Nghiên cứu sử dụng chitosan từ vỏ tôm làm chất điện ly cho siêu tụ điện

Trong nghiên cứu này, một loại vật liệu tổ hợp kích thước nano của graphene và NiCo2O4 có độ xốp cao được tổng hợp bằng phương pháp vi sóng và sản phẩm sử dụng làm vật liệu cho điện cực của siêu tụ điện. Hình dạng, kích thước, tính chất hóa lý của vật liệu được phân tích bằng kính hiển vi quét điện tử (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ photon tia X (XPS).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu sử dụng chitosan từ vỏ tôm làm chất điện ly cho siêu tụ điệnTạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sảnSố 1/2018THOÂNG BAÙO KHOA HOÏCNGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CHITOSAN TỪ VỎ TÔM LÀM CHẤT ĐIỆN LY CHOSIÊU TỤ ĐIỆNCHITOSAN FROM SHRIMP SHELLS AS AN ELECTROLYTE FOR SUPERCAPACITORSVõ Xuân Đại1, Phạm Anh Đạt1, Nguyễn Văn Hòa1Ngày nhận bài: 5/2/2018; Ngày phản biện thông qua: 18/4/2018; Ngày duyệt đăng: 27/4/2018TÓM TẮTSiêu tụ điện là thiết bị trữ năng lượng rất hiệu quả do khả năng nạp nhanh, dòng phóng lớn, an toàn vàthân thiện với môi trường. Trong nghiên cứu này, một loại vật liệu tổ hợp kích thước nano của graphene vàNiCo2O4 có độ xốp cao được tổng hợp bằng phương pháp vi sóng và sản phẩm sử dụng làm vật liệu cho điệncực của siêu tụ điện. Hình dạng, kích thước, tính chất hóa lý của vật liệu được phân tích bằng kính hiển vi quétđiện tử (SEM), kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), phổ nhiễu xạ tia X (XRD), phổ photon tia X (XPS). Đặcbiệt, chitosan chiết tách từ vỏ tôm được sử dụng làm chất điện ly rắn cho siêu tụ điện. Kết quả cho thấy vậtliệu thu được có độ xốp cao, các hạt NiCo2O4 có kích thước khoảng 30-50 nm được phân bố đều trên bề mặtcủa tấm graphene. Khi sử dụng vật liệu này làm điện cực cho siêu tụ điện thì hiệu quả lưu trữ năng lượng caohơn đáng kể so với tổ hợp graphene/NiO và graphene/Co3O4. Hơn nữa, chất điện ly chitosan cũng cho thấykhả năng lưu trữ cao hơn nhiều so với sử dụng Nafion. Ngoài ra, siêu tụ sử dụng chitosan làm chất điện ly cóđộ bền điện dung đạt trên 96% sau 2000 vòng lặp.Từ khóa: Chitosan, vỏ tôm, siêu tụ điện, vật liệu nano, lưu trữ năng lượngABSTRACTSupercapacitors are potential energy storage devices due to their fast charging, large discharging time,safety and environmental friendly. In this study, a nanocomposite of graphene and NiCo2O4 with a high porositywas sythezied by a microwave-assisted method and used for supecapacitor electrodes. The morphology, size,physic-chemical properties of prepared samples were characterized by scanning electron microscopy (SEM),transmission electron microscopy (TEM), X-rays deffractions (XRD), X-rays photoelectron spectroscopy(XPS). Interestingly, chitosan from shrimp shells was used as a solid electrolyte for supercapacitor. Resultsshow that the nanocomposite has a high porosity and NiCo2O4 nanoparticles have a size of 30-50 nm anddistributed evenly on the graphene sheets. The supercapacitors that were prepared by using graphene/NiCo2O4nanocomposites showed a significant improvement of energy capacity in compared to pure graphene orbare NiCo2O4. In addition, chitosan electrolyte also shows much higher energy capacity than that of Nafionelectrolyte. Moreover, the prepared supercapacitor with chitosan electrolyte showed excellent stability withover 96% after 2000 cycles.Keywords: Chitosan, shrimp shells, supercapacitors, nanomaterials, energy storageI. ĐẶT VẤN ĐỀGần đây, siêu tụ được xem là thiết bị trữnăng lượng hứa hẹn rất hiệu quả do khả năngnạp nhanh và dòng phóng lớn, rất an toànkhi sử dụng và thân thiện với môi trường [7].Chúng có thể được sử dụng trong lưu trữ nănglượng tái tạo, thiết bị điện tử bỏ túi và cácphương tiện di động sử dụng điện như xe đạp,xe hơi, xe bus, cần cẩu, v.v. [1]. Tuy nhiên,điểm yếu của siêu tụ hiện tại là điện thế hoạtđộng thấp (2,7 đến 75V). Do đó, các siêu tụđòi hỏi cần phải có thể tích lớn hoặc phải đượcsạc năng lượng thường xuyên thì mới có thểsử dụng hữu hiệu [5]. Đây là lý do chính khiếnviệc áp dụng siêu tụ điện vào đời sống còn gặpnhiều khó khăn.1 Trung tâm Thí nghiệm Thực hành, Trường Đại học Nha TrangTRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 11Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sảnTheo công thức tính năng lượng lưu trữ:E = ½ C.U2 [12], để tăng năng lượng E có haicách: (i) tăng thế hoạt động (U) thông qua thayđổi chất điện ly; (ii) tăng điện dung (C) của siêutụ thông qua việc lựa chọn vật liệu làm điệncực phù hợp. Các chất điện ly thông thườngđã và đang được nghiên cứu nhiều đó làdung dịch axit (H2SO4, HNO3), dung dịch kiềm(NaOH, KOH), dung dịch trung tính (Na2SO4,KCl) [12]. Gần đây, chitosan được biết đến làmột chất điện ly rắn hứa hẹn của các pin điện[11]. Hơn nữa, chitosan là một polyme có khảnăng phân hủy sinh học, nên an toàn và thânthiện với môi trường so với các vật liệu vô cơđang dùng trong các siêu tụ khác. Mặt khác,theo các nghiên cứu đã công bố, một vật liệu lýtưởng làm điện cực cho siêu tụ cần có các tínhchất như diện tích bề mặt lớn, độ xốp phù hợp,độ dẫn điện cao và điện dung lớn [4,9].Từ các lý do trên, chúng tôi chọn chitosan làm chất điện ly và chế tạo một vật liệunano dựa trên các tấm graphene và hạt nanoNiCo2O4 ứng dụng cho siêu tụ điện. Các tấmgraphene có diện tích bề mặt rất lớn (theo lýthuyết là 2629 m2/g) và độ dẫn điện cao (độlinh động của electron ở nhiệt độ phòng là15000 cm2/V.s) [2]. Trong khi đó các hạt nanoNiCo2O4 có tổng diện tích bề mặt các hạt lớnvà là vật liệu làm điện cự ...