Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác trên cơ sở nano kim loại và carbon nano ứng dụng cho các điện cực trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC)

0
7657

Pin nhiên liệu màng trao đổi proton được các nhà khoa học trên thế giới tập trung nghiên cứu do nó có nhiều ưu điểm như không gây ồn, linh hoạt, có hiệu suất chuyển hóa năng lượng khá cao (có thể lên tới trên 60%), mật độ năng lượng và điện năng rất lớn, thời gian khởi động nhanh, làm việc tại nhiệt độ không cao (< 80oC), sử dụng nguồn năng lượng sạch nên không tạo ra các chất thải cho môi trường. PEMFC hứa hẹn là nguồn điện thay thế và áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống, từ các thiết bị điện tử xách tay tới các trạm phát điện gia đình và trong giao thông vận tải.

Hiện nay PEMFC được xem như là nguồn duy nhất có khả năng tích trữ điện trong thời gian dài. Tuy nhiên, ở Việt Nam việc nghiên cứu về PEMFC vẫn chưa nhiều, do chúng ta chưa chủ động được về vật liệu cốt lõi trong nghiên cứu PEMFC, đặc biệt là các vật liệu xúc tác để làm xúc tác cho bộ pin nhiên liệu. Giá nhập ngoại các vật liệu này tương đối cao, nên để có thể phát triển mạnh nghiên cứu về PEMFC tại Việt Nam thì việc nghiên cứu điều chế các vật liệu xúc tác, nhằm chủ động về vật liệu cốt lõi trong nghiên cứu cũng như giảm nhập ngoại là rất cần thiết. Nhằm góp phần giải quyết các vấn đề cấp bách liên quan đến vấn đề này, nhóm nghiên cứu do PGS.TS. Nguyễn Thị Phương Thoa, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh đã đề nghị và được chấp thuận triển khai thực hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác trên cơ sở nano kim loại và carbon nano ứng dụng cho các điện cực trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC)”. Đây là đề tài nghiên cứu thuộc nhóm đề tài nghiên cứu cơ bản định hướng ứng dụng.

Các nội dung chính bao gồm:

Nội dung 1: Tổng hợp vật liệu xúc tác trên cơ sở nano kim loại và carbon nano (Pt/C, Pd/C, Ru/C, PtNi/C, PdCo/C, PdMo/C, Pt-Ru/C, Pd-Co-Mo/C) cho phản ứng điện cực dương và âm của pin nhiên liệu màng trao đổi proton. Đánh giá cấu trúc, tính chất và độ bền của vật liệu chế tạo.

Nội dung 2: Chế tạo các điện cực màng tẩm vật liệu xúc tác nano. Đo đạc tính năng hóa lý, điện hóa của điện cực, hoạt tính xúc tác cho phản ứng điện cực trong pin nhiên liệu.
Nội dung 3: Chế tạo và lắp ráp monocell có công suất 1-10W. Tính toán mô hình hóa kết hợp với các giá trị thực nghiệm để tối ưu hóa các thông số kỹ thuật và thiết kế tế bào (cell). Khảo sát các thông số điện hóa của các quá trình điện cực trong những điều kiện hoạt động khác nhau của pin mô hình.

Sau một thời gian triển khai thực hiện, nhóm nghiên cứu đã đạt được những kết quả như sau:

Nội dung 1: hoàn thành 100% khối lượng

  • Đã hoàn thành nghiên cứu các điều kiện tổng hợp vật liệu xúc tác nano đơn kim loại và đa kim loại trên cơ sở Pt, Pd, Ru, Co, Ni
  • Đã hoàn thành nghiên cứu các điều kiện tổng hợp vật liệu xúc tác trên cơ sở nano kim loại và carbon nano bao gồm Pt/C, Pd/C, PtRu/C. Đã hoàn thành các chuyên đề chế tạo các hạt nano PtNi, Pd trên các hệ giá mang khác nhau cụ thể carbon Vulcan, carbonnanotube – CNT tự chế tạo tại Việt Nam (2 loại), CNT đã biến tính, từ đó thực hiện các khảo sát đặc tính hóa lý và điện hóa của vật liệu. Đã tổng hợp và khảo sát quá trình tổng hợp các dạng nano đa kim loại: palladium-cobalt-molypđen, platinum-ruthenium, nghiên cứu xác định cấu trúc pha kim loại – hợp kim, tối ưu thành phần pha như mong muốn.
  • Đã khảo sát tính chất xúc tác hạt nano kim loại Pt/C, Pd/C, PtNi/C, PtRu/C PdCo, PdMo, Pd-Co-Mo/C,… bằng các phương pháp XRD, SEM, TEM, XRF, đo diện tích bề mặt riêng…
  • Đã xác định được cấu trúc nano đồng đều của vật liệu và điều kiện chế tạo tương ứng. Đã đánh giá tính năng điện hóa, độ bền của vật liệu chế tạo.
  • Đánh giá hoạt tính xúc tác trên cơ sở hệ nano kim loại tổng hợp trên nền nanocarbon cho phản ứng mô hình tại điện cực âm và điện cực dương (phản ứng khử oxy).

Nội dung 2: hoàn thành 100% khối lượng

  • Đã chế tạo các dạng điện cực trong đó xúc tác nano kim loại trên chất mang được phủ lên các đế nền glassy carbon, đế nền carbon paper.
  • Đã đánh giá chất lượng xúc tác nano kim loại thông qua nghiên cứu tính chất điện hóa của hệ vật liệu.
  • Đánh giá thử nghiệm tính chất hóa lý- điện hóa các hệ vật liệu điện cực. Đã xây dựng các hệ kiểm định mô hình: chất điện giải nền axit, chất điện giải nền baz, nhiên liệu đầu vào là các dạng alcol mạch ngắn dễ bị oxi hóa điện hóa như methanol, ethanol, ethylene glycol, glycerol…
  • Xác định cấu trúc pha, hình thái học của điện cực và màng trao đổi proton.
  • Đã nghiên cứu chế tạo lớp phủ titan bằng phương pháp phún xạ ứng dụng làm bipolar plate. Nghiên cứu tạo lớp phủ nickel bằng phương pháp điện hóa. Đánh giá khả năng chịu ăn mòn của bipolar của lớp phủ titan và lớp phủ nickel bằng các phương pháp điện hóa (phổ tổng trở, phân cực tuyến tính…).
  • Đã nghiên cứu chế tạo màng composit trên cơ sở nafion và hạt silica biến tính (gắn nhóm – SO3H) nhằm làm pha gia cường cho hệ composite chứa Nafion.
  • Đã nghiên cứu việc chế tạo hợp kim bằng phương pháp ESD.
  • Đã hoàn thành việc nghiên cứu chế tạo tấm MEA trên cơ sở Nafion và tẩm vật liệu xúc tác nano.
  • Đã xây dựng mô hình quá trình điện hóa, quá trình nhiệt và tính toán lượng nhiên liệu và khí oxy vào ra hệ monocell.

Nội dung 3: hoàn thành 100% khối lượng

Đã chế tạo, thử nghiệm và đánh giá tính chất của các thành phần: vỏ ngoài, điện cực góp, gioăng, tấm lưỡng cực.

Đã tính toán mô hình hóa, xây dựng các thông số kỹ thuật ban đầu, thiết kế cell để phù hợp điều kiện vận hành.

Đã khảo sát khả năng chịu áp lực, chịu nhiệt (tới 200oC) của vật liệu vỏ monocell nhằm phù hợp với các điều kiện hoạt động thực tế khác nhau của pin mô hình. Khảo sát tính chất ăn mòn tấm lưỡng cực trong môi trường giả lập hệ điện ly của PEMFC. Đã lựa chọn, cài đặt thông số, hiệu chỉnh hệ thống đo pin. Đã chế tạo monocell và đo đạc các thông số hoạt động.

Quy trình chế tạo điện cực anot cho pin nhiên liệu màng trao đổi proton trên cơ sở vật liệu xúc tác nano của nhóm nghiên cứu đã được cấp bằng sáng chế cho giải pháp hữu ích.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 13266/2016) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

P.T.T (NASATI)