BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

-----------------------------------

Phạm Hồng Hạnh

NGHIÊN 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 – 2019

2

Công 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 Phong

Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Lê Bá Thắng

Phản biện 1: …

Phản biện 2: …

Phản biện 3: ….

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp

Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm

Khoa 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

1

MỞ ĐẦU

Sư tăng trương cua dân số và sư công nghiệp hóa nhanh cua

các quốc gia dẫn đến nhu câu năng lượng tăng nhanh trên toàn thế giới.

Hiện nay, hơn 80 % nhu câu năng lượng được đáp ưng tư các nguồn

nhiên liệu hóa thạch như dâu mo, than đá và khi thiên nhiên do chung

có sẵn trong tư nhiên, dễ dàng và thuận tiện trong vận chuyển và lưu

trư. Tuy nhiên, các nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dân cạn kiệt trong

khi nhu câu sư dung năng lượng ngày càng tăng cao. Mặt khác, sư

dung nhiên liệu hóa thạch cũng tạo thành các sản phẩm khi gây ô

nhiễm môi trường và hiệu ưng nhà kinh dẫn đến biến đổi khi hậu toàn

câu làm trái đất nóng lên. Vì vậy, nhu câu phát triển các nguồn năng

lượng mới thay thế, có khả năng tái tạo và không làm ô nhiễm môi

trường đang trơ nên bưc thiết đối với nhân loại. Hydro chinh là một

trong các nguồn năng lượng mới tiềm năng trong tương lai, hydro là

nguyên tố có nhiều nhất trong vũ tru và trái đất; hiệu suất cháy cua nó

cao hơn dâu mo (60% so với 25%). Khi đốt hydro chỉ có một sản phẩm

phu duy nhất là nước, không kèm bất cư chất thải nào có hại cho môi

trường. Tóm lại, hydro là nguồn năng lượng tái sinh sạch nhất, hiệu

suất cao nhất và có nguồn cung cấp vô tận. Bơi vậy nền kinh tế dưa

trên hydro sẽ dân thay thế cho nền kinh tế dâu mo và sẽ là nền kinh tế

bền vưng lý tương nhất cua loài người.

Có nhiều cách để sản xuất hydro, phương pháp điện phân nước

màng trao đổi proton (PEMWE) dùng dòng điện một chiều để tách

nước thành khi hydro và ôxy là một phương pháp có nhiều ưu điểm

vượt trội: hiệu suất cao (có thể đạt hơn 90%), độ tinh khiết cao

(khoảng 99%), an toàn, tiêu thu năng lượng it, có thể vận hành với mật

độ dòng cao (lên đến 2 A/cm2) và đặc biệt là khả năng kết hợp với các

nguồn năng lượng mới như: sưc gió, năng lượng mặt trời... Đến nay,

đã có rất nhiều nghiên cưu phát triển trên PEMWE và các sản phẩm

2

thương mại hóa với quy mô khác nhau (có công suất sản xuất hydro tư

0,01- 50.000 Nm3/h) được cung cấp bơi các công ty hàng đâu thế giới

như: Hamilton Sundstrand cua Mỹ, Htec cua Đưc, RRC “Kurchatov

Institute” cua Nga …Tuy nhiên, sư phát triển cua thiết bi PEMWE vẫn

đang bi hạn chế bơi chi phi chế tạo cao cua các thành phân như là

màng trao đổi proton, các xuc tác kim loại qui… Ngoài ra, quá trình

điện phân nước gắn với tổn thất năng lượng chu yếu do quá thế cao tại

anốt cua phản ưng thoát ôxy (OER). Vì vậy, các nghiên cưu về

PEMWE gân đây đều tập trung tìm ra vật liệu xuc tác mới để cải thiện

diện tich hoạt hóa và độ bền tại anốt bằng cách sư dung các kỹ thuật

tổng hợp tiên tiến để điều chế vật liệu xuc tác dưới dạng bột kich thước

nanô, tư đó cải thiện hiệu suất và công suất cua PEMWE.

Tại Việt Nam, các nghiên cưu về điện phân sản xuất hydro sư

dung màng trao đổi proton vẫn chưa được quan tâm nhiều. Để tiếp cân

dân với nền kinh tế hydro và bắt kip với xu hướng nghiên cưu về vật

liệu xuc tác cho PEMWE, chung tôi đã lưa chọn đề tài nghiên cưu cho

luận án: “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 luận án:

Chế tạo các vật liệu xuc tác điện cưc trên cơ sơ IrO2 cho quá

trình thoát ôxy trong điện phân nước màng trao đổi proton PEMWE có

cấu truc nano, có hoạt tinh xuc tác và có độ bền cao.

Áp dung chế tạo bộ điện phân sư dung màng trao đổi proton

PEMWE để điều chế hydro có công suất cao.

Nội dung chính của luận án:

3

- Tổng quan sơ lược về điện phân nước sư dung màng trao đổi proton

(PEMWE) và các nghiên cưu phát triển cua vật liệu xuc tác trên cơ sơ

IrO2 hệ đơn nguyên, nhi nguyên và tam nguyên trong PEMWE.

- Nghiên cưu chế tạo bột xuc tác IrO2 bằng các phương pháp thuy phân

và phương pháp Adams, đánh giá ảnh hương cua nhiệt độ đến đặc

trưng tinh chất cua các vật liệu xuc tác tổng hợp tư đó lưa chọn được

phương pháp cũng như đưa ra quy trình phù hợp chế tạo xuc tác IrO2.

- Nghiên cưu chế tạo hỗn hợp bột xuc tác nhi nguyên IrxRu(1-x)O2 (x =0;

0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 1), đánh giá, so sánh ảnh hương tỉ lệ thành phân

RuO2:IrO2 khác nhau đến hoạt tinh, độ bền cua vật liệu xuc tác. Lưa

chọn được thành phân xuc tác tối ưu có hoạt tinh và độ bền cao.

- Nghiên cưu phát triển hỗn hợp xuc tác tam nguyên IrRuMO2 (với M

= Ti, Sn và Co)

- Áp dung chế tạo chế tạo bộ điện phân sư dung màng trao đổi proton

PEMWE với diện tich làm việc 5 cm2 bao gồm các bộ phận; tấm dẫn

điện, tấm tách dòng, doăng, điện cưc màng, tấm vo, chốt...để điều chế

hydro có công suất cao, thư nghiệm và đánh giá tinh năng cua bộ

PEMWE đơn khi hoạt động.

Chương 1. TỔNG QUAN

- Giới thiệu sơ lược về lich sư phát triển, cấu tạo, nguyên lý vận hành

và ưng dung cua các PEMWE.

- Trình bày các cơ chế và động học phản ưng cua các phản ưng thoát

ôxy và hydro trên các vật liệu xuc tác trên cơ sơ IrO2 trong PEMWE.

- Giới thiệu lich sư phát triển cua vật liệu xuc tác sư dung trong

PEMWE và trình bày tình hình nghiên cưu phát triển cua các loại vật

liệu xuc tác tại các điện cưc anôt và catôt cua PEMWE.

4

Chương 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN

CỨU

2.3. Chế tạo vật liệu xúc tác trên cơ sở IrO2

Ba phương pháp được áp dung để tổng hợp chất xuc tác là

phương pháp thuy phân, phương pháp Adams và phương pháp Adams

sưa đổi.

- Phương pháp thuy phân: cho các tiền chất muối kim loại tác dung với

dung dich NaOH ơ 80 oC, khuấy 12 giờ. Điều chỉnh pH cua hỗn hợp

bằng cách nho giọt tư tư dung dich HNO3 1M cho đến khi đạt 7 - 8.

Kết tua hình thành được lọc rưa và nung ơ nhiệt độ cao ơ 300 –600 oC

trong 1 giờ với tốc độ nâng nhiệt 5 oC/phut để tạo thành ôxit kim loại

tương ưng.

- Phương pháp Adams: các tiền chất kim loại với tỉ lệ mol khác nhau

được hòa tan trong isopropanol, rung siêu âm 30 phut và khuấy trong 1

giờ. Sau đó thêm NaNO3 tiếp tuc rung siêu âm 30 phut và khuấy trong

12 giờ. Hỗn hợp muối này được đun nóng trong không khi ơ 70oC để

bay hơi đến khô và nung ơ 300–600oC trong 1 giờ với tốc độ nâng

nhiệt 5oC/phut sau đó làm mát ơ nhiệt độ phòng qua đêm. Sản phẩm

được lọc, rưa sạch bằng nước khư ion đến khi hết clo và sấy khô trong

không khi ơ 90oC.

- Phương pháp Adams sưa đổi: các bước tiến hành giống như phương

pháp Adams chỉ khác ơ giai đoạn nung: trước khi nung ơ 500oC trong

1 giờ hỗn hợp muối cân nung trước ơ 325oC trong 30 phut với tốc độ

nâng nhiệt 5oC/phut.

2.4. Phương pháp đánh giá tính chât của vật liệu xúc tác

2.4.1. Các phương pháp vật lý

Phương pháp nhiệt trọng lượng TGA và nhiệt trọng lượng vi

sai DTA để khảo sát nhiệt độ hình thành cua các ôxit kim loại. Phương

5

pháp SEM, TEM được sư dung đánh giá kich thước và độ phân bố cua

các hạt xuc tác trong khi phương pháp nhiễu xạ tia X được dùng để

đáng giá cấu truc các vật liệu xuc tác trên cơ sơ IrO2. Phương pháp phổ

tán xạ năng lượng tia X (EDX) để xác đinh thành phân cua hỗn hợp

xuc tác ôxit đã tổng hợp.

2.4.2. Các phương pháp điên hoa

Mẫu đo điện hóa được đặt trong bộ gá mẫu bằng nhưa Teflon

với diện tich làm việc cua mẫu được khống chế là 1 cm2. Hệ đo là hệ

điện hóa ba điện cưc với điện cưc đối là điện cưc platin và điện cưc so

sánh là điện cưc bạc clorua. Các phep đo điện hóa được thưc hiện

trong dung dich H2SO4 0,5 M và thiết bi điện hóa sư dung là Autolab –

Nova 1.10.

2.4.2.1. Phương pháp chế tạo điện cực cho các phép đo điện hóa

Điện cưc làm việc là giấy cabon (lớp khuếch tán). Các điện

cưc này được phu hỗn hợp mưc xuc tác, mưc xuc tác có thành phân

bao gồm: bột xuc tác và dung dich Nafion 5% (bằng 30% lượng xuc

tác). Mưc xuc tác được phu trên bề mặt điện cưc giấy cacbon bằng

phương pháp quet, sau mỗi lân quet mẫu được để khô tại nhiệt độ

phòng, quá trình này được lặp lại đến khi đạt mật độ xuc tác kim loại

trên điện cưc anôt là 4 mg/cm2 và trên điện cưc catôt là 1 mg/cm

2. Cuối

cùng mẫu được sấy khô tại 80oC trong thời gian 12 giờ.

2.4.2.2. Phương pháp quét thế vòng (CV – Cyclic Voltammetry)

Trong luận án này, các đường CV được đo với ba muc đich:

- Xác đinh độ hoạt hóa cua xuc tác và các quá trình điện hóa xẩy ra

trên bề mặt xuc tác: các phep đo CV được quet trong khoảng điện thế

theo chiều thuận tư 0÷1,3VAg/AgCl và theo chiều nghich tư

1,3÷0VAg/AgCl, với tốc độ quet thế 50 mV/s trong môi trường axit

H2SO4 0,5 M. Độ hoạt hóa có đơn vi là C/cm2 được tinh bằng tổng mật

6

độ điện tich cua nhánh quet thuận và nhánh quet ngược theo phân mềm

cua thiết bi đo Autolab-Nova 1.10.

- Xác đinh độ thuận nghich cua xuc tác: các phep đo CV được quet

tuân hoàn trong khoảng điện thế 0÷0,9 VAg/AgCl với tốc độ quet thế

nhau (10; 20; 50; 100; 200 mV/s) trong dung dich chưa cặp ôxy hoá

khư [Fe(CN)6]3-

/[Fe(CN)6]4-

có nồng độ 0,1 M đã được sư dung để

thêm vào dung dich H2SO4 0,5 M. Tư các đường CV, tỷ lệ Qa/Qc được

tinh toán để kiểm tra độ thuận nghich cua quá trình ôxy hóa khư.

- Xác đinh độ suy giảm hoạt tinh cua cua xuc tác: các mẫu được đo CV

với 1000 chu kỳ trong khoảng điện thế tuân hoàn tư 0,85÷1,4 VAg/AgCl

tốc độ quet 100 mV/s. Trước và sau 1000 chu kỳ đo kiểm tra độ bền,

mẫu được đo CV (quet trong khoảng điện thế tuân hoàn thuận tư 0÷1,3

VAg/AgCl với tốc độ quet thế 50 mV/s) đánh giá lại hoạt tinh xuc tác,

hoạt tinh xuc tác được thể hiện qua giá tri tổng mật độ điện tich.

2.4.2.3. Đo đường cong phân cực

Khả năng xuc tác cho phản ưng thoát ôxy cua các chất xuc tác

được nghiên cưu bằng phương pháp đo quet thế tuyến tinh. Mẫu được

phân cưc tư giá tri điện thế mạch hơ về giá tri điện thế 1,8 VAg/AgCl

trong dung dich H2SO4 0,5 M với tốc độ quet 1 mV/s. Phương pháp

này cho phep xác đinh mật độ dòng ổn đinh io, điện thế bắt đâu cua quá

trình thoát ôxy EOER để đánh giá khả năng xuc tác cho phản ưng thoát

ôxy cua mẫu xuc tác

2.4.2.4. Thử nghiệm dòng ổn định

Các mẫu xuc tác được phân cưc anôt ơ mật độ dòng điện cao

(200 mA/cm2) trong môi trường axit H2SO4 0,5 M nhằm gia tốc quá

trình hòa tan hoặc khư hoạt hóa cua anôt, tư đó đánh giá nhanh thời

gian sống cua điện cưc. Giá tri điện thế được ghi lại theo thời gian,

7

thời gian sống cua điện cưc là thời gian đo được đến khi điện cưc bi

phá huy.

2.5. Phương pháp nghiên cứu đánh giá tính chât của điện cưc

màng MEA

2.5.1. Phương pháp chế tạo điên cực màng (MEA)

Điện cưc màng được chế tạo bằng phương pháp ep nhiệt, ep

màng Nafion vào giưa hai lớp khuếch tán khi đã được phu mưc xuc

tác. Ba thông số quan trọng trong quá trình ep sẽ ảnh hương lên tinh

chất cua MEA là lưc ep=18; 20; 22; 24 kg/cm2, nhiệt độ = 130

oC và

thời gian ep = 180 giây.

2.5.2. Phương pháp chế tạo các phu kiên khác sư dung trong

PEMWE

Trong nghiên cưu này, một bộ điện phân PEMWE đơn được

thiết kế, chế tạo và lắp đặt. Vật liệu và thông số kỹ thuật cua các vật

liệu sư dung được đưa ra trong bảng 2.5.

Bảng 2.5. Các thông số chế tạo PEMWE

Thông số Vật liệu Kích thước

(mm)

MEA Đã chế tạo trong phân 2.5.1 23 × 23

Tấm đệm Silicon chiu nhiệt 50 × 50 × 1

Tấm chia dòng Grafit graphite AXF- 5Q (Poco) 50 × 50 × 3,2

Tấm vo Nhưa acrylic 50 × 50 × 8

Tấm dẫn điện Đồng được mạ vàng 50 × 50 × 1

Chốt Thep không gỉ bọc nhưa ⏀5

2.5.3. Phương pháp nghiên cứu đánh giá tinh chât MEA

- Cấu truc và sư biến dạng cua lớp xuc tác, màng và lớp khuếch tán khi

cua MEA sau quá trình ep nóng được quan sát bằng hiển vi điện tư

quet SEM.

- Chiều dày cua MEA được xác đinh bằng giá tri trung bình cua 9 lân

đo tại các vi tri khác nhau trên màng MEA.

8

- Phương pháp đo đường cong U‒i: Các đặc trưng điện hóa cua bộ

PEMWE đơn được nghiên cưu bằng phương pháp đo đường cong U‒i:

giá tri hiệu điện thế cua bộ PEMWE đơn được ghi lại khi áp các giá tri

mật độ dòng điện thay đổi tư 0,2–2 A/cm2.

- Độ bền cua bộ PEMWE đơn được đánh giá bằng đường đo hiệu điện

thế cua bộ PEMWE đơn theo thời gian tại mật độ dòng cố đinh

1A/cm2.

- Lưu lượng sản xuất hydro cua bộ PEMWE được đo bằng phương

pháp cột nước thay đổi.

Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác bột IrO2

Để xác đinh khoảng nhiệt độ tạo thành IrO2 tư hai hỗn hợp tiền

chất cua hai phương pháp chế tạo khác nhau, các phương pháp phân

tich nhiệt được thưc hiện (hình 3.1 và 3.2). Quan sát thấy trên cả hai đồ

thi TGA cua hai phương pháp tổng hợp đều chia làm hai giai đoạn, giai

đoạn đâu tiên xẩy ra tại vùng nhiệt độ thấp, các hỗn hợp muối cua cả

hai phương pháp có sư giảm trọng lượng nhanh xuất hiện chu yếu do

quá trình bay hơi cua phân tư nước hấp phu vật lý và dưới dạng hydrat

Hinh 3.1. Giản đồ TGA và DTA

cua hỗn hợp tiền chất

(H2IrCl6.xH2O + NaOH) theo

phương pháp thuy phân

Hinh 3.2. Giản đồ TGA và DTA

cua hỗn hợp tiền chất

(H2IrCl6.nH2O + NaNO3) theo

phương pháp Adams

9

trong muối cua Ir. Giai đoạn hai trên các đồ thi DTA và TG là quá trình

phân huy nhiệt hoàn toàn cua các muối tạo thành bột IrO2. Đối với

phương pháp thuy phân, quá trình này xẩy ra trong khoảng nhiệt độ tư

300 - 394oC. Đối với phương pháp Adams, nhiệt độ phân huy tạo bột

IrO2 trong khoảng 350 - 605,6oC. Kết quả nghiên cưu mẫu thu được

bằng phổ Phổ nhiễu xạ tia X đã chưng minh sản phẩm cuối cùng là

IrO2 (hình 3.3 và 3.4). Tư đây, các bột xuc tác IrO2 sẽ được nung ơ

nhiệt độ 300oC, 400

oC, 500

oC và 600

oC theo phương pháp thuy phân

và 400oC, 500

oC và 600

oC theo phương pháp Adams.

Hinh 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X

cua các mẫu xuc tác IrO2 tổng

hợp bằng phương pháp thuy phân

Hinh 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia

X cua các mẫu xuc tác IrO2 tổng

hợp bằng phương pháp Adams

Hình 3.3 và 3.4 là các giản đồ nhiễu xạ tia X cua các mẫu bột

IrO2 tổng hợp bằng phương pháp thuy phân và phương pháp Adams tại

các nhiệt độ nung khác nhau. Tại các giá tri nhiệt độ nung thấp hơn

500oC, các pic trên giản đồ nhiễu xạ tia X cua cả hai phương pháp tổng

hợp có đỉnh tin hiệu không ro ràng và chân rộng. Điều này do IrO2 tạo

thành tại các nhiệt độ nung này có cấu truc rất min. Khi tăng nhiệt độ

nung lên 500oC và 600

oC, kich thước chân các pic nho đi và các tin

hiệu đỉnh ro net hơn thể hiện cấu truc tinh thể. Các pic trên giản đồ

nhiễu xạ tia X có đỉnh tin hiệu tại giá tri góc 2θ là: 28 (110); 35,1

(101); 54,3 (211) trùng với phổ chuẩn cua IrO2 cấu truc rutil. Như vây,

10

tại nhiệt độ tư 500oC trơ lên, vật liệu xuc tác IrO2 chuyển dân sang cấu

truc tinh thể rutil.

Hinh 3.5. Ảnh SEM cua các mẫu bộ xuc tác IrO2 chế tạo bằng

phương pháp thuy phân, độ phóng đại 80.000 lân

Quan sát trên các ảnh SEM cua các bột xuc tác tổng hợp bằng

phương pháp thuy phân, trên hình thấy rằng các hạt có kich thước

tương đối nho tich tu thành đám hoặc khối. Khi tăng nhiệt độ nung thì

có sư thay đổi kich thước hạt và nhiệt độ nung càng tăng thì kich thước

hạt càng lớn.

Hinh 3.6. Ảnh TEM cua các mẫu bộ xuc tác IrO2 chế tạo bằng

phương pháp Adams, độ phóng đại 80.000 lân

Ảnh TEM cua các mẫu xuc tác bột IrO2 tổng hợp bằng phương

pháp Adams tại các nhiệt độ khác nhau trên hình 3.6 cho thấy so với

phương pháp thuy phân, phương pháp Adams cho các hạt xuc tác phân

bố đồng đều hơn, không bi tich tu và có kich thước nho hơn nhiều (chỉ

khoảng vài nanomet). Tại 400oC các hạt xuc tác thu được rất nho min

và không có gianh giới biên hạt ro ràng. Khi nhiệt độ tăng lên 500oC

các hạt được hình thành ro ràng và tương đối đồng đều. Tại 600oC bột

xuc tác xuất hiện thêm nhiều hạt có hình que với kich thước lớn, hiện

11

tượng này có thể do khi nhiệt độ tăng tốc độ phát triển mâm diễn ra

nhanh hơn khiến cho kich thước tinh thể tăng.

Hình 3.7 là đồ thi CV cua các mẫu xuc tác IrO2 tổng hợp tại

các nhiệt độ khác nhau bằng hai phương pháp thuy phân và Adam.

Nhìn chung, các đường cong CV có hình dáng tương tư đường cong

CV cua IrO2 chuẩn. Tuy nhiên các pic ôxy hóa-khư thể hiện không ro

ràng trư đường CV cua mẫu IrO2 nung tại 400oC theo phương pháp

Adams. Ở cả hai phương pháp, đường CV cua các mẫu nung tại 400oC

có diện tich lớn nhất so với các mẫu nung ơ nhiệt độ cao hơn tại cùng

phương pháp tổng hợp, điều này là do IrO2 nung tại 400oC có kich

thước hạt nho và min nhất nên bề mặt hoạt động điện hóa cua chung là

lớn nhất nên hoạt tinh xuc tác lớn nhất so với các mẫu khác cùng

phương pháp. Do kich thước hạt nho hơn nhiều nên mẫu IrO2 nung tại

400oC bằng phương pháp Adam có hoạt tinh xuc tác lớn hơn so với

mẫu tổng hợp bằng phương pháp thuy phân. Nhiệt độ càng tăng thì

diện tich đường CV càng giảm nghĩa là độ hoạt hóa càng giảm, tuy

nhiên các mẫu tổng hợp bằng phương pháp Adams vẫn luôn có độ

hoạt hóa lớn hơn mẫu cua phương pháp thuy phân ơ cùng nhiệt độ.

(a) Thuy phân (b) Adams

Hinh 3.7. Đồ thi CV cua các bột xuc tác IrO2 trong môi trường

H2SO4 0,5 M, tốc độ quet thế 50 mV/s

12

Tư các đường cong phân cưc anôt cua các mẫu bột xuc tác

trong trong dung dich H2SO4 0.5M, các thông số điện hóa được tinh

toán và tổng hợp trong bảng 3.1. Dưa vào số liệu trong bảng 3.1 ta thấy

ôxit IrO2 nung tại 500oC bằng phương pháp Adam có họat tinh xuc tác

cho phản ưng thoát ôxy trong môi trường axit cao nhất do có điện thế

thoát ôxy EOER thấp nhất.

Bảng 3.1. Thông số điện hóa cua các mẫu IrO2

Mẫu io (µA/cm2) Eoer (mV)

Tổng điện tích

(C/cm2.mg)

400oC-Thuy phân 51 1232 26,25

500oC-Thuy phân 50 1253 22,25

600oC-Thuy phân 33 1262 12,00

400oC- Adams 16 1190 30,50

500oC- Adams 12 1220 23,00

600oC- Adams 22 1222 13,75

Như vậy, các mẫu xuc tác tổng hợp bằng phương pháp Adams

có kich thước hạt nho hơn nên có hoạt tinh xuc tác tốt hơn, bền hơn và

xuc tác cho phản ưng thoát ôxy tốt hơn so với các mẫu xuc tác tổng

hợp bằng phương pháp thuy phân. Tại nhiệt độ nung 400oC các mẫu

xuc tác có kich thước nho min hơn, hoạt tinh xuc tác tốt hơn nhưng lại

kem bền hơn các mẫu nung ơ nhiệt độ 500oC và 600

oC. Việc lưa chọn

xuc tác tối ưu dưa trên sư kết hợp tốt nhất giưa các tinh chất đặc trưng

cua chất xuc tác như độ hoạt hóa, độ bền, khả năng xuc tác tốt cho

phản ưng thoát ôxy cũng chi phi sản xuất, và nhiệt độ 500oC là nhiệt

độ thich hợp để nung bột xuc tác tổng hợp bằng phương pháp Adams.

Nhằm tối ưu hơn nưa bề mặt hoạt động cua bột xuc tác, do

NaNO3 nóng chẩy tại 308oC, vì thế nên duy trì tại nhiệt độ nóng chẩy

này trong một thời gian để NaNO3 nóng chẩy hoàn toàn sẽ dễ dàng

phản ưng với H2IrCl6 để tạo thành IrO2 có hiệu suất cao. Áp dung cải

tiến này, xuc tác IrO2 được tổng hợp bằng phương pháp Adams sưa đổi

13

theo quá trình nung 2 bước, cu thể như sau: nung ơ 325oC trong 30

phut với tốc độ nâng nhiệt 5oC/phut sau đó nâng mưc nhiệt lên 500

oC

với tốc độ gia nhiệt 5oC/phut trong 1 giờ.

Phổ nhiễu xạ tia X cua 2 mẫu IrO2 nung theo chế độ 1 bước và

2 bước có cường độ mạnh giống nhau và có các đỉnh pic trùng với các

pic chuẩn cua IrO2 cấu truc rutil. Điều này chưng to các mẫu nung cả

hai chế độ nhiệt này đều tạo thành IrO2 cấu truc rutil. Tuy nhiên mẫu

nung theo 2 bước nhiệt có chân pic doãng rộng hơn nghĩa là các hạt

xuc tác thu được có kich thước nho hơn. Ảnh TEM cua các mẫu này

cũng cho thấy mẫu nung theo 2 giai đoạn có các hạt nho hơn, đồng đều

hơn, và các hạt to gân như không xuất hiện với kich thước chỉ khoảng

vài nanomet.

Bảng 3.2. Các thông số điện hóa cua IrO2 tại 2 chế độ nhiệt

khác nhau

Thông số io (µA/cm2) Eoer (mV)

Tổng điện tích

(C/cm2.mg)

IrO2 500oC 16 1220 23,0

IrO2 325oC‒500

oC 22 1220 29,5

Đường CV cua 2 chế độ nung có hình dáng tương tư nhau.

mẫu bột xuc tác nung theo 2 bước có tổng diện tich hơn hơn so với

mẫu xuc tác nung 1 bước ngu ý rằng mẫu này có khả năng hoạt hóa tốt

hơn và các phản ưng diễn ra trên bền mặt điện cưc xẩy ra dễ dàng và

thuận lợi hơn. Điều này chưng to, chế độ nung 2 giai đoạn cải thiện độ

hoạt hóa cua bột xuc tác IrO2. Tư đây, các mẫu xuc tác sẽ được chế tạo

theo quy trình nung 2 bước, quy trình chế tạo được đưa ra trên hình

3.14.

14

Hinh 3.14. Quy trình chế tạo chế vật liệu xuc tác bột IrO2

3.2. Nghiên cứu chế tạo vật liệu hỗn hợp xúc tác bột IrxRu(1-x)O2

Tư giản đồ TGA và DTG khi nung các hỗn hợp muối

(H2IrCl6.nH2O + NaNO3) và (RuCl3.mH2O + NaNO3) trong không khi

có thể xác đinh được khoảng nhiệt độ tư 400-600oC là khoảng nhiệt độ

thich hợp để nung hỗn hợp muối thành ôxit IrxRu(1-x)O2, kết hợp phân

thưc nghiệm 3.1 (đã chưng to nhiệt độ 500oC là nhiệt độ tối ưu để tổng

15

hợp IrO2) chung tôi đưa ra nhiệt độ thich hợp để tổng hợp các bột xuc

tác IrO2, Ir0.9Ru0.1O2, Ir0.8Ru0.2O2, Ir0.7Ru0.3O2, Ir0.6Ru0.4O2, Ir0.5Ru0.5O2

và RuO2 là 500°C theo phương pháp Adams sưa đổi sư dung tiền chất

là hai muối H2IrCl6.nH2O và RuCl3.mH2O.

Hinh 3.17. Giản đồ nhiễu xạ tia X cua các mẫu

hỗn hợp xuc tác IrxRu(1-x)O2

Hình 3.17 là giản đồ nhiễu xạ tia X cua các mẫu bột

IrxRu1−xO2. Có thể quan sát thấy giản đồ nhiễu xạ cua tất cả các mẫu

đều có đỉnh tin hiệu ro ràng, chân pic hẹp và có cấu truc rutil. Pic nhiễu

xạ cua RuO2 và IrO2 được phân bố ơ các góc 2θ gân như tương tư nhau.

Các pic nhiễu xạ cua hỗn hợp ôxit đều có cả tất cả các góc nhiễu xạ

đặc trưng cua hai ôxit tinh khiết và các pic này chuyển dich tư tư về

phia các pic cua ôxit RuO2 khi tăng dân nồng độ Ru. Điều này chưng to

khi nguyên tư Ru đã thâm nhập vào các ô mạng cơ sơ cua Ir và tạo

thành hỗn hợp dung dich rắn

Kết quả phân tich EDX cua các mẫu bột IrxRu(1-x)O2 (x =0,5;

0,6; 0,7; 0,8; 0,9) cho thấy sư có mặt cua các nguyên tố Ir, Ru, O2 tại

tất cả các mẫu hỗn hợp ôxit và tỉ lệ mol Ir và Ru lý thuyết và tỉ lệ mol

thưc tế không khác nhau nhiều chưng to phương pháp Adams sưa đổi

là phương pháp thich hợp để tổng hợp hỗn hợp bột xuc tác với thành

phân mong muốn.

16

Ảnh TEM cho thấy ơ tất cả các mẫu, các hạt tich tu it, phân bố

khá đồng đều và kich thước hạt rất nho (chỉ vài nanomet). Kich thước

hạt tăng dân khi tăng dân hàm lượng Ru. Các hạt IrO2 có các hạt kich

thước nho (khoảng tư 2-5 nm) tuy nhiên lại xen lẫn với các hạt có dạng

kết tinh đinh hướng theo hình que với kich thước rất lớn (tư 10-40 nm).

Trong khi các hạt RuO2 đồng đều hơn, các hạt có kich thước to hơn (tư

10-15 nm). Khi thêm dân RuO2 vào, hình thái học bề mặt cua các hạt

thay đổi dân dân. Các hạt xuc tác có kich thước tăng dân lên không

đáng kể và các hạt hình que có kich thước lớn dân biến mất.

Các đường CV cua các mẫu bột IrxRu(1-x)O2 có các đỉnh rộng

và giới hạn các pic cua RuO2 ro ràng hơn cua IrO2. Ôxit RuO2 có độ

hoạt hóa lớn nhất trong khi ôxit IrO2 có độ hoạt hóa kem nhất. Các hỗn

hợp ôxit có hình dáng tương tư nhau và có độ hoạt hóa trung bình ơ

giưa IrO2 và RuO2.

Bảng 3.4. Thông số điện hóa cua các mẫu IrxRu1−xO2

Mẫu io

(µA/cm2)

EOER

(mV)

Tổng điện tích

(C/cm2.mg)

Suy giảm hoạt

tính (%)

IrO2 22 1220 29,5 4,6

Ir0.9Ru0.1O2 11 1200 32,8 5,1

Ir0.8Ru0.2O2 14 1180 33,7 6,1

Ir0.7Ru0.3O2 16 1140 38,2 7,8

Ir0.6Ru0.4O2 20 1160 34,6 9,5

Ir0.5Ru0.5O2 24 1150 36,9 10,2

RuO2 42 1100 38,9 19,8

Sư suy giảm hoạt tinh cua hỗn hợp xuc tác được thể hiện qua

sư suy giảm diện tich các đường CV sau 1000 vòng quet CV thư

nghiệm độ bền trong H2SO4 0,5 M với tốc độ quet 50 mV/s. Các kết

quả đo được thể hiện bảng 3.4. Tư kết quả thu được cho thấy, mặc dù

IrO2 có độ hoạt hóa kem hơn nhưng lại bền hơn RuO2 và điều này phù

hợp với các nghiên cưu trước đây. IrO2 chỉ bi suy giảm hoạt tinh 4,6%

17

sau 1000 vòng quet trong khi RuO2 bi suy giảm đến 19,8%. Khi RuO2

được thêm dân vào thì độ suy giảm hoạt tinh giảm dân đi chưng to độ

bền cua hỗn hợp giảm dân khi hàm lượng Ru tăng. Cả IrO2 và RuO2

khi đặt trong chất điện ly sẽ được bao phu bằng lớp hydroxit. Các bước

phản ưng cho quá trình ôxy hóa ôxy trên bề mặt IrO2 và RuO2 lân lượt

diễn ra và số ôxy hóa cua iridi và rutheni tăng dân. Đối với iridi, thế

cua quá trình chuyển đổi cuối (Ir4+

/ Ir6+

) khoảng 2,057 V và với

rutheni (Ru4+

/ Ru6+

) là 1,4 V. Giá tri điện thế đó cũng chinh là điện thế

giới hạn cho vận hành quá trình điện phân sư dung các xuc tác trên.

Điều này cũng lý giải tại sao IrO2 lại bền hơn nhiều so với RuO2

Kết quả đo đường cong phân cưc anôt cua các mẫu bột xuc tác

trong trong dung dich H2SO4 0,5M được chỉ ra trên hình 3.27. Các

thông số điện hóa được tổng hợp trong bảng 3.4. Xuc tác IrO2 là chất

xuc tác hoạt tinh thấp nhất cho quá trình thoát ôxy do có điện thế thoát

ôxy là cao nhất. Khi tăng dân hàm lượng Ru trong hỗn hợp thì khả

năng xuc tác cho quá trình thoát ôxy tăng dân lên và tốt nhất khi chỉ có

ôxit RuO2

Hinh 3.27. Đường cong phân cưc anôt cua IrxRu1−xO2 đo trong H2SO4

0,5 M tốc độ quet 1 mV/s

Như vậy, có thể thấy rằng phương pháp Adams sưa đổi đã chế

tạo được hỗn hợp bột xuc tác IrxRu1−xO2 có kich thước tương đối đồng

18

đều, kich cơ nho cơ nanomet và cấu truc rutil, có hoạt tinh tốt và có độ

bền cho quá trình thoát ôxy tại anôt. Sư thêm vào Ru đã tạo thành dung

dich rắn giưa Ir và Ru làm cải thiện đáng kể hình thái học bề mặt cũng

như kich thước cua các hạt xuc tác tư đó cải thiện hoạt tinh xuc tác mà

không làm giảm đáng kể độ bền cho quá trình thoát ôxy. Hỗn hợp xuc

tác Ir0.7Ru0.3O2 có độ kết tinh tốt nhất do tại tỉ lệ mol này sư tạo thành

dung dich rắn giưa Ru và Ir là cao nhất. Các hạt Ir0.7Ru0.3O2 có hình

thái học khá đồng đều cho hoạt tinh cao nhất và độ bền trung bình

trong số các hỗn hợp xuc tác. Có thể nói hỗn hợp xuc tác với tỉ lệ mol

(Ir:Ru)=(7:3) thể hiện sư kết hợp tốt nhất giưa độ hoạt hóa và sư ổn

đinh, chinh vì thế chung tôi lưa chọn hỗn hợp Ir0.7Ru0.3O2 cho nhưng

nghiên cưu tiếp theo.

3.3. Nghiên cứu chế tạo vật liệu hỗn hợp xúc tác hệ ba câu tử

IrRuMO2 (với M là Ti, Sn, Co)

Muc đich cua phân nghiên cưu này là đưa vào hỗn hợp xuc tác

Ir0.7Ru0.3O2 một cấu tư thư ba nhằm giảm lượng xuc tác kim loại quý để

tạo ra hỗn hợp IrRuMO2 vẫn giư được hoạt tinh và độ bền cao cho

phản ưng thoát ôxy. Các chất được đưa vào với tỉ lệ mol ban đâu là

Ir:Ru:M= 1:1:1 (M = Ti; Sn; Co)

Hinh 3.28. Giản đồ nhiễu xạ tia X cua các mẫu hỗn hợp

xuc tác IrRuTiO2; IrRuSnO2; IrRuCoO2.

19

Hinh 3.29. Ảnh TEM cua các mẫu hỗn hợp xuc tác

IrRuMO2 (M = Ti, Sn, Co), độ phóng đại 80.000 lân

Hình 3.28 là phổ nhiễu xạ tia X cua các mẫu hỗn hợp xuc tác

IrRuTiO2; IrRuSnO2; IrRuCoO2và Ir0.7Ru0.3O2 chế tạo được. Có thể

thấy phổ nhiễu xạ cua cả 3 hỗn hợp đều có các pic chinh cua

Ir0.7Ru0.3O2. Tin hiệu pic cua IrRuTiO2 ro ràng nhất, sau đó đến

IrRuCoO2 và thấp nhất là IrRuSnO2. Điều này chưng to với M = Ti cho

độ tinh thể cao nhất. Nguyên nhân có thể do Ti có kich thước tinh thể

gân giống với Ir và Ru nhất nên dễ dàng trộn lẫn với Ir và Ru ơ mưc độ

tinh thể để tạo thành dung dich rắn. Độ doãng rộng cua các pic cho

thấy tinh thể cua IrRuSnO2 là be nhất rồi đến IrRuCoO2 và IrRuTiO2

điều này cũng phù hợp với ảnh TEM trong hình 3.29.Các giá tri điện

tich, suy giảm điện tich và điện thế thoát ôxy xác đinh tư các đồ thi

được liệt kê trong bảng 3.5. Hoạt tinh cua các chất cũng thay đổi với

hoạt tinh tăng dân theo hướng Ti < Sn < Co. Điều này là do độ dẫn

điện cua các chất này cũng tăng dân (điện trơ suất cua ρTiO2 = 108

Ωcm; ρSnO2 = 107

Ωcm; ρCo3O4 = 104

Ωcm). Tuy nhiên, độ suy giảm

sau 1000 vòng quet CV cua IrRuCoO2 lại cao nhất do Co3O4 là một

chất ôxy mạnh nên nó không bền vưng trong môi trường axit được tạo

điều kiện làm việc cua PEMWE.

20

Bảng 3.5. Thông số điện hóa cua các mẫu IrRuMO2

Mẫu io

(µA/cm2)

Eoer

(mV)

Tổng điện tích

(C/cm2.mg)

Suy giảm hoạt

tính (%)

Ir0.7Ru0.3O2 16 1140 38,2 7,8

IrRuSnO2 38 1220 33,7 19,4

IrRuTiO2 28 1220 26,7 16,7

IrRuCoO2 49 1138 42,6 18,84

Như vậy, xet về độ bền xuc tác IrO2 vẫn là xuc tác lý tương

cho phản ưng thoát ôxy. Hỗn hợp Ir0.7Ru0.3O2 là sư kết hợp tốt nhất

giưa độ bền cua IrO2 và độ hoạt hóa cua RuO2. Khi thay thế Ir và Ru

đắt tiền bằng nhưng chất rẻ tiền dễ kiếm hơn thì Ti là một lưa chọn tốt.

Để đảm bảo hiệu suất và độ bền khi áp dung xuc tác anôt chế tạo được

vào một bộ PEMWE đơn, chung tôi quyết đinh lưa chọn hỗn hợp xuc

tác Ir0.7Ru0.3O2 cho nhưng thư nghiệm tiếp theo.

3.4. Chế tạo và đánh giá tính chât của bộ PEMWE đơn

Các bộ phận cua bộ PEMWE đơn được thiết kế bao gồm: tấm

phân dòng với các kênh dẫn nước, tấm dẫn điện, tấm vo và tấm đệm,

sau đó được lắp ghep và hình 3.39 là hình ảnh cua bộ PEMWE đơn và

hình 3.40 là hệ thống thư nghiệm PEMWE đơn.

Hinh 3.39. Bộ PEMWE

đơn

Hinh 3.40. Hệ thống thư nghiệm PEMWE

Hiệu suất chuyển hóa năng lượng cua PEMWE được quyết

đinh bơi tinh chất cua MEA. Tinh chất cua MEA sẽ bi ảnh hương bơi

các thông số như mật độ xuc tác, hàm lượng ionomer và đặc biệt là

phương pháp chế tạo MEA. Trong phương pháp ep nóng được sư dung

để chế tạo MEA thì quá trình ep tại nhiệt độ cao đóng vai trò rất quan

21

trọng. Có ba thông số quan trọng trong quá trình ep sẽ ảnh hương lên

tinh chất cua MEA là lưc ep, nhiệt độ và thời gian ep. Trong luận án

này, thời gian và nhiệt độ ep được giũa cố đinh là 180 s và 130oC lưc

ep được thay đổi tư 18-22 kg/cm

Hình 3.43 là đồ thi U-i cua PEMWE đơn có MEA ep ơ các lưc

ep khác nhau. Quan sát trên U-i nhận thấy rằng khi lưc ep giảm dân thì

các đường cong phân cưc có xu hướng dich chuyển dân về bên trái,

chưng to lưc ep giảm thì điện thế cua PEMWE tăng. Trong giai đoạn

mật độ dòng trung bình, độ dốc cua đường U-i cua MEA chế tạo tại 20

và 22 kg/cm2

thấp hơn so với các MEA chế tạo tại giá tri lưc ep khác,

có nghĩa là điện trơ nội cua MEA chế tạo tại giá tri lưc ep 18 và 24

kg/cm2

sẽ cao hơn điện trơ nội cua MEA chế tạo tại lưc ep 20 và 22

kg/cm2. Điều này có thể do sư gắn kết long lẻo giưa màng ngăn và lớp

xuc tác tại lưc ep 18 kg/cm2, còn tại lưc ep 24 kg/cm

2 thì sư gắn kết

này lại quá đặc chắc hơn như các kết quả phân tich chup ảnh SEM. Tại

giá tri lưc ep 22 kg/cm2 điện thế cua PEMWE đạt được tại mật độ dòng

1 A/cm2 thấp nhất chưng to tại giá tri lưc ep này hiệu suất cua PEMWE

đạt được cao nhất.

Hình 3.44 là đồ thi đo điện thế cua PEMWE với điện cưc

màng MEA chế tạo tư bốn loại lưc ep khác nhau theo thời gian. Trên

đồ thi có thể thấy các đường cong điện thế theo thời gian dich chuyển

về bên trái theo chiều giảm lưc ep. Với MEA chế tạo tại lưc ep nho 18

kg/cm2, giá tri điện thế tăng nhanh và có giá tri lớn nhất. Điều này có

thể do tại lưc ep yếu nên liên kết không đu tốt nên làm xuất hiện sư

bong tách cua lớp GDL với màng nafion sau một thời gian thẩm thấu

cua phân tư nước qua bề mặt liên kết. Do đó, có thể thấy lưc ep 18

kg/cm2

là chưa đu trong chế tạo MEA bằng phương pháp ep nhiệt. Tại

các giá tri lưc ep 20 và 24 kg/cm2

có mưc độ ổn đinh tương đối tốt cho

dù điện thế khá cao. Điện thế cua PEMWE với điện cưc màng MEA

chế tạo tư lưc ep 22 kg/cm2 cho sư ổn đinh tốt nhất tại giá tri điện thế

22

thấp nhất và điều này cũng phù hợp với các kết quả nhận được tư các

đồ thi trên hình 3.43.

Hinh 3.43. Đường cong U-i cua

PEMWE có lưc ep MEA khác nhau

Hinh 3.44. Độ bền cua bộ

PEMWE theo thời gian

Để đánh giá hiệu quả điện phân tạo ra hydro, bộ PEMWE đơn

với MEA ep tại 22 kg/cm2 được chạy tại các giá tri mật độ dòng khác

nhau. Lượng khi hydro sản phẩm được thu vào bình và được đo thể

tich. Tại giá tri lưc ep 22 kg/cm2 điện thế cua PEMWE tại mật độ dòng

2 A/cm2 năng suất hydro thu được có thể đạt 8,2 ml/phut

Bảng 3.8. Hiệu điện thế cua các bộ PEMWE đơn tham khảo tư các

nghiên cưu

TT Xuc tác cho

OER

Hiệu điện thế tại mật độ dòng

1 A/cm2 (mV)

Tài liệu tham

khảo

1 Ir0.6Ru0.4O2 1,567 [35]

2 IrO2 1,600 [97]

3 IrO2 1,610 [49]

4 Ir0.2Ru0.8O2 1,617 [86]

5 Ir0.7Ru0.3O2 1,618 Luận án

6 Ru0.8Nb0.2O2 1,620 [98]

7 Ir0.5Ru0.5O2 1,710 [99]

8 Ru0.9Ir0.1O2 1,750 [100]

9 Ir 2,000 [70]

10 Ir0.5Ru0.5O2 2,250 [90]

Bảng 3.8 đưa ra một số kết quả nghiên cưu trong và ngoài

nước về hiệu quả điện phân cua bộ PEMWE đơn sư dung các chất xuc

tác cho phản ưng thoát ôxy, thông số chinh dùng để đánh giá hiệu quả

23

điện phân là giá tri điện thế tại mật độ dòng 1 A/cm2. Khi so sánh với

các kết quả trên, giá tri điện thế cua bộ PEMWE đơn sư dung xuc tác

Ir0.7Ru0.3O2 cho phản ưng thoát ôxy đạt được 1,618 V trong luận án này

khá thấp chưng to xuc tác Ir0.7Ru0.3O2 và bộ PEMWE chế tạo được có

hiệu quả cao.

KẾT LUẬN

1. Đã tổng hợp thành công vật liệu xuc tác IrO2 cho phản ưng thoát ôxy

trên điện cưc anôt trong thiết bi điện phân PEMWE bằng các phương

pháp thuy phân và Adams sư dung tiền chất là H2IrCl6.

2. Đã nghiên cưu cải thiện phương pháp Adams và đưa ra quy trình

Adams sưa đổi ổn đinh để chế tạo vật liệu xuc tác IrO2 ơ quy mô 1

gram, có cấu truc tinh thể rutil với kich thưc nano (3-20 nm), có hoạt

tinh, độ bền cao đối với phản ưng thoát ôxy trong dung dich H2SO4 0,5

M

3. Đã tổng hợp thành công vật liệu xuc tác hỗn hợp hai cấu tư IrxRu(1-

x)O2 (x =0; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 1) bằng phương pháp Adams sưa đổi. Đã

tìm ra tỉ lệ mol Ir:Ru là 7:3 mang lại sư kết hợp tốt nhất giưa hoạt tinh

và độ bền cua chất xuc tác. Đó là hỗn hợp xuc tác Ir0.7Ru0.3O2.

4. Đã tổng hợp thành công vật liệu xuc tác hỗn hợp ba cấu tư IrRuMO2

(M=Ti; Sn; Co). Các kết quả nghiên cưu chỉ ra rằng cấu tư thư 3 là

Titan cho độ hoạt tinh và độ bền phù hợp. Vật liệu IrRuTiO2 áp dung

trong thiết bi sản xuất hydro PEMWE hưa hẹn mang lại hiệu quả kinh

tế do giảm chi phi sư dung nguyên tố qui Iridium.

5. Một bộ điện phân PEMWE đơn với diện tich làm việc 5cm2 đã được

thiết kế chế tạo tại phòng thi nghiệm với vật liệu xuc tác Ir0.7Ru0.3O2 tư

tổng hợp. Đã đưa ra các thông số kỹ thuật chế tạo điện cưc màng thich

hợp bằng phương pháp ep nóng (lưc ep 22 kg/cm2, nhiệt độ 130

0C,

thời gian 180s). Thiết bi điện phân PEMWE tư chế tạo vận hành ổn

24

đinh đạt điện thế 1,618 V tại mật độ dòng 1 A/cm2. Đây là điện áp

tương đương so với các nghiên cưu xuc tác trên thế giới.

CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN

1. Đã chế tạo được vật liệu bột xuc tác IrO2 và IrxRu(1-x)O2 (x =0; 0,5;

0,6; 0,7; 0,8; 1) dưa trên quy trình Adams có sưa đổi, tìm ra vật liệu

bột xuc tác Ir0.7Ru0.3O2 cho hoạt tinh và độ bền tốt nhất.

2. Đã chế tạo được bột xuc tác hệ tam nguyên IrRuTiO2 có hoạt tinh và

độ bền cao phù hợp cho quá trình thoát ôxy trong thiết bi điện phân

nước màng trao đổi proton PEMWE.

3. Đã chế tạo thành công bộ PEMWE đơn có diện tich làm việc MEA

đạt 5 cm2 (sư dung vật liệu bột xuc tác anôt Ir0.7Ru0.3O2, mật độ xuc tác

phu trên điện cưc 4mg/cm2) cho năng suất sản xuất hydro đạt 8,2

mL/phut tại mật độ dòng 2A/cm2.

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

1. Hong Hanh Pham, Ngoc Phong Nguyen, Chi Linh Do and Ba

Thang Le, Nanosized IrxRu1−xO2 electrocatalysts for oxygen evolution

reaction in proton exchange membrane water electrolyzer, Adv. Nat.

Sci.: Nanosci. Nanotechnol.6, 2015, 025015 (5ppm).

2. Phạm Hồng Hạnh, Nguyễn Ngọc Phong, Đỗ Chi Linh, Tổng hợp và

đánh giá tinh chất cua vật liệu bột RuO2 xuc tác cho phản ưng thoát

ôxy trong điện phân màng trao đổi proton,Tạp chi Khoa học và Công

nghệ , 2014, T52(3C), 616-662.

3. Phạm Hồng Hạnh, Nguyễn Ngọc Phong, Đỗ Chi Linh, Ngô Ánh

Tuyết, Nghiên cưu tổng hợp vật liệu IrO2 xuc tác cho phản ưng thoát

ôxy trong điện phân màng trao đổi proton, Tạp chi Hóa học, 2014,

T52(6B), 38-41.

4. Pham Hong Hanh, Nguyen Ngoc Phong, Le Ba Thang, Pham Thy

San, Do Chi Linh, Preparation of RuO2 for oxygen evolution reaction

in proton exchange membrane water electrolyzer by Adams’ fusion

method, Tạp chi Hóa học, 2017, T55, 415-420.