Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá tính chất vật liệu M-DOPED TiO2 (M = Ir, W) làm chất nền cho platin để nâng cao hoạt tính và độ bền xúc tác của pin nhiên liệu - NCS. Huỳnh Thiên Tài

Tên luận án: Nghiên cứu tổng hợp và đánh giá tính chất vật liệu M-DOPED TiO2 (M = Ir, W) làm chất nền cho platin để nâng cao hoạt tính và độ bền xúc tác của pin nhiên liệu
Chuyên  ngành:    Kỹ Thuật Hóa Học
Mã số:    62520301
Họ tên NCS: Huỳnh Thiên Tài
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Hồ Thị Thanh Vân, TS. Nguyễn Trường Sơn
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TP. HCM
Những đóng góp chính của luận án
Mục tiêu chung của luận  án là tổng hợp vật liệu M-doped TiO2 (M = W, Ir) dùng làm chất nền cho xúc tác Pt trong pin nhiên liệu hoạt động ở nhiệt độ thấp. Vật liệu nền M-doped TiO2 (M = W, Ir) được tổng hợp bằng phương pháp dung nhiệt/thủy nhiệt ở nhiệt độ thấp mà không sử dụng bất kỳ chất hoạt động bề mặt nào, thể hiện các đặc tính tốt như kích thước hạt nhỏ, hầu như không có hiện tượng kết tụ và có diện tích bề mặt riêng lớn, độ dẫn điện cao. Hướng nghiên cứu này có thể giải quyết các hạn chế chính của vật liệu xúc tác Pt/C trong PEMFCs và DMFCs như sự ăn mòn cacbon, tốc độ phản ứng khử oxi chậm và độ bền thấp của vật liệu xúc tác Pt/C tại điện cực cathode. Bên cạnh đó, nó cũng làm giảm sự hòa tan xúc tác Pt do lực tương tác mạnh giữa Pt và vật liệu nền oxit dẫn tới cải thiện tốc độ phản ứng, tăng khả năng chống ngộ độc CO trong DMFCs. Những đóng góp chính của luận án là:
• Vật liệu nano Ti0.7W0.3O2 được tổng hợp bằng phương pháp dung nhiệt một giai đoạn, có dạng hình cầu với kích thước ~9 nm, có diện tích bề mặt riêng lớn (~202 m2.g-1) và độ dẫn điện cao (~2.2x10-2 S.cm-1), đáp ứng được yêu cầu của vật liệu nền cho xúc tác Pt trong pin nhiên liệu. Xúc tác Pt với kích thước hạt ~ 3nm được phủ thành công trên vật liệu nền Ti0.7W0.3O2 bằng phương pháp polyol hỗ trợ bằng vi sóng. Kết quả đo điện hóa thể hiện thế bắt đầu oxi hóa methanol (MOR) của vật liệu xúc tác 20 wt. % Pt/Ti0.7W0.3O2 là ~0.10 V, sớm hơn đáng kể so với vật liệu xúc tác 20 wt. % Pt/C (E-TEK) (~0.48 V), cho thấy hoạt tính oxi hóa methanol vượt trội của vật liệu xúc tác 20 wt. % Pt/Ti0.7W0.3O2. Tỉ lệ If/Ib của vật liệu xúc tác 20 wt. % Pt/Ti0.7W0.3O2 là ~2.33 cao hơn đáng kể so với vật liệu xúc tác thương mại 20 wt. % Pt/C (E-TEK), chỉ ra khả năng chống ngộ độc các hợp chất trung gian cao của xúc tác 20 wt. % Pt/Ti0.7W0.3O2 trong suốt quá trình oxi hóa methanol.
• Vật liệu nền mới Ti0.7Ir0.3O2 cấu trúc nano dạng thanh (NRs) với cấu trúc pha rutile của TiO2 có độ dẫn điện cao hơn ~105 lần so với độ dẫn điện của vật liệu undoped-TiO2. Diện tích bề mặt điện hóa (ECSA) của vật liệu xúc tác 20 wt. % Pt/Ti0.7Ir0.3O2 NRs (81.45 m2.g-1Pt) lớn hơn so với xúc tác thương mại 20 wt. % Pt/C (E-TEK). Sau 2000 vòng quét thế tuần hoàn, vật liệu xúc tác 20 wt. % Pt/Ti0.7Ir0.3O2 NRs thể hiện sự suy giảm rất thấp, chỉ ra độ bền điện hóa cao của vật liệu xúc tác 20 wt. % Pt/Ti0.7Ir0.3O2 NRs. Đối với phản ứng khử oxi, vật liệu xúc tác 20 wt. % Pt/Ti0.7Ir0.3O2 NRs (~1.02 V) thể hiện thế bắt đầu phản ứng khử oxi vượt trội so với vật liệu xúc tác thương mại 20 wt. % Pt/C (E-TEK) (~0.94 V). Những kết quả này thể hiện hoạt tính xúc tác và độ bền điện hóa cao của vật liệu xúc tác 20 wt. % Pt/Ti0.7Ir0.3O2 NRs cho phản ứng khử oxi trong PEMFCs.
• Vật liệu xúc tác 20 wt. % Pt/Ti0.7Ir0.3O2 cấu trúc nano dạng hạt (NPs) thể hiện là vật liệu xúc tác tiềm năng cho phản ứng oxi hóa methanol. Vật liệu xúc tác 20 wt. % Pt/Ti0.7Ir0.3O2 NPs có diện tích bề mặt điện hóa cao, lên đến  ~96.89 m2.g-1Pt. Trong phản ứng oxi hóa methanol, vật liệu xúc tác 20 wt. % Pt/Ti0.7Ir0.3O2 NPs thể hiện mật độ dòng oxi hóa cao (~21.69 mA.cm-2) và tỉ lệ If/Ib (~1.72) cao vượt trội so với vật liệu xúc tác 20 wt. % Pt/C (E-TEK). Hơn nữa, sau 2000 vòng quét thế, vật liệu xúc tác 20 wt. % Pt/Ti0.7Ir0.3O2 NPs thể hiện sự suy giảm mật độ dòng oxi hóa thấp hơn ~2.8 lần so với vật liệu xúc tác 20 wt. % Pt/C (E-TEK). Cơ chế chuyển điện tử từ vật liệu nền Ti0.7Ir0.3O2 NPs sang Pt dẫn tới cải thiện cấu trúc điện tử của Pt làm cho hoạt tính và độ bền điện hóa của vật liệu xúc tác 20 wt. %  Pt/Ti0.7Ir0.3O2 NPs được cải thiện đáng kể so xúc tác 20 wt. % Pt/C (E-TEK).
• Đặc biệt, vật liệu nền mới Ti0.9Ir0.1O2 với lượng Iridium doping thấp vẫn thể hiện độ dẫn điện cao ~1.6x10-2 S.cm-1, cao hơn ~105 lần so với độ dẫn điện của vật liệu undoped-TiO2. Vật liệu xúc tác 20 wt. % Pt/Ti0.9Ir0.1O2 NPs có mật độ dòng oxi hóa methanol cao vượt trội, thế bắt đầu phản ứng oxi hóa methanol sớm và tỉ lệ If/Ib cao hơn so với vật liệu xúc tác thương mại 20 wt. % Pt/C (E-TEK). Kết quả đo CA thể hiện độ bền cao của vật liệu xúc tác 20 wt. % Pt/Ti0.9Ir0.1O2 NPs so với vật liệu xúc tác thương mại 20 wt. % Pt/C (E-TEK). Hướng nghiên cứu mới này hiệu quả để tổng hợp các vật liệu xúc tác cấu trúc nano, thay thế vật liệu xúc tác truyền thống, và có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.