt trên nền Carbon nanotubes TEM Transmission Electron Microscope: kính hiển vi điện tử truyền qua XRD X-ray Diffraction: Phổ nhiễu xạ tia X Nguyễn Văn Phi Thòn Nguyễn Ngọc Bình vi 2111977 2111900 Luận văn Đại học – Hóa học DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Dự báo về xu hướng sử dụng nguồn nhiên liệu thế giới.................... 3 Hình 2.2 Thống kê lượng CO2 thải ra từ các lĩnh vực ..................................... 4 Hình 2.3 Các nguồn nguyên liệu có thể điều chế hydro ................................... 5 Hình 2.4 Cấu tạo của pin nhiên liệu.................................................................. 6 Hình 2.5 Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu hydro .................................. 7 Hình 2.6 Pin nhiên liệu dùng màng polymer rắn làm chất điện giải ................ 8 Hình 2.7 Pin nhiên liệu dùng acid phosphoric .................................................. 9 Hình 2.8 Pin nhiên liệu oxit rắn ........................................................................ 9 Hình 2.9 Pin nhiên liệu cacbonat nóng chảy................................................... 10 Hình 2.10 Pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp .......................................... 10 Hình 2.11 Khí thải ra từ các nhà máy khi sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch .......................................................................................................................... 11 Hình 2.12 So sánh tiêu chuẩn môi trường với lượng khí thải ra của PAFC ... 12 Hình 2.13 Máy bay sử dụng pin nhiên liệu của Đức ...................................... 13 Hình 2.14 Xe sử dụng pin nhiên liệu .............................................................. 13 Hình 2.15 Pin nhiên liệu cho điện thoại, máy vi tính ..................................... 14 Hình 2.16 Pin nhiên liệu siêu nhỏ ................................................................... 15 Hình 2.17 Cấu tạo của DMFC ........................................................................ 16 Hình 2.18 Ảnh SEM của màng trao đổi proton và điện cực trong DMFC ..... 17 Hình 2.19 Cấu trúc của lớp chất xúc tác ......................................................... 18 Hình 2.20 Cấu trúc hệ màng điện cực MEA................................................... 19 Hình 2.21 Các bước phản ứng trong quá trình oxy hóa methanol.................. 19 Hình 2.22 Nguyên lý hoạt động của DMFC ................................................... 20 Hình 2.23 Một số cấu trúc của carbon ............................................................ 23 Hình 2.24 Biểu đồ thể hiện khả năng xúc tác điện cực của một số kim loại .. 27 Hình 2.25 Sơ đồ phản ứng oxy hóa methanol với xúc tác Pt.......................... 28 Hình 2.26 Ảnh TEM của hai mẫu: PtRu/C (d ≈ 7nm); Pt/C (d ≈ 5-6 nm) ..... 29 Nguyễn Văn Phi Thòn Nguyễn Ngọc Bình vii 2111977 2111900 Luận văn Đại học – Hóa học Hình 2.27 Biểu đồ số lượng bài báo, tạp chí khoa học về hạt nano cấu trúc lõi – vỏ xuất bản qua từng năm............................................................................. 29 Hình 2.28 Ảnh TEM của chất xúc tác lõi – vỏ Ru@Pt................................... 30 Hình 2.29 Biểu đồ đo CV thể hiện khả năng xúc tác oxy hóa của các loại chất xúc tác trong dung dịch NaOH 0.5 M, CH3OH 1.0 M .................................... 30 Hình 3.1 Sơ đồ chế tạo Ru@Pt/C bằng phương pháp khử hai bước .............. 34 Hình 3.2 Sơ đồ chế tạo Pt@Ru/C bằng phương pháp khử hai bước .............. 35 Hình 3.3 Sơ đồ chế tạo PtRu/C ....................................................................... 36 Hình 3.4 Cấu trúc bền vững của CNTs ........................................................... 36 Hình 3.5 Sơ đồ hoạt hóa CNTs ....................................................................... 37 Hình 3.6 Sơ đồ chế tạo Ru@Pt/CNTs bằng phương pháp khử hai bước ....... 38 Hình 3.7 Sơ đồ chế tạo Pt@Ru/CNTs bằng phương pháp khử hai bước ....... 39 Hình 3.8 Sơ đồ chế tạo PtRu/CNTs ................................................................ 40 Hình 3.9 Máy nhiễu xạ tia X........................................................................... 41 Hình 3.10 Kính hiển vi điện tử truyền qua – JEM 1400 ................................. 42 Hình 3.11 Sơ đồ hệ đo thế tuần hoàn tuần hoàn (CV) .................................... 43 Hình 3.12 Thiết bị đo CV................................................................................ 43 Hình 3.13 Điện cực làm việc........................................................................... 44 Hình 4.1 Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu: a) Ru@Pt/C; b) Pt@Ru/C; c) PtRu/C; d) Tổng hợp ba mẫu......................................................................................... 45 Hình 4.2 Phổ nhiễu xạ tia X của mẫu: a) Ru@Pt/CNTs; b) Pt@Ru/CNTs; c) PtRu/CNTs; d) Tổng hợp ba mẫu .................................................................... 46 Hình 4.3 Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của mẫu Pt@Ru/C................ 47 Hình 4.4 Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của mẫu Ru@Pt/C................ 47 Hình 4.5 Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của mẫu PtRu/C ................... 48 Hình 4.6 Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của mẫu Pt@Ru/CNTs......... 48 Hình 4.7 Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của mẫu Ru@Pt/CNTs......... 48 Hình 4.8 Ảnh TEM và phân bố kích thước hạt của mẫu PtRu/CNTs............. 49 Hình 4.9 Ảnh HR-TEM của mẫu Pt@Ru/C.................................................... 49 Hình 4.10 Ảnh HR-TEM của mẫu Ru@Pt/C.................................................. 50 Nguyễn Văn Phi Thòn Nguyễn Ngọc Bình viii 2111977 2111900 Luận văn Đại học – Hóa học Hình 4.11 Ảnh TEM của mẫu Pt@Ru/CNTs.................................................. 50 Hình 4.12 Ảnh TEM của mẫu Ru@Pt/CNTs.................................................. 51 Hình 4.13 Ảnh TEM của mẫu PtRu/CNTs ..................................................... 51 Hình 4.14 Đường cong thế vòng tuần hoàn (CV) của các điện cực xúc tác trên nền carbon Vulcan ........................................................................................... 52 Hình 4.15 Đường cong thế vòng tuần hoàn (CV) của các điện cực xúc tác trên nền carbon nanotubes....................................................................................... 53 Nguyễn Văn Phi Thòn Nguyễn Ngọc Bình ix 2111977 2111900 Luận văn Đại học – Hóa học DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Các hóa chất sử dụng....................................................................32 Bảng 4.1: So sánh khả năng xúc tác oxy hóa methanol của các chất xúc tác trên nền carbon Vulcan.................................................................................53 Bảng 4.2 So sánh khả năng xúc tác oxy hóa methanol của các chất xúc tác trên nền carbon nanotubes……………………………………………………….54 Nguyễn Văn Phi Thòn Nguyễn Ngọc Bình x 2111977 2111900 Luận văn Đại học – Hóa học Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề Thời đại ngày nay, khoa học kỹ thuật phát triển không ngừng, nhu cầu nâng cao chất lượng cuộc sống của con người ngày càng tăng. Do đó, việc nghiên cứu về nguồn năng lượng lý tưởng đáp ứng tiến trình phát triển của nhân loại là vấn đề rất quan trọng. Trong khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt và đã bộc lộ nhiều khuyết điểm thì năng lượng tái tạo dần dần được nghiên cứu. Một trong những nguồn năng lượng tái tạo được xem là thân thiện với môi trường và có hiệu suất cao đó là pin nhiên liệu. Chỉ cần cung cấp nhiên liệu, pin nhiên liệu có thể tạo ra năng lượng điện. Ngoài ra, pin không sử dụng than hay dầu mỏ nên không phát sinh khí thải gây ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính. Điện từ pin nhiên liệu có thể sản xuất và cung cấp tại chỗ từng khu vực không cần dây dẫn và lưới điện tập trung. Với những ưu điểm đó, rất nhiều nhà khoa học trên thế giới đã và đang tập trung nghiên cứu cải tiến, phát triển nhằm tạo ra pin nhiên liệu có hiệu quả cao hơn. Đặc biệt là giảm giá thành để pin nhiên liệu có thể được áp dụng rộng rãi cả trong kỹ thuật và đời sống. Một trong các yếu tố chính dẫn đến giá pin nhiên liệu cao là do thành phần chất xúc tác trong pin là kim loại quý platinum (Pt). Để hạ giá thành thì cần thiết phải giảm đáng kể lượng Pt cần sử dụng bằng cách tạo hạt Pt có cấu trúc nano nhằm giảm lượng Pt đồng thời tăng hiệu quả xúc tác. Nhờ vào sự phát triển của khoa học công nghệ, chất xúc tác có kích thước nano phân tán trên nền carbon đã được chế tạo và chứng tỏ là chất xúc tác hiệu quả nhất cho các loại pin nhiên liệu sử dụng màng trao đổi proton, trong đó có pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp (DMFC). Gần đây, chất xúc tác hai thành phần trên nền vật liệu nano, đặc biệt là chất xúc tác nano cấu trúc lõi – vỏ trên nền carbon nanotubes (CNTs), ở các điện cực đã thể hiện được những ưu điểm vượt trội so với các xúc tác khác như: hiệu suất pin tăng lên đáng kể, mật độ công suất cao, thế bắt đầu cho quá trình oxy hóa thấp… Với ý nghĩa thực tiễn quan trọng ấy, chúng tôi đã thực hiện đề tài: “Tổng hợp vật liệu nano cấu trúc lõi-vỏ platinum-ruthenium cho xúc tác điện cực pin nhiên liệu dùng methanol trực tiếp”. 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Đề tài được thực hiện với mục tiêu nghiên cứu chế tạo chất xúc tác có cấu trúc lõi – vỏ cho pin nhiên liệu sử dụng methanol trực tiếp. Đồng thời Nguyễn Văn Phi Thòn Nguyễn Ngọc Bình 1 2111977 2111900 Luận văn Đại học – Hóa học khảo sát tính chất, cấu trúc của chất xúc tác được tổng hợp nhằm chứng minh được ưu điểm vượt trội của chất xúc tác có cấu trúc lõi – vỏ. Nguyễn Văn Phi Thòn Nguyễn Ngọc Bình 2 2111977 2111900 Luận văn Đại học – Hóa học Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 PIN NHIÊN LIỆU 2.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của pin nhiên liệu Năng lượng có vai trò quyết định đến sự phát triển của xã hội loài người, đó là điều đã được thực tế khẳng định. Hầu hết các nguồn năng lượng được cung cấp từ nhiên liệu hóa thạch (than, dầu mỏ và khí thiên nhiên). Đó là nguồn tài nguyên thiên nhiên quan trọng nhất của các thế kỷ qua và cho đến ngày nay. Nó cung cấp hơn 85% nhu cầu năng lượng cho sự vận hành của nền kinh tế: chủ yếu là bảo đảm nhu cầu điện năng, nhiệt năng và nhiên liệu động cơ cho mọi hoạt động của con người. Tuy vậy, việc sử dụng nguồn nhiên liệu này đang gặp phải những vấn đề cần phải giải quyết: - Nhu cầu năng lượng ngày càng tăng theo cấp số nhân do sự phát triển như vũ bão của thế giới (Hình 2.1). Trong khi đó, nguồn năng lượng hóa thạch không thể tái tạo được. Hơn nữa, trữ lượng các nguồn năng lượng này có hạn và sự cạn kiệt của chúng cũng đang được dự báo bởi nhiều tính toán khoa học. Hình 2.1 Dự báo về xu hướng sử dụng nguồn nhiên liệu thế giới [1] - Năng lượng hóa thạch bộc lộ những nhược điểm không thể tránh được trong quá trình sử dụng. Than, dầu mỏ và khí thiên nhiên đều là những hợp chất hữu cơ chứa carbon. Vì thế, nguồn nhiên liệu tiêu thụ càng nhiều kéo theo lượng khí cacbon dioxide (CO2) thải ra ngày càng tăng, gây hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu. Ngoài ra, rất nhiều chất độc hại có nguồn gốc từ tạp chất chứa trong nhiên liệu hóa thạch thải ra gây ô Nguyễn Văn Phi Thòn Nguyễn Ngọc Bình 3 2111977 2111900 Luận văn Đại học – Hóa học nhiễm môi trường, cũng như ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người. Theo thống kê năm 2000, ngành sản xuất năng lượng thải ra lượng khí CO2 nhiều nhất. Hình 2.2 Thống kê lượng CO2 thải ra từ các lĩnh vực [1] Hàng loại các giải pháp đã được thực hiện để giải quyết những vấn đề trên. Trong đó, việc tìm ra các nguồn năng lượng mới được xem là một yêu cầu quan trọng. Nổi bật trong các nguồn năng lượng tái tạo, hệ thống pin nhiên liệu sử dụng hydro được nghiên cứu phát triển mạnh bởi nhiều ưu điểm về hiệu suất, thuận tiện, thân thiện với môi trường... Hydro là nguồn năng lượng lý tưởng, có nhiệt năng riêng cao đồng thời không gây ô nhiễm môi trường. Mặt khác, như trên Hình 2.3, hydro có thể điều chế từ nhiều nguồn khác nhau nên không phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Từ đó, ý tưởng pin nhiên liệu sử dụng hydro ra đời. Nguyễn Văn Phi Thòn Nguyễn Ngọc Bình 4 2111977 2111900 Luận văn Đại học – Hóa học Than NL Sinh khối Hydro Nước Khí thiên nhiên Dầu mỏ Hình 2.3 Các nguồn nguyên liệu có thể điều chế hydro [1] Nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu được tìm ra từ năm 1802 nhưng mãi tới năm 1839 mới có được bước tiến quan trọng: sử dụng các điện cực bằng platinum có cấu trúc xốp và dung dịch điện phân là acid sulfuric. Đó là công trình của một nhà khoa học người Anh, William Robert Grove, ông đã chế tạo thành công pin nhiên liệu đầu tiên. Năm 1889, Ludwig Mond và Charles Langer đã thử nghiệm chế tạo ra pin nhiên liệu hoạt động khá tốt, sử dụng nguồn nhiên liệu là không khí và khí than đá công nghiệp. Cũng trong thời gian này, William White Jaques đã thành công với một loại pin nhiên liệu có dung dịch điện giải là acid phosphoric. Năm 1959, Francis T. Bacon đã chế tạo thành công pin nhiên liệu có công suất 5kW sử dụng điện cực bằng niken và chất điện giải kiềm. Pin nhiên liệu sử dụng trong chương trình Gemini được NASA phát triển vào năm 1965. NASA đã tập trung đầu tư kinh phí cho trên 200 hợp đồng nghiên cứu để hoàn thiện và khai thác pin nhiên liệu hydro cho chương trình không gian. Từ cuối năm 1980, pin nhiên liệu bắt đầu được mở rộng sang khu vực dân dụng và được các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu đến ngày nay. 2.1.2 Đặc điểm chung của pin nhiên liệu Ngày nay, nguồn điện di động được sử dụng phổ biến nhất là pin. Các phản ứng điện hóa trong pin sẽ tạo thành năng lượng điện nhưng khi nguồn nguyên liệu trong pin không còn thì các phản ứng này sẽ dừng lại và pin trở thành phế thải. Ngược lại, pin nhiên liệu chuyển hóa năng lượng từ phản ứng hóa học thành điện năng. Khi hệ thống được cung cấp nhiên liệu liên tục thì Nguyễn Văn Phi Thòn Nguyễn Ngọc Bình 5 2111977 2111900