Tóm tắt luận án Tiến sĩ Hóa học: 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 đề tài là chế tạo các vật liệu xúc tác điện cực trên cơ sở IrO2 cho quá trình thoát ôxy trong điện phân nước màng trao đổi proton PEMWE có cấu trúc nano, có hoạt tính xúc tác và có độ bền cao; áp dụng chế tạo bộ điện phân sử dụng màng trao đổi proton PEMWE để điều chế hydro có công suất cao.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tóm tắt luận án Tiến sĩ Hóa học: 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 protonBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------------- Phạm Hồng HạnhNGHIÊN 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 – 2019Công 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 PhongNgười hướng dẫn khoa học 2: TS. Lê Bá ThắngPhản biện 1: …Phản biện 2: …Phản biện 3: ….Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấpHọc viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâmKhoa 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 2 MỞ ĐẦU Sự tăng trưởng của dân số và sự công nghiệp hóa nhanh củacác quốc gia dẫn đến nhu cầu năng lượng tăng nhanh trên toàn thế giới.Hiện nay, hơn 80 % nhu cầu năng lượng được đáp ứng từ các nguồnnhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, than đá và khí thiên nhiên do chúngcó sẵn trong tự nhiên, dễ dàng và thuận tiện trong vận chuyển và lưutrữ. Tuy nhiên, các nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt trongkhi nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng cao. Mặt khác, sửdụng nhiên liệu hóa thạch cũng tạo thành các sản phẩm khí gây ônhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính dẫn đến biến đổi khí hậu toàncầu làm trái đất nóng lên. Vì vậy, nhu cầu phát triển các nguồn nănglượng mới thay thế, có khả năng tái tạo và không làm ô nhiễm môitrường đang trở nên bức thiết đối với nhân loại. Hydro chính là mộttrong các nguồn năng lượng mới tiềm năng trong tương lai, hydro lànguyên tố có nhiều nhất trong vũ trụ và trái đất; hiệu suất cháy của nócao hơn dầu mỏ (60% so với 25%). Khi đốt hydro chỉ có một sản phẩmphụ duy nhất là nước, không kèm bất cứ chất thải nào có hại cho môitrường. Tóm lại, hydro là nguồn năng lượng tái sinh sạch nhất, hiệusuất cao nhất và có nguồn cung cấp vô tận. Bởi vậy nền kinh tế dựatrên hydro sẽ dần thay thế cho nền kinh tế dầu mỏ và sẽ là nền kinh tếbền vững lý tưởng nhất của loài người. Có nhiều cách để sản xuất hydro, phương pháp điện phân nướcmàng trao đổi proton (PEMWE) dùng dòng điện một chiều để táchnước thành khí hydro và ôxy là một phương pháp có nhiều ưu điểmvượt trội: hiệu suất cao (có thể đạt hơn 90%), độ tinh khiết cao(khoảng 99%), an toàn, tiêu thụ năng lượng ít, có thể vận hành với mậtđộ dòng cao (lên đến 2 A/cm2) và đặc biệt là khả năng kết hợp với cácnguồn năng lượng mới như: sức gió, năng lượng mặt trời... Đến nay,đã có rất nhiều nghiên cứu phát triển trên PEMWE và các sản phẩm 1thương mại hóa với quy mô khác nhau (có công suất sản xuất hydro từ0,01- 50.000 Nm3/h) được cung cấp bởi các công ty hàng đầu thế giớinhư: Hamilton Sundstrand của Mỹ, Htec của Đức, RRC “KurchatovInstitute” của Nga …Tuy nhiên, sự phát triển của thiết bị PEMWE vẫnđang bị hạn chế bởi chi phí chế tạo cao của các thành phần như làmàng trao đổi proton, các xúc tác kim loại quí… Ngoài ra, quá trìnhđiện phân nước gắn với tổn thất năng lượng chủ yếu do quá thế cao tạianốt của phản ứng thoát ôxy (OER). Vì vậy, các nghiên cứu vềPEMWE gần đây đều tập trung tìm ra vật liệu xúc tác mới để cải thiệndiện tích hoạt hóa và độ bền tại anốt bằng cách sử dụng các kỹ thuậttổng hợp tiên tiến để điều chế vật liệu xúc tác dưới dạng bột kích thướcnanô, từ đó cải thiện hiệu suất và công suất của PEMWE. Tại Việt Nam, các nghiên cứu về điện phân sản xuất hydro sửdụng màng trao đổi proton vẫn chưa được quan tâm nhiều. Để tiếp cầndần với nền kinh tế hydro và bắt kịp với xu hướng nghiên cứu về vậtliệu xúc tác cho PEMWE, chúng tôi đã lựa chọn đề tài nghiên cứu choluận án: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa trên cơ sở IrO2cho phản ứng thoát ôxy trong thiết bị điện phân nước áp dụng màngtrao đổi proton”.Mục tiêu của luận án: Chế tạo các vật liệu xúc tác điện cực trên cơ sở IrO2 cho quátrình thoát ôxy trong điện phân nước màng trao đổi proton PEMWE cócấu trúc nano, có hoạt tính xúc tác và có độ bền cao. Áp dụng chế tạo bộ điện phân sử dụng màng trao đổi protonPEMWE để điều chế hydro có công suất cao.Nội dung chính của luận án: 2- Tổng quan sơ lược về điện phân nước sử dụng màng trao đổi proton(PEMWE) và các nghiên cứu phát triển của vật liệu xúc tác trên cơ sởIrO2 hệ đơn nguyên, nhị nguyên và tam nguyên trong PEMWE.- Nghiên cứu chế tạo bột xúc tác IrO2 bằng các phương pháp thủy phânvà phương pháp Adams, đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến đặctrưng tính chất của các vật liệu xúc tác tổng hợp từ đó lựa chọn đượcphương pháp cũng như đưa ra quy trình phù hợp chế tạo xúc tác IrO2.- Nghiên cứu chế tạo hỗn hợp bột xúc tác nhị nguyên IrxRu(1-x)O2 (x =0;0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 1), đánh giá, so sánh ảnh hưởng tỉ lệ thành phầnRuO2:IrO2 khác nhau đến hoạt tính, độ bền của vật liệu xúc tác. Lựachọn được thành phần xúc tác tối ưu có hoạt tính và độ bền cao.- Nghiên cứu phát triển hỗn hợp xúc tác tam nguyên IrRuMO2 (với M= Ti, Sn và Co)- Áp dụng chế t ...