Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá tính chất vật liệu M-DOPED TIO2 (M = IR, W) làm chất nền cho platin để nâng cao hoạt tính và độ bền xúc tác của pin nhiên liệu

Mục đích nghiên cứu của Luận án này nhằm đóng góp cho việc tổng hợp các vật liệu xúc tác tiên tiến mới có thể thay thế xúc tác truyền thống trong pin nhiên liệu hoạt động ở nhiệt độ thấp. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá tính chất vật liệu M-DOPED TIO2 (M = IR, W) làm chất nền cho platin để nâng cao hoạt tính và độ bền xúc tác của pin nhiên liệu ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH THIÊN TÀI NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT VẬT LIỆU M-DOPED TIO2 (M = IR, W) LÀM CHẤT NỀN CHO PLATIN ĐỂ NÂNG CAO HOẠT TÍNH VÀ ĐỘ BỀN XÚC TÁC CỦA PIN NHIÊN LIỆUChuyên ngành: Kỹ Thuật Hóa HọcMã ngành: 62520301 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, 2020Luận án được hoàn thành tại Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc GiaThành Phố Hồ Chí MinhCán bộ hướng dẫn 1: PGS.TS. HỒ THỊ THANH VÂNCán bộ hướng dẫn 2: TS. NGUYỄN TRƢỜNG SƠNPhản biện độc lập 1:Phản biện độc lập 2:Phản biện 1:Phản biện 2:Phản biện 3:Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng phản biện luận án họp tại: Trường ĐạiHọc Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí MinhVào lúc…..giờ……ngày…...tháng……năm Luận án này có thể tìm thấy tại thư viện: - Thư viện Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia TP.HCM - Thư viện Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh - Thư viện Khoa Học Tổng Hợp TP. HCM TÓM TẮT Nhiên liệu hóa thạch là nguồn năng lượng có hạn và sẽ không còn đủ đểcung cấp cho nhu cầu sử dụng trong khoảng 50 năm tới. Bên cạnh đó, hiệntượng biến đổi khí hậu toàn cầu do lượng phát thải khí CO2 ngày càng nhiều vìsử dụng nhiên liệu hóa thạch đang là vấn đề cấp bách cần được giải quyết. Pinnhiên liệu hoạt động ở nhiệt độ thấp đã và đang được quan tâm nghiên cứu vàứng dụng để giải quyết các vấn đề nghiêm trọng trong việc sử dụng nhiên liệuhóa thạch do hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao và gần như không gây ônhiễm môi trường. Trong pin nhiên liệu, vật liệu xúc tác điện hóa đóng vai tròquan trọng thúc đẩy phản ứng xảy ra, do đó nó ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu suấthoạt động của pin nhiên liệu. Hiện nay, vật liệu xúc tác Pt/C được sử dụng rộngrãi ở điện cực anode và điện cực cathode, tuy nhiên nó vẫn có một số hạn chếnhư: độ bền kém do carbon bị ăn mòn; lực tương tác yếu giữa Pt và carbon dẫntới hiện tượng hòa tan, phân tách và kết tụ xúc tác Pt; động lực học cho phảnứng oxi hóa nhiên liệu tại điện cực anode và phản ứng khử oxi tại điện cựccathode thấp; sự ngộ độc CO của xúc tác Pt trong phản ứng oxi hóa methanol(MOR). Những hạn chế trên dẫn tới sự suy giảm hiệu suất nghiêm trọng quathời gian hoạt động lâu dài của pin nhiên liệu nhiệt độ thấp. Trong luận án này, tôi trình bày hướng tiếp cận mới tổng hợp vật liệukhông-cacbon M-doped TiO2 (M=W, Ir), được sử dụng như vật liệu nền đồngxúc tác cho xúc tác platinum. Hướng tiếp cận này dựa trên cơ chế chuyển điệntử từ vật liệu nền cấu trúc nano M-doped TiO2 (M=W, Ir) sang Pt dẫn đến sựcải thiện cấu trúc điện tử của xúc tác Pt. Hơn nữa, vật liệu nền M-doped TiO2(M=W, Ir) nâng cao độ bền của xúc tác Pt trong suốt quá trình quét thế vòngtuần hoàn do lực tương tác mạnh giữa xúc tác Pt với chất nền M-doped TiO2(M=W, Ir). Vật liệu nền Ti0.7W0.3O2 tổng hợp được ở điều kiện tối ưu có độ dẫn điện cao(2.2x10-2 S.cm-1) và diện tích bề mặt riêng lớn (201.481 m2.g-1). Xúc tác Pt vớikích thước hạt ~ 3nm được phủ thành công trên vật liệu nền Ti0.7W0.3O2 bằng 1phương pháp polyol hỗ trợ bằng vi sóng. Xúc tác 20 wt. % Pt/Ti0.7W0.3O2 chothấy thế khởi đầu cho phản ứng oxi hóa methanol sớm hơn ~4,8 lần và tỉ lệ If/Ibcao hơn ~2,5 lần so với xúc tác 20 wt. % Pt/C (E-TEK), điều này cho thấy hoạttính xúc tác cao hơn và khả năng chống ngộ độc CO tốt hơn trong phản ứng oxihóa methanol của xúc tác 20 wt. % Pt/Ti0.7W0.3O2. Lần đầu tiên, vật liệu mới Ti0.7Ir0.3O2 được tổng hợp bằng phương pháp thủynhiệt một giai đoạn dùng làm chất nền cho xúc tác Pt để nâng cao tính chất điệnhóa cho cả điện cực anot và điện cực catot trong pin nhiên liệu hoạt động ởnhiệt độ thấp. Trong phản ứng oxi hóa methanol, xúc tác 20 wt. % Pt/Ti0.7Ir0.3O2cho thấy mật độ dòng cao hơn 1,5 lần và tỉ lệ If/Ib cao hơn 1,87 lần so với xúctác 20 wt. % Pt/C (E-TEK). Đối với phản ứng khử oxi, mật độ dòng của xúc tác20 wt. % Pt/Ti0.7Ir0.3O2 cao hơn 2,8 lần so với xúc tác 20 wt. % Pt/C (E-TEK). Đặc biệt, thậm chí với lượng Iridium doping thấp, vật liệu nền cấu trúcTi0.9Ir0.1O2 vẫn thể hiện độ dẫn điện cao lên đến ~1.6x10-2 S.cm-1, cao hơn ~105lần so với độ dẫn điện của vật liệu undoped-TiO2. Hơn nữa, kết quả từ đườngcong oxi hóa methanol cho thấy mật độ dòng của xúc tác 20 wt. % Pt/Ti0.9Ir0.1O2 cao gấp ~2 lần so với xúc tác 20 wt. % Pt/C (E-TEK). Hướng nghiên cứu hiệu quả này đóng góp cho việc tổng hợp các vật liệu xúctác tiên tiến mới có thể thay thế xúc tác truyền thống trong pin nhiên liệu hoạtđộng ở nhiệt độ thấp.CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU1.1 Pin nhiên liệu Pin nhiên liệu là “thiết bị điện hóa” chuyển đổi trực tiếp hóa năng thành điệnnăng thông qua phản ứng điện hóa của nhiên liệu (H2, CH3OH, CH4…) và chấtoxi hóa (O2 hoặc không khí) để tạo thành dòng điện và sản phẩm phụ là nướcvà nhiệt. Pin nhiên liệu không chứa năng lượng bên trong nhưng có thể tạo radòng điện liên tục khi nhiên liệu được cung cấp liên tục. Ngày nay, pin nhiên liệu hoạt động ở nhiệt độ thấp được sử dụng rộng rãi 2trong nhiều lĩnh vực do hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao, thân thiện vớimôi trường, nhiệt độ vận hành thấp, thời gian khởi động nhanh. Tuy nhiên, pinnhiên liệu vẫn còn một số hạn chế nhất định làm cản trợ sự thương mại hóarộng rãi như giá thành cao, độ bền xúc tác còn thấp. Sự suy giảm hiệu suất củapin nhiên liệu gây ra bởi sự suy giảm diện tích bề mặt điện hóa do sự hòa tan,phân tách, kết tụ của xúc tác và sự ăn mòn vật liệu nền cacbon trong suốt quátrình pin hoạt động ...