Chế tạo và khảo sát tính chất điện hóa của xúc tác PtM/C (M = Ni, Cu, Co) sử dụng cho pin nhiên liệu màng trao đổi proton - NCS. Vũ Thị Hồng Phượng

Tên luận án: Chế tạo và khảo sát tính chất điện hóa của xúc tác PtM/C (M = Ni, Cu, Co) sử dụng cho pin nhiên liệu màng trao đổi proton
Ngành: Hóa lý thuyết và Hóa Lý
Mã số ngành: 62440119
Họ tên nghiên cứu sinh: Vũ Thị Hồng Phượng         
Khóa đào tạo: 2013
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần Văn Mẫn
PGS.TS. Lê Mỹ Loan Phụng
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
1. Tóm tắt luận án 
Pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) là một thiết bị đầy tiềm năng cho phương tiện vận chuyển và các thiết bị dân dụng. Tuy nhiên, các PEMFC hiện tại có một số vấn đề cần được giải quyết bao gồm chi phí cao, mật độ năng lượng đủ lớn và độ bền hiệu suất còn hạn chế. Giá thành của pin nhiên liệu chủ yếu tập trung ở  xúc tác (chiếm 41%). Do đó, cải thiện xúc tác để nâng cao hiệu suất và giảm giá thành là mục tiêu mà nhiều nhà khoa học quan tâm. Trên cơ sở đó, luận án nghiên cứu phát triển hệ xúc tác nano kim loại PtxMy/C (M = Ni, Cu, Co) trên giá mang khác nhau (carbon Vulcan và carbon nanotube) có hoạt tính cao, giá thành rẻ trên nền kim loại Pt cho pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC). Phương pháp khử hóa học với sự hỗ trợ của siêu âm và vi sóng được thực hiện để tổng hợp xúc tác với tỉ lệ mol Pt:M lần lượt là 1:0; 3:1; 2:1; 1:1; 1:2; 1:3. Hiệu suất quá trình tổng hợp được đánh giá bằng phương pháp đo UV-Vis của dung dịch tiền chất và dung dịch sau lọc. Vật liệu xúc tác tổng hợp được đánh giá cấu trúc, hình thái bằng phương pháp TEM, XRD, ICP-MS, BET. Đánh giá diện tích hoạt hóa điện hóa của xúc tác (ECSA) qua phép đo CV trong môi trường HClO4 0,5 M, tốc độ quét 50 mV/s. Đánh giá sự oxy hóa nhiên liệu của xúc tác tại điện cực anod trên methanol, ethanol, etylen glycol, glycerol. Đánh giá phản ứng khử oxy(ORR) tại cathod bằng phương pháp LSV trong môi trường O2/H2SO4 0,5 M bão hòa. Đánh giá hệ số tuyến tính của đường thẳng Koutecky Levich và đánh giá động học phản ứng khử oxy dựa trên tính toán số electron trao đổi tại cathod. Sự ổn định của xúc tác tổng hợp được đánh giá trên sự suy giảm hoạt tính xúc tác cho phản ứng oxy hóa ancol theo thời gian trong môi trường KOH 1,0 M và MeOH 0,1 M ở 3600 s với phương pháp chronoamperometric (CA).
Nghiên cứu so sánh, lựa chọn xúc tác tổng hợp phù hợp để tiến hành chế tạo tổ hợp màng điện cực MEA trên những vật liệu có sẵn tại Việt Nam. Nghiên cứu, chế tạo các bộ phận khác của pin nhiên liệu như: tấm vỏ ngoài, tấm điện cực góp, gioăng đệm khí, tấm lưỡng cực…tiến hành bước đầu lắp ráp pin và khảo sát sơ lược sự rò điện, thế mạnh hở của pin.  
2. Những kết quả mới của luận án 
Hiệu suất khử của quá trình tổng hợp xúc tác đều đạt trên 90%. Kích thước của hệ xúc tác nano PtxMy/C (M = Ni, Cu, Co) trên giá mang carbon Vulcan và CNT nằm trong khoảng 1-5 nm (TEM), các hạt phân tán khá đều, bám trên nền khá tốt, ít có sự kết tụ thành đám. Các peak nhiễu xạ (XRD) bị lệch về góc lớn hơn điều đó chứng tỏ có mặt của các kim loại thứ hai Ni, Cu, Co (XRD, ICP-MS) trong xúc tác. Diện tích bề mặt riêng BET của các vật liệu tổng hợp đều lớn hơn Pt thương mại. Diện tích hoạt hóa điện hóa bề mặt (ESCA) của các xúc tác là 16,18 m2/g; 40,85 m2/g; 17,07 m2/g; 24,39 m2/g; 18,21 m2/g lần lượt đối với PtNi2/C; Pt2Ni/t-CNT1; PtCu/C; PtCu2/CNT; PtCo3/C. Tính chất điện hóa của xúc tác như diện tích hoạt hóa điện hóa, sự oxy hóa nhiên liệu tại anod, khả năng khử oxy tại cathod đều cao hơn khi so với Pt/C thương mại. Các mẫu xúc tác PtxMy/C (M = Ni, Cu, Co) cho ORR có thế bắt đầu khử Eop cao nhất là 0,636 V với xúc tác Pt3Ni/C; 0,663 V với xúc tác PtCu/C; 0,61 V với xúc tác PtCo/C. Hoạt tính xúc tác theo khối lượng lớn nhất lần lượt là 1,00 A/mg; 1,12 A/mg; 0,56 A/mg ứng với hệ PtNi2/C; PtCu/C; PtCo/C tại E = 0,1 V. Hệ xúc tác PtxMy/C (M = Ni; Cu; Co) bị ngộ độc ở thời gian đầu khảo sát (khoảng 500 s) từ 1200-3600 s trở đi tương đối ổn định. Hệ số tuyến tính của đường thẳng Koutecky Levick đều trên 99%. Số electron trao đổi tính toán được của phản ứng khử oxygen nằm trong khoảng 3 đến 4, nghĩa là trong quá trình khử vẫn xảy ra giai đoạn trung gian không mong muốn là tạo ra H2O2. Tỉ lệ vật liệu xúc tác tổng hợp thích hợp nhất về các thông số điện hóa và giảm được giá thành là các tỉ lệ PtNi/C; PtCu/C; PtCo/C.
Lắp ráp pin PEMFC với hệ xúc tác tổng hợp cho kết quả thế mạch hở với hệ PtNi/C, PtCu/C, PtCo/C lần lượt là 0,85; 1,01; 0,94 V đều cao hơn pin thương mại Horizon fuel cell techonologies là 7,8 V với bộ stack gồm 13 đơn pin.
3. Các ứng dụng/ khả năng ứng dụng trong thực tiễn hay những vấn đề còn bỏ ngỏ cần tiếp tục nghiên cứu
Kết quả của đề tài có thể được sử dụng làm tiền đề nghiên cứu cho hệ xúc tác lưỡng kim trên cơ sở kim loại Pt sử dụng trong pin nhiên liệu màng trao đổi proton.    Nghiên cứu thêm các tỉ lệ kim loại khác nhau cũng như khảo sát thêm các điều kiện để tối ưu quá trình tổng hợp xúc tác. Khảo sát thêm các ảnh hưởng về hình dạng, cấu trúc cũng như tính chất điện hóa của hệ xúc tác. 
Nghiên cứu thêm về phương pháp chế tạo màng MEA, các bộ phận khác của pin, khảo sát cường độ dòng, công suất, nhiệt độ hoạt động… của pin thiết kế. 

Khóa đào tạo: 2016-2019
Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thành Long, TS. Trần Minh Thuyết 
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG.HCM
1. Tóm tắt luận án 
Luận án này tập trung nghiên cứu tính giải được và một số tính chất của nghiệm các bài toán biên cho phương trình giả parabolic phi tuyến có/không có số hạng đàn hồi nhớt. Nội dung chính của luận án được trình bày trong bốn chương như sau:
Chương 1. Luận án sử dụng phương pháp xấp xỉ Faedo-Galerkin và phương pháp cpmpact yếu để chứng minh được sự tồn tại duy nhất của nghiệm yếu của bài toán Dirichlet không thuần nhất cho phương trình giả parabolic phi tuyến không chứa số hạng đàn hồi nhớt có dạng   
trong đó     là các hằng số thực,  ,  ,  , , ,  ,   là các hàm số cho trước. Hơn nữa, bằng việc xét bài toán dừng, luận án cũng chứng tỏ được nghiệm yếu của Bài toán (1)-(3) hội tụ về nghiệm yếu duy nhất của bài toán dừng khi  . Ngoài ra, khi thay điều kiện đầu (3) bởi điều kiện “ -tuần hoàn” 
(4)
luận án chứng minh được sự tồn tại và duy nhất nghiệm của bài toán (1), (2), (4) bởi việc áp dụng phương pháp Faedo-Galerkin kết hợp với kỹ thuật toán tử kiểu Poincare.
Chương 2. Luận án áp dụng phương pháp tương tự như trong Chương 1 để khảo sát phương trình (1) nhưng cùng với điều kiện đầu (3) và điều kiện biên Robin-Dirichlet không thuần nhất sau
(5)
Luận án cũng thu được kết quả về sự tồn tại duy nhất và dáng điệu tiệm cận khi  của nghiệm yếu của bài toán (1), (3), (5). Hơn nữa, khi thay điều kiện (3) bởi điều kiện “ -điểm theo thời gian"  
(6)
trong đó các cặp số thực   thoả điều kiện:  luận án cũng chứng minh được sự tồn tại nghiệm yếu của bài toán (1), (5), (6). Trong trường hợp 
N = 1, nghiệm yếu thu được là duy nhất.
Chương 3. Luận án sử dụng phương pháp xấp xỉ tuyến tính, phương pháp Faedo-Galerkin và phương pháp compact để chứng minh được sự tồn tại và duy nhất nghiệm yếu của bài toán
Neumann-Dirichlet thuần nhất cho phương trình giả parabolic chứa số hạng đàn hồi nhớt có dạng
trong đó   là các hằng số thực,  , ,   là các hàm số cho trước. Đặc biệt, trong trường hợp  , với việc xây dựng phiếm hàm Lyapunop và đặt giả thiết thích hợp, luận án đã chứng minh được nghiệm yếu của bài toán (7)-(9) tắt dần mũ khi  
Chương 4. Luận án xét bài toán Robin-Dirichlet thuần nhất cho phương trình giả parabolic phi tuyến chứa số hạng đàn hồi nhớt có dạng
(10) 
trong đó    ,  ,   là các hằng số thực,  , ,   là các hàm số cho trước. Sự tồn tại và tính duy nhất nghiệm của bài toán (10) có được bởi một thuật giải lặp cấp cao, ở đây, sự tồn tại một dãy qui nạp phi tuyến và sự hội tụ của nó về nghiệm yếu duy nhất của bài toán (10) được chứng minh
2. Những kết quả mới của luận án 
- Các định lý về sự tồn tại và tính duy nhất nghiệm yếu của bài toán (1)-(3), bài toán (1), (2), (4), bài toán (1), (3), (5), bài toán (1), (5), (6), bài toán (7)-(9).
- Các định lý về dáng điệu tiệm cận khi   của nghiệm yếu của bài toán (1)-(3),  bài toán (1), (3), (5).
- Thiết lập được kết quả tắt dần mũ khi  của nghiệm yếu của bài toán (7)-(9), trong trường hợp riêng  ;
- Xây dựng được thuật giải lặp cấp cao cho bài toán (10).
3. Các ứng dụng/ khả năng ứng dụng trong thực tiễn hay những vấn đề còn bỏ ngỏ cần tiếp tục nghiên cứu
Nghiên cứu kết quả về sự duy nhất nghiệm của bài toán (1), (5), (6) trong trường hợp