Sự ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình thủy nhiệt tới việc hình thành dây nano Na0.44MnO2

Vật liệu điện cực NaxMnO2 tổng hợp từ các tiền chất Mn2O3 và NaOH bằng phương pháp thủy nhiệt (hydrothermal) ở các nhiệt độ 185 °C, 190 °C, 195 °C, 200 °C và 205 °C cho thấy, ngay ở nhiệt độ thủy nhiệt 185 °C đã có sự hình thành của pha vật liệu Na0.44MnO2. Tuy nhiên phải đến nhiệt độ 205 °C của quá trình thủy nhiệt mới thu được vật liệu Na0.44MnO2 gần như đơn pha.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Sự ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình thủy nhiệt tới việc hình thành dây nano Na0.44MnO2102 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ ĐÔ H NỘISỰ ẢNH HƯỞ HƯỞNG CỦCỦA NHIỆ NHIỆT ĐỘ ĐỘ TRONG QUÁ TRÌNH THỦ THỦY NHIỆ NHIỆT VIỆC HÌNH TH-NH DÂY NANO Na0.44MnO2 TỚI VIỆ Tạ Anh Tấn1, Đặng Trần Chiến2, Phạm Duy Long3 1 Trường Đại học Thủ ñô Hà Nội 2 Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội 3 Viện Khoa học Vật liệu – Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam Tóm tắtắt: Vật liệu ñiện cực NaxMnO2 tổng hợp từ các tiền chất Mn2O3 và NaOH bằng phương pháp thủy nhiệt (hydrothermal) ở các nhiệt ñộ 185 °C, 190 °C, 195 °C, 200 °C và 205 °C cho thấy, ngay ở nhiệt ñộ thủy nhiệt 185 °C ñã có sự hình thành của pha vật liệu Na0.44MnO2. Tuy nhiên phải ñến nhiệt ñộ 205 °C của quá trình thủy nhiệt mới thu ñược vật liệu Na0.44MnO2 gần như ñơn pha. Thực nghiệm cũng cho thấy trong quá trình tăng nhiệt ñộ thủy nhiệt từ 185 °C ñến 205 °C ban ñầu pha vật liêu Na0.55MnO2 (Birnessite) ñược hình thành ở dạng hạt. Khi nhiệt ñộ tăng lên thì hạt này dần tách ra trở thành dạng lá và cuối cùng trở thành dạng dây nano có kích thước cỡ 30 nm và chiều dài cỡ hàng chục µm. Vật liệu Na0.44MnO2 hoàn toàn ñơn pha có kích thước 30 ÷ 50 nm theo chiều ngang và có chiều dài từ vài trăm nano mét tới vài micro mét chỉ thu ñược khi tiến hành tái kết tinh vật liệu NaxMnO2 ñã thủy nhiệt ở nhiệt ñộ 205 °C bằng cách ủ nhiệt ở 600 °C liên tục trong 6 giờ. Từ khóa: khóa Dây nano, Na0.44MnO2, Birnessite, Pin natri – ion, NiBs. Nhận bài ngày 15.7.2017; gửi phản biện, chỉnh sửa và duyệt ñăng ngày 10.9.2017 Liên hệ tác giả: Tạ Anh Tấn; Email: tatan@daihocthudo.edu.vn1. MỞ ĐẦU Pin ion liti (LIBs) ñã ñược sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng như các phương tiệnvận tải chạy bằng ñiện năng, các thiết bị ñiện tử di ñộng, rôbốt, máy tính... Sự sử dụngrộng rãi của pin ion liti dẫn ñến nhu cầu khai thác và sử dụng kim loại liti tăng lên rấtnhanh [1], tuy nhiên, trữ lượng khoáng sản liti trong lớp vỏ trái ñất là không nhiều (chiếm0,0007% lớp vỏ trái ñất). Do vậy, trong những năm gần ñây giá thành của kim loại liti ñãtăng lên nhanh chóng. Trong tình hình ñó, việc tìm kiếm các kim loại khác có thể thay thếcho liti trong pin ion trở thành một vấn ñề cấp thiết, ñược nhiều nhà khoa học và các tậpñoàn lớn quan tâm nghiên cứu và triển khai ứng dụng.TẠP CHÍ KHOA HỌC − SỐ 18/2017 103 Hiện nay, pin ion natri (NIBs) ñang nổi lên là một ứng cử viên có khả năng thay thếpin ion liti trong nhiều lĩnh vực, ñặc biệt là lĩnh vực dự trữ năng lượng qui mô lớn. PinNIBs có nhiều ưu ñiểm như giá thành rẻ do trữ lượng natri trong vỏ trái ñất lớn (chiếm2.6% lớp vỏ trái ñất), phương pháp chế tạo ñơn giản và thân thiện với môi trường. Cơ chếñiện hóa của pin ion natri và pin ion liti là tương ñồng, nhưng do kích thước ion natri lớnhơn ion liti do vậy sự khuếch tán của ion natri trong cấu trúc của các vật liệu catot gặpnhiều khó khăn hơn so với ion liti. Bởi vậy, nghiên cứu chế tạo vật liệu ñiện cực có cấutrúc và hình thái học phù hợp cho sự khuếch tán của ion natri là cần thiết và thu hút ñượcsự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Nhiều vật liệu catot cho pin NIBs ñã ñược công bố như vật liệu cấu trúc lớp NaMO2(M = các kim loại chuyển tiếp) [2-9], vật liệu có cấu trúc ñường hầm Na0.44MnO2 [10-25],vật liệu siêu dẫn ion Na+ (có ñộ dẫn ion ở nhiệt ñộ phòng trong khoảng 10-5 ÷ 10-4 S.cm-1)[26], ôxít kim loại [27, 28], Vật liệu NaMnO4 [29]... Trong các vật liệu trên, vật liệu cấutrúc lớp NaxMnO2 ñược tập trung nghiên cứu nhiều hơn do có dung lượng lớn, chu kìxả/nạp dài. Ví dụ: vật liệu Na0.66MnO2 có dung lượng 155 mAh/g, sau 10 chu kì dunglượng giảm ñi khoảng 55% [2, 12-14, 24, 30-32]. Trong số vật liệu NaxMO2 ñã ñược cáctài liệu công bố chúng ta nhận thấy nổi bật lên có vật liệu dây nano Na0.44MnO2 mặc dù códung lượng ở tầm trung bình nhưng có ñiện áp tương ñối cao [33]. Có nhiều cách ñể tổng hợp vật liệu Na0.44MnO2 như thiêu kết thông thường [34, 35],thủy nhiệt [15, 16, 19, 36], phản ứng pha rắn [12, 14, 17, 24, 37], sol-gel [13, 38]… Trongcác phương pháp tổng hợp vật liệu ñã nêu trên, phương pháp thủy nhiệt thu ñược vật liệudây nanao Na0.44MnO2 ñơn pha và ñồng thời cho những ñặc tính hoạt ñộng ñiện hóa ổnñịnh. Trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung vào chế tạo vật liệu cấu trúc ñường hầmNa0.44MnO2 tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt. Trong cấu trúc của vật liệu này, cácion Na+ ...