Nghiên cứu cấu trúc, tính chất và chế tạo vật liệu perovskite nhằm ứng dụng cho pin nhiên liệu rắn

Hiện nay trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang sử dụng phần lớn năng lượng hóa thạch để sản xuất điện năng. Việc sử dụng nhiều năng lượng hóa thạch gây tác động rất lớn đến môi trường và gây biến đổi khí hậu. Ngoài ra, việc sử dụng năng lượng hóa thạch cho máy phát nhiệt điện truyền thống đạt hiệu suất không cao. Cùng với mối lo ngại về sự nóng lên toàn cầu và nguồn dự trữ nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, các nước trên thế giới đang tìm các chiến lược đối phó và một hướng giải quyết là tìm các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, thủy triều... Tuy nhiên các nguồn năng lượng này hiện nay vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu năng lượng rất lớn trên thế giới. Một hướng tiếp cận khác là tạo ra các thiết bị để chuyển hóa các nguồn năng lượng một cách có hiệu quả hơn. Pin nhiên liệu là một thiết bị hết sức tiềm năng trong xu hướng này.

Pin nhiên liệu là các thiết bị điện hóa để biến năng lượng liên kết hóa học trực tiếp thành điện năng. Pin nhiên liệu sử dụng một số loại nhiên liệu làm nguồn năng lượng giống như động cơ nhiệt, nhưng hoạt động giống như pin, năng lượng hóa học được chuyển trực tiếp thành điện năng. Pin nhiên liệu có nhiều ưu điểm, đáng kể nhất là việc tăng hiệu suất so với máy phát điện truyền thống. Trong các loại pin nhiên liệu, pin nhiên liệu rắn hoạt động rất hiệu quả do nó không bị giới hạn bởi hiệu suất chu trình Carno giống như động cơ nhiệt. Pin nhiên liệu rắn không sinh ra khí thải độc hại NOx, SOx, có mật độ năng lượng cao và có thể được “sạc” dễ dàng và nhanh chóng hơn. Hướng nghiên cứu pin nhiên liệu có rất nhiều tiềm năng và đã được quan tâm nghiên cứu trên thế giới. Tuy nhiên, ở Việt Nam, các nghiên cứu về pin nhiên liệu hoàn toàn mới mẻ. Chính vì thế nhóm tác giả đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu cấu trúc, tính chất và chế tạo vật liệu perovskite nhằm ứng dụng cho pin nhiên liệu rắn” với mục đích tạo thực hiện một nghiên cứu cơ bản để có thể tiếp tục phát triển nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực hiện đại này.

Nhóm nghiên cứu do Cơ quan chủ trì là Đại học Quốc gia Hà Nội cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài TS. Nguyễn Việt Tuyên thực hiện nghiên cứu với mục tiêu: Chế tạo một số màng mỏng nano tinh thể từ vật liệu perovskite và perovskite pha tạp ABO3 (A =La, Sr, B= Ti, Cr, Mn, Co, Fe…) định hướng ứng dụng trong chế tạo pin nhiên liệu rắn. Trong đó, đề tài trước hết tập trung nghiên cứu họ vật liệu LaMnO3, LaFeO3, BaTiO3 và các vật liệu pha tạp định hướng ứng dụng làm điện cực cho pin nhiên liệu. Và sử dụng phương pháp: Hệ vật liệu perovskite dạng bột nano được chế tạo bằng phương pháp sol gel và phương pháp kích nổ vi sóng. Hệ vật liệu dạng màng được chế tạo bằng phương pháp lắng đọng chùm điện tử và quét phủ. Đây là những phương pháp chế tạo hiệu quả với chất lượng tốt, với giá thành hợp lý thuận lợi cho việc chuyển giao công nghệ trong tương lai.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

Kết quả chế tạo vật liệu perovskite ABO3 và vật liệu perovskite pha tạp bằng phương pháp sol gel và kích nổ vi sóng: Các vật liệu perovskite LaMnO3, LaFeO3, BaTiO3 và vật liệu pha tạp đã được chế tạo bằng phương pháp sol gel và kích nổ vi sóng. Tuy nhiên vật liệu LaMnO3 có nhiều tính chất phù hợp nhất để làm cathode cho pin nhiên liệu nên dưới đây là một số kết quả chính được trình bày cho hệ vật liệu LaMnO3 và LaMnO3 pha tạp.

Hệ vật liệu perovskite pha tạp LaMn1-xSrxO3 với x = 0.2, 0.3, 0.4 và 0.5: Chúng tôi tiến hành chế tạo hệ vật liệu LaMnO3 pha tạp Sr với các tỉ lệ 20, 30 , 40 và 50% tương ứng với x = 0,2; 0,3; 0,4 và 0,5. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu này được trình bày như trên Hình 5. Kết quả khảo sát cho thấy tỉ lệ nhiên liệu analine/nitrat F= 4 phù hợp để tiến hành chế tạo hệ vật liệu LSMx. Từ giản giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu LSMx với x= 0; 0,2; 0,3; 0,4 và 0,5 chúng tôi tính được các hằng số mạng và kích thước tương ứng của các mẫu tương ứng như trong Bảng 2. Các mẫu khi pha tạp Sr, kích thước trung bình tăng lên khoảng 20 nm.

Tổng hợp cấu trúc màng mỏng LaMnO3 và LSMx bằng phương pháp quét phủ, phún xạ chùm điện tử và tính chất của chúng: Sau khi chế tạo bột, chúng tôi tiến hành tạo bia LaMnO3. Bột LaMnO3 chế tạo bằng phương pháp kích nổ vi sóng được ép và ủ ở 1000oC trong 8 giờ để chế tạo bia. Cấu trúc và độ tinh khiết của bia LaMnO3 được kiểm tra bằng các phép đo XRD như trong Hình 8. Giản đồ XRD cho thấy bia LaMnO3 đã chế tạo có cấu trúc lục giác và các pha không mong muốn đã được loại bỏ hoàn toàn. Bia LaMnO3 cho thấy các đỉnh nhiễu xạ tương ứng với sự phản xạ từ các mặt phẳng (102), (110), (104), (202), (204), (212), (214) và (220), trong đó (110) và (104) các đỉnh có cường độ mạnh nhất thể hiện rõ sự phát triển của tinh thể trong quá trình ủ. Sử dụng bột nano của LaMnO3 để làm bia giúp giảm nhiệt độ xử lý nhiệt xuống 1000oC, trong khi bia chế tạo bởi phương pháp phản ứng trạng thái rắn thường đòi hỏi nhiệt độ ủ cao hơn nhiều (1300-1400oC) và thời gian dài hơn (12- 24h).

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 16309/2019) tại Cục Thông tin KHCNQG.

Đ.T.V (NASATI)