Nghiên cứu công nghệ điều chế mực xúc tác trên cơ sở kim loại quí/graphen, ứng dụng trong chế tạo điện cực màng (anot) cho pin nhiên liệu sử dụng alcohol trực tiếp
Cập nhật vào: Thứ năm - 01/06/2023 00:03 Cỡ chữ
Pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp nhiên liệu alcohol (Direct Alcohol Fuel Cells), được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua để ứng dụng trong các thiết bị di động, đang được xem là một trong những nguồn năng lượng sạch trong tương lai gần, thay thế cho năng lượng truyền thống.
Theo dự đoán của nhiều chuyên gia, nhu cầu dùng pin nhiên liệu toàn cầu sẽ đạt hàng chục tỷ USD vào những thập kỷ đầu của thế kỷ 21. Pin DAFC là thiết bị điện hóa, có thể chuyển trực tiếp năng lượng hóa học của alcohol, thường là metanol hoặc etanol, thành điện năng. Cấu tạo pin nhiên liệu DAFC bao gồm 4 phần chính, gồm điện cực màng MEA, tấm lưỡng cực, đệm kín khí và bộ phận gom điện tích. Phần cơ bản và quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất của pin DAFC chính là điện cực màng MEA. Đã có nhiều công trình trên thế giới tập trung nghiên cứu quá trình chế tạo điện cực màng, trên cơ sở sử dụng mực xúc tác chứa Pt-Ru/C. Một số công trình khác tập trung nghiên cứu về cơ chế hoặc mô hình hóa quá trình tạo ra vật liệu mực xúc tác và trạng thái tồn tại của chúng trên lớp khuếch tán khí. Gần đây, nhờ những tính chất đặc biệt như cấu trúc hai chiều, các tính chất cơ học, tính chất nhiệt, quang, điện tuyệt vời và diện tích bề mặt rất cao, graphen trở thành một ứng cử viên đầy triển vọng cho vật liệu mang xúc tác. Theo đó, graphen đóng vài trò trụ cột trong hầu hết các hệ xúc tác dị thể từ hệ xúc tác đơn chức đến lưỡng chức, xúc tác lai, xúc tác oxit và nano. Các tổ hợp này cũng thúc đẩy và mở rộng các lĩnh vực ứng dụng chất xúc tác dị thể, bao gồm các quá trình chuyển hóa hóa học, quang xúc tác, đầu dò điện hóa, pin nhiên liệu, tàng trữ năng lượng và các quá trình khác.
Đối với hướng nghiên cứu liên quan đến quá trình oxy hóa điện hóa trong pin nhiên liệu, các xúc tác trên cơ sở kim loại quí mang trên vật liệu graphen, chẳng hạn Pt/rGO, Pd/rGO, Pt-Me/rGO (trong đó, Me là các kim loại đóng vai trò chất xúc tiến) được đặc biệt quan tâm nghiên cứu. Các chất xúc tác này thể hiện hoạt tính, qui theo một đơn vị kim loại quí, cao hơn hẳn so với các chất xúc tác truyền thống. Thêm vào đó, độ ổn định hoạt tính của xúc tác liên tục được cải tiến. Chính vì vậy, có thể xem các chất xúc tác trên cơ sở kim loại 3 quí mang trên vật liệu graphen là các vật liệu tiềm năng, thay thế xúc tác Pt/C, trong chế tạo điện cực màng cho pin nhiên liệu. Tuy nhiên, đến nay chưa có công trình nào nghiên cứu quá trình điều chế mực xúc tác trên cơ sở kim loại quí, mang trên vật liệu graphen và ứng dụng mực xúc tác trong chế tạo điện cực anot cho pin nhiên liệu DAFC. Trong khi đó, để đảm bảo chế tạo được điện cực anot có hoạt tính cao, phát huy được tính tiên tiến của vật liệu xúc tác trên cơ sở kim loại quí mang trên vật liệu graphen, việc nghiên cứu công nghệ điều chế mực xúc tác trên cơ sở kim loại quí/graphen, ứng dụng trong chế tạo điện cực anot cho pin nhiên liệu sử dụng alcohol trực tiếp đóng vai trò vô cùng quan trọng.
Không nằm ngoài xu hướng của thế giới, nhằm xác lập được qui trình công nghệ điều chế mực xúc tác trên cơ sở kim loại quí/vật liệu graphen, ứng dụng trong chế tạo điện cực màng làm anot cho pin nhiên liệu DAFC, nhóm nghiên cứu, Phòng Thí nghiệm trọng điểm Công nghệ lọc, hóa dầu, Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam do GS. TS. Vũ Thị Thu Hà đứng đầu đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu công nghệ điều chế mực xúc tác trên cơ sở kim loại quí/graphen, ứng dụng trong chế tạo điện cực màng (anot) cho pin nhiên liệu sử dụng alcohol trực tiếp”.
Sau một thời gian triển khai thực hiện, đề tài đã thu được một số kết quả như sau:
1. Đã xây dựng các qui trình công nghệ ổn định, có độ lặp lại trên 98%, nhằm chế tạo vật liệu graphen. Cụ thể như sau:
- Qui trình công nghệ chế tạo vật liệu FLG bằng phương pháp tách lớp hóa học, kết hợp chiếu xạ vi sóng, từ nguyên liệu graphit tróc nở, qui mô 1.000 mg sản phẩm/mẻ. Áp dụng qui trình, đã chế tạo được 19.689 mg vật liệu FLG chứa từ 5 - 6 lớp, với cấu trúc dạng tấm màng mỏng;
- Qui trình công nghệ chế tạo vật liệu GO bằng phương pháp Hummers cải tiến, từ nguyên liệu graphit tróc nở, qui mô 130 g nguyên liệu/mẻ. Áp dụng qui trình, đã chế tạo được 388,2 g vật liệu GO chứa từ 4 - 5 lớp, cấu trúc tấm phẳng, có chứa các nhóm chức chứa oxi trên bề mặt, với tỷ lệ C/O đạt khoảng 2,7.
2. Đã xây dựng được cụm qui trình công nghệ chế tạo mực xúc tác trên cơ sở kim loại quí/vật liệu graphen. Qui trình vận hành ổn định, có độ lặp lại cao, trên 98%. Cụ thể như sau:
- Qui trình công nghệ chế tạo mực xúc tác CI-PFG. Đã chế tạo được 1,24 kg mực xúc tác CI-PFG (chứa xúc tác Pt/FLG), sử dụng etanol là dung môi phân tán, ứng dụng phủ điện cực anot trong pin DAFC. Mực xúc tác CIPFG có hiệu suất oxi hóa chuyển hóa alcohol, tương ứng với metanol đạt 17.849 mA.mgPt -1 và etanol đạt 15.466 mg.mgPt -1, cao hơn khoảng 15 lần so với xúc tác thương mại Pt/C. Độ ổn định hoạt tính ở nhiệt độ thường sau 900 vòng quét đạt 74,2% với metanol và 87,2% với etanol.
- Qui trình công nghệ chế tạo mực xúc tác CI-PrGQ. Đã chế tạo được 1,21 kg mực xúc tác CI-PrGQ (chứa xúc tác Pt/rGQ), sử dụng etanol là dung môi phân tán, ứng dụng phủ điện cực anot trong pin DAFC. Mực xúc tác CI-PrGQ có hiệu suất oxi hóa chuyển hóa alcohol, tương ứng với metanol đạt 26.579 mA.mgPt -1 và etanol đạt 17.156 mA.mgPt -1, cao hơn khoảng 17 đến 26 lần so với xúc tác thương mại Pt/C. Độ ổn định hoạt tính ở nhiệt độ thường sau 900 vòng quét đạt 86,0% với metanol và 83,4% với etanol.
3. Đã đánh giá tính năng của điện cực màng trong pin nhiên liệu DAFC, trong đó:
- Bề mặt điện cực anot phủ mực xúc tác CI-PFG (chứa xúc tác Pt/FLG) không xuất hiện các vết nứt. Mật độ công suất cực đại của pin DMFC đạt 118,33 mW cm-2 và của pin DEFC đạt 35,24 mW cm-2.
- Bề mặt điện cực anot phủ mực xúc tác CI-PrGQ không xuất hiện các vết nứt. Mật độ công suất cực đại của pin DMFC đạt 134,05 mW cm-2 và của pin DEFC đạt 42,24 mW cm-2.
4. Đã nghiên cứu đề xuất hướng phát triển một số ứng dụng công nghiệp của vật liệu FLG và GO:
- Bước đầu nghiên cứu thành công hướng ứng dụng vật liệu FLG và GO làm phụ gia trong dầu nhờn động cơ và dầu nhờn máy móc công nghiệp. Cụ thể, dầu gốc BS150 được bổ sung 0,025; 0,05; 0,075 và 0,1% FLG (FT) có tải trọng hàn dính tăng lần lượt: 5,7%; 5,7%; 8,6% và 11,4% và đường kính vết vài mòn giảm lần lượt: 8,7%; 8,7%; 17,4% và 8,7% so với dầu gốc. Dầu gốc BS150 được bổ sung 0,015; 0,03; 0,045; 0,06 và 0,075% FLG (FS) có tải trọng hàn dính tăng lần lượt: 0%; 5,7%; 8,5%; 11,4% và 11,4% và đường kính vết mài mòn giảm lần lượt: 8,7%; 13%; 13%; 17,4% và 21,7% so với dầu gốc;
- Bước đầu nghiên cứu ứng dụng thành công vật liệu GO làm xúc tác cho phản ứng thủy phân cellulose thành glucose, cho hiệu suất sản phẩm 27%. Đồng thời, đã nghiên cứu một cách hệ thống và bài bản tính axit của GO bằng cách sử dụng kỹ thuật đo nhiệt hấp phụ NH3 và đề xuất cơ chế hình thành tính axit mạnh của GO;
- Đã phát triển thành công các phương pháp mới, hiệu quả cao, chi phí thấp, không tốn nhiều thời gian để điều chế dòng xúc tác Pt/FLG và Pt/GQ, với hàm lượng Pt rất thấp và hoạt tính điện hóa siêu cao trong phản ứng MOR và EOR (gấp hàng chục đến hàng trăm lần hoạt tính của các chất xúc tác cùng loại đã được công bố đến thời điểm này, đối với phản ứng oxi hóa điện hóa MOR và EOR).
Các kết quả của đề tài có tính mới, tính sáng tạo và có sự đóng góp đáng kể về mặt học thuật trong nghiên cứu về xúc tác Pt/graphen. Nhiều kết quả hết sức độc đáo của đề tài đã mở ra các hướng ứng dụng một cách hiệu quả các chất xúc tác trên cơ sở Pt mang trên vật liệu graphen, được điều chế bằng các phương pháp mới, đơn giản, ít tốn kém, trong khi có hiệu quả siêu cao, gấp hàng chục đến hàng trăm lần hiệu quả của các chất xúc tác đã được công bố đến thời điểm này. Các kết quả nghiên cứu mang tính hệ thống và bài bản về công nghệ sản xuất mực xúc tác, ứng dụng trong pin DAFC mà đề tài thu được có ý nghĩa thực tiễn cao, góp phần rút ngắn khoảng cách trong tiến trình ứng dụng thế hệ xúc tác Pt/graphen trong pin DAFC, đang được cộng đồng khoa học và doanh nhân trên thế giới quan tâm.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 18329/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.
P.T.T (NASATI)