Tải bản đầy đủ

Báo cáo nghiên cứu khoa học Chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa nano PTC ứng dụng cho pin nhiên liệu metanol trực tiếp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA – THỰC PHẨM


BÁO CÁO
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
ĐỀ TÀI:

CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC ĐIỆN
HÓA NANO Pt/C ỨNG DỤNG CHO PIN
NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP

VŨ MINH HÀO

BIÊN HÒA, THÁNG 12/2012


TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA – THỰC PHẨM



BÁO CÁO
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
ĐỀ TÀI:

CHẾ TẠO VẬT LIỆU XÚC TÁC ĐIỆN
HÓA NANO Pt/C ỨNG DỤNG CHO PIN
NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP

Giảng viên hướng dẫn : PGS.TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG PHONG
Sinh viên thực hiện

: VŨ MINH HÀO

BIÊN HÒA, THÁNG 12/2012


i

LỜI CÁM ƠN
Ca dao Việt Nam vẫn có câu để nhắn nhủ những người trẻ trong xã
hội:“Công cha, nghĩa mẹ ơn thầy, nghĩ sao cho bõ những ngày ước ao”. Đó tuy chỉ
là một câu thật ngắn gọn nhưng lại chứa đựng toàn bộ truyền thống tốt đẹp của dân
tộc ta. Hôm nay, tôi cũng xin mượn nó để nói lên tâm tình biết ơn đối với bậc sinh
thành cũng như quý thầy cô là những người đã giúp đỡ tôi hoàn tất tốt luận văn tốt
nghiệp này.
Đầu tiên, tôi xin gửi lời biết ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Thị Phương
Phong, người đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong toàn bộ quá trình thực hiện đề này.
Tôi vô cùng cảm kích vì sự giúp đỡ rất tận tâm của cô. Mặc dù, trong cương vị
PGS.TS và công việc giảng viên bận rộn với trăm công ngàn việc nhưng cô vẫn
dành thời gian để sửa bài và góp ý một cách chân thành cho đề tài của tôi.
Tôi cũng xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến quý thầy cô, anh chị trong khoa hóa
lý trường ĐHKHTN, Tp.HCM đã tận tình hướng dẫn trong quá trình tôi thí nghiệm
ở đây. Cách riêng cho anh Ngô Thanh Liêm, người luôn đồng hành trong những
bước đi chập chững và suốt cả thời gian tham gia nghiên cứu của tôi.
Đối với các thầy cô trong khoa hóa trường ĐH Lạc Hồng, tôi không biết lấy
gì để nói lên lời cám ơn trước những điều kiện vô cùng thuận lợi, mà các thầy cô đã
dành cho để quá trình nghiên cứu của tôi được diễn ra và kết thúc thật tốt đẹp.
Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến các cơ sở, phòng thí nghiệm đã cho tôi được
làm việc ở tại những nơi đây.
Lời biết ơn cuối cùng, con xin gửi đến cha mẹ là những người đã sinh thành

và vất vả bao ngày tháng qua để con có được kết quả như ngày hôm nay. Sau cùng,
tôi xin cảm ơn vì tất cả, thiết nghĩ rằng sẽ khó mà đáp trả lại tất cả những ân tình ấy.
Song ước mong mọi người sẽ đón nhận nó như lời cảm tạ chân thành nhất từ chính
bản thân tôi.


ii

MỤC LỤC
Sinh viên thực hiện : VŨ MINH HÀO.................................................................ii
LỜI CÁM ƠN........................................................................................................i
MỤC LỤC............................................................................................................ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU..................................................................................iv
PHẦN MỞ ĐẦU...................................................................................................1
LỜI MỞ ĐẦU.......................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU VÀ XÚC TÁC ĐIỆN CỰC
TRONG PIN NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP..........................................4
CHƯƠNG 2..........................................................................................................1
CHƯƠNG 3........................................................................................................23
CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.....................................................36
KẾT LUẬN........................................................................................................56
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
BET

Máy đo diện tích bề mặt

CV

Phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (Cyclic voltammetry)

Eb

Thế oxy hóa cực đại trên đường quét về (V)

Ef

Thế oxy hóa cực đại trên đường quét tới (V)

ipa

Mật độ dòng của mũi trên đường quét tới tính theo diện tích
điện cực (mA/cm2)

ipc

Mật độ dòng của mũi trên đường quét về tính theo diện tích
điện cực (mA/cm2)

i’pa

Mật độ dòng của mũi trên đường quét tới tính theo khối lượng
Platin trên điện cực (mA/mmPt)

i’pc

Mật độ dòng của mũi trên đường quét về tính theo khối lượng
Platin trên điện cực (mA/mmPt)

Pt/C

Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin trên Carbon


iii

Pt/VulcanXC-72R

Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin trên Carbon
Vulcan XC-72R

Pt/VC-25-11

Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin trên Carbon
Vulcan XC-72R không xử lý với hàm lượng Platin là 25% và
môi trường pH=11

Pt/VC-XL-25-11

Vật liệu xúc tác điện hóa nanocomposit Platin trên Carbon
Vulcan XC-72R xử lý trong HNO3 với hàm lượng Platin là
25% và môi trường pH=11

SEM

Kính hiển vi điện tử quét (Scaning electron microscopy)

TEM

Kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission electron
microscopy)

XRD

Nhiễu xạ tia-X (X-Ray diffaction)


iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Số liệu để pha dung dịch HNO3 với nồng độ khác nhau.........................24
Bảng 3.1: Hoạt tính của vật liệu nanocomposit Pt/VulcanXC-72R xử lý và không
xử lý trong dung dịch HNO3 với những nồng độ khác nhau....................................36
Bảng 3.2: Hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposit Pt/Vulcan XC-72R đã xử lý
và không xử lý trong những khoảng thời gian khác nhau........................................39
Bảng 3.3 Hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposit Pt/VC với sự thay đổi thành
phần khối lượng của tiền chất H2PtCl6.6H2O...........................................................40
Bảng 3.4: Hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposit Pt/VC với môi trường pH
khác nhau................................................................................................................. 42
Bảng 3.5: Hoạt tính xúc tác của vật liệu nanocomposit Pt/VC-XL-25 trong môi
trường pH=11 với sự thay đổi hàm lượng của tiền chất H2PtCl6.6H2O....................46
Bảng 3.6: Hoạt tính xúc tác của nanocomposit Pt/VC-XL-25 trong những môi
trường pH khác nhau...............................................................................................48
.Bảng 3.7: Kết quả đo diện tích bề mặt của vật liệu nanocomposit Pt/VulcanXC-72R
đã xử lý và không xử lý...........................................................................................53


v

DANH SÁCH HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Sơ đồ một pin nhiên liệu............................................................................4
Hình 1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc pin nhiên liệu............................................6
Hình 1.3 Sơ đồ một hệ thống pin nhiên liệu.............................................................8
Hình 1.4 Hiệu suất của pin nhiên liệu so với một số thiết bị tạo ra điện khác.........12
Hình 2.1 Bể siêu âm.............................................................................................23
Hình 2.2 Mấy khuấy từ IKARET control-vis và pipet BIOHIT Proline................23
Hình 2.3 Lò vi sóng SANYO 20L EM-S2182W...................................................24
Hình 2.4 Máy ly tâm UNIVERSAL 32R HETTICH ZENTRIFUGEN................24
Hình 2.5 Quy trình chế tạo vật liệu nano Pt/C bằng phương pháp polyol...............26
Hình 2.6 Máy đo BET Nova 3200e ......................................................................28
Hình 2.7 Sơ đồ khối thiết bị nhiễu xạ tia X............................................................28
Hình 2.8 Thiết bị nhiễu xạ tia X BRUKER XRD-D8 ADVANCE..........................29
Hình 2.9 Hệ thống kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FE-SEM JSM ...........30
Hình 2.10 Hệ thống kính hiển vi điện tử truyền qua,TEM JEM-1400 Nhật...........31
Hình 2.11 Đồ thị quét thế vòng tuần hoàn..............................................................32
Hình 2.12 Máy Autolab-PGSTAT302N..................................................................33
Hình 2.13 Các loại điện cực....................................................................................33
Hình 2.14 Hệ thống ba điện cực.............................................................................34
Hình 2.15 Đường cong CV của vật liệu nanocomposite Pt/Vulcan XC-72R..........34
Hình 3.1 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/Vulcan XC-72R xử lý
và không xử lý trong dung dịch HNO3 với những nồng độ khác nhau...................37
Hình 3.2 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/Vulcan XC-72R đã xử
lý và không xử lý trong những khoảng thời gian khác nhau....................................39
Hình 3.3 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC với thành phần tiền
chất H2PtCl6.6H2O khác nhau..................................................................................40
Hình 3.4 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC trong những môi
trường pH khác nhau...............................................................................................42
Hình 3.5 Cơ chế quá trình oxy hóa EG trong điều chế nano Platin.........................42
Hình 3.6 Phản ứng loại proton tạo thành anion Glycolate của axit Glycolic..........43


vi

Hình 3.7 Ảnh chụp TEM và biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Platin trên vật
liệu nanocomposit Pt/VC-25-11...............................................................................44
Hình 3.8 Ảnh chụp TEM và biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Platin trên vật
liệu nanocomposit Pt/VC-25-6,5.............................................................................44
Hình 3.9 Giản đồ nền CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC-XL với hàm
lượng Platin khác nhau............................................................................................45
Hình 3.10 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC-XC với hàm lượng
Platin khác nhau......................................................................................................47
Hình 3.11 Giản đồ nền CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC-XL-25 với
môi trường pH khác nhau........................................................................................47
Hình 3.12 Giản đồ CV của vật liệu xúc tác nanocomposit Pt/VC-XL-25 với môi
trường pH khác nhau...............................................................................................48
Hình 3.13 Ảnh chụp TEM và biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Platin trên vật
liệu nanocomposit Pt/VC-XL-25-11........................................................................49
Hình 3.14 Ảnh chụp TEM và biểu đồ phân bố kích thước hạt nano Platin trên vật
liệu nanocomposit Pt/VC-XL-25-6,5.......................................................................50
Hình 3.15 Kết quả chụp XRD của Vulcan XC-72R xử lý và không xử lý..............51
Hình 3.16 Phổ đồ XRD của nanocomposit Pt/VC-25-11........................................51
Hình 3.17 Gian đồ XRD của nanocomposit Pt/VC-XL-25-11 ...............................52
Hình 3.18 Ảnh FE- SEM của nanocomposit Pt/VC-XL-25-11..............................53
Hình 3.19 Giản đồ đo nền của hai loại carbon Vulcan XC-72R..............................54
Hình 3.20

(1)

Giản đồ đo nền và

(2)

giản đồ CV của hai loại vật liệu xúc tác điện

hóa nanocmposit Pt/Vulcan XC-72R.......................................................................54


PHẦN MỞ ĐẦU


1

LỜI MỞ ĐẦU
Không biết trong mỗi người đã có ai từng nghĩ đến việc nền văn minh của
chúng ta đã phát triển mạnh mẽ từ giai đoạn nào chăng? Theo tôi thì đó là khi con
người biết tạo ra điện, một nguồn năng lượng mà ngày nay có mặt hầu hết trong
mọi lĩnh vực. Chúng ta có thể hình dung đơn giản từ việc học của mình nếu không
có điện thì làm sao mỗi người có đủ ánh sáng học tập, nghiên cứu, việc mà những
thế hệ đi trước đã không có được. Nguồn sáng mà họ có chỉ là những ngọn đèn dầu.
Điện giúp cho việc chuẩn bị những bữa ăn của mỗi gia đình mất ít thời gian hơn
nhờ các thiết bị như ấm điện, nồi cơm điện. Điện như một “người bạn đồng hành”
của nhiều nhà máy, xí nghiệp.
Lý do chọn đề tài



Do sự ảnh hưởng lớn trên mà nguồn nguyên liệu để sản xuất điện và thiết bị
để xử lý nguồn nguyên liệu như than, xăng, nước, gió đã được quan tâm một cách
đặc biệt. Trong khi các nguồn như gió, mặt trời, nước hay năng lượng hạt nhân lại
gặp những khó khăn nhất định. Bên cạnh đó, vấn đề môi trường lại nổi lên khi khí
độc được thải ra làm ô nhiễm và khiến nhiệt độ thay đổi quá nhanh. Vì vậy, một
thiết bị “đa năng” và một nguồn nguyên liệu dồi dào đã được tập trung tìm kiếm và
nghiên cứu. Cuối cùng tất cả sự chú ý đã đổ dồn về pin nhiên liệu.
Theo dòng thời gian thì loại pin nhiên liệu sử dụng Metanol trực tiếp
(Direct methanol fuel cell - DMFC) xuất hiện và đang rất thịnh hành. Tuy hệ thống
đôi khi vẫn tạo ra khí cacbonic nhưng lượng khí thải ra không đáng kể. Yếu tố xúc
tác trong pin nhiên liệu sử dụng metanol trực tiếp là vấn đề được đặt lên hàng đầu
và quan tâm hơn cả. Chất xúc tác đã được nghiên cứu và phổ biến nhất là platin.
Qua đề tài:“ Chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa nano Pt/Carbon ứng dụng cho pin
nhiên liệu methanol trực tiếp” tôi hy vọng sẽ góp phần trong việc đưa nguồn năng
lượng điện “sạch” này vào ứng dụng một cách rộng rãi cho cuộc sống năng động
ngày nay.


Tình hình nghiên cứu về đề tài
- Tình hình nghiên cứu trên thế giới


2

Tính chất của chất mang và điều khiển kích thước hạt nano là hai việc được
quan tâm nhất trong quá trình điều chế. Nguồn chất mang được xử lý bằng nhiều
loại hóa chất như KOH [3], H2O2 [10], Ozon [15] và HNO3 [13].
Năm 2006, nhóm Zhen. Bo. Vary đã nghiên cứu ảnh hưởng của chất mang
khi xử lý bằng ozon và chất xúc tác là hợp kim của Pt-Ru trên pin nhiên liệu
methanol trực tiếp [15].
H2O2 là hóa chất dùng để xử lý nguồn carbon đen mà nhóm Marcelo Carmo
sử dụng năm 2007. Nhóm này đã dùng chất mang này cho thiết bị pin nhiên liệu
dạng màng [10].
Năm 2008, nhóm Du,H. Y đã điều khiển kích thước hạt nano platin và gắn
chúng lên chất mang carbon nanotubes giúp cho quá trình oxy hóa methanol [5].
Năm 2010, Chaoxing He và cộng sự đã dùng hóa chất KOH để xử lý nguồn
carbon và gắn hạt nano platin hỗ trợ cho phản ứng oxy hóa khử [3].
Năm 2011, S. M. Senthil Kumar và cộng sự đã nghiên cứu về ảnh hưởng
của kích thước hạt nano platin trên nguồn carbon Vulcan XC-72R đã xử lý cho phản
ứng oxy hóa khử [13].
- Tình hình nghiên cứu trong nước
Trong nước, việc nghiên cứu này cũng mới được tiến hành trong những
năm gần đây ở các trường Đại học Khoa học Tự Nhiên ở TP. Hồ Chí Minh và Hà
Nội cũng như Viện vật lý TP. Hồ Chí Minh


Mục tiêu nghiên cứu
Chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa, chế tạo vật liệu nano Pt/Carbon (thay đổi

các thông số hàm lượng của H2PtCl6 , pH, nhiệt độ, xử lý nguồn Carbon)
Khảo sát tính chất xúc tác điện hóa bằng phương pháp đo điện thế dòng
tuần hoàn trên phản ứng oxyhóa methanol,
Khảo sát các tính chất lý hóa: XRD, TEM, BET, để xác định kích thước hạt,
diện tích bề mặt của hệ xúc tác


3



Nội dung nghiên cứu
Vật liệu xúc tác điện hóa nano platin trên carbon Vulcan XC-72R được chế

tạo bằng phương pháp polyol. Etylen glycol là rượu đa chức được sử dụng cho quá
trình khử platin từ Pt4+ về Pt0. Bên cạnh đó, một số yếu tố ảnh hưởng cũng được
khảo sát như hàm lượng của H2PtCl6 , môi trường pH, nhiệt độ xử lý nguồn carbon
Vulcan XC-72R, tính chất của nguồn Carbon.
Vật liệu đã chế tạo được mang khi khảo sát tính chất xúc tác điện hóa trên
máy Autolab-PGSTAT302N, với hệ thống ba điện cực: điện cực làm việc (WE),
điện cực đối (CE) và điện cực so sánh (RE). Đầu tiên, làm sạch điện cực với dung
dịch H2SO4 0,5M. Quá trình quét được tiến hành 2 lần với các vận tốc là 100mV/s,
50mV/s trong khoảng thế từ 0-1V và quét 1 vòng. Quét thế tuần hoàn để khảo sát
hoạt tính xúc tác của vật liệu. Khoảng thế từ 0-0,9V, dung dịch H 2SO4 0,5M được
thay bằng hỗn hợp dung dịch H2SO4 0,5M + CH3OH 1M. Ngoài 2 lần quét như trên,
mẫu được quét thêm 1 lần với vận tốc 10 mV/s.
Vật liệu sẽ được khảo sát tính chất hóa lý thông qua một số máy móc hiện
đại như máy BET để đo diện tích bề mặt, TEM để xác định kích thước hạt nano trên
bề mặt chất mang, FE-SEM xác định hàm lượng tiền chất trong mẫu và khi điều chế
có phù hợp với nhau và XRD giúp ta kết luận được sự có mặt của các tinh thể platin
và carbon trong mẫu.


Phương pháp nghiên cứu
Xây dựng quy trình chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa nano platin trên carbon

Vulcan XC-72R, với tiền chất là axit Chloplatinic (H2PtCl6.6H2O), chất khử là
Etylen glycol trong các môi trường pH từ 6,5 đên 11,3.
Xử dụng các phương pháp phân tích hiện đại như XRD, FE-SEM, TEM,
BET.


Bố cục
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Thực nghiệm
Chương 3: Kết quả và thảo luận


4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU VÀ XÚC TÁC ĐIỆN CỰC
TRONG PIN NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP
1.1 Tổng quan về pin nhiên liệu
1.1.1 Khái niệm về pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu là một hệ thống dùng để biến đổi trực tiếp hóa năng thành
điện năng bằng quá trình oxy hóa nguyên liệu.
Thành phần nguyên liệu trong pin nhiên liệu bao gồm nguồn cung cấp ion
như: hydro (H2), metan (CH4), metanol (CH3OH), etanol (C2H5OH)…và oxy lấy từ
không khí. Sản phẩm của quá trình chuyển hóa này gồm có nhiệt, điện năng, nước
và khí cacbonic. Sau đây là một hệ thống đơn giản của pin nhiên liệu:
Hydro, metanol..

Điện + cacbonic

oxy

Pin nhiên liệu

nước

Hình 1.1 Sơ đồ một pin nhiên liệu
Như đã nói ở trên, pin nhiên liệu biến đổi trực tiếp hóa năng thành điện
năng thông qua phản ứng H2 + O2

H2O + dòng điện, nhờ tác động của những

chất xúc tác như: màng platin nguyên chất, hỗn hợp platin với kim loại khác và một
số chất điện phân như kiềm, muối cacbonat, oxit rắn… bản chất thực sự của nó
tương tự như pin điện hóa.
1.1.2 Lịch sử hình thành và phát triển của pin nhiên liệu
Đầu thế kỷ XIX, đã có nhiều nhà khoa học đưa ra khái niệm về pin nhiên
liệu tiêu biểu trong số đó là Humphry Davy.
Năm 1839, William Grove, một nhà hóa học, vật lý, luật sư và là người đầu
tiên phát minh ra Acqui khí (Gas battery). Ông đã tiến hành một loạt thí nghiệm mà
ông gọi nó là pin Volta khí, và cuối cùng đã chứng minh rằng dòng điện có thể được
sản xuất từ một phản ứng điện hóa học giữa hydro và oxy trong một chất xúc tác
bạch kim (Platin).
Năm 1889, Charles Langer và Ludwig Mond đã tiếp tục phát triển thành
quả mà trước đó William Grove đã làm được. Họ đã thay thế nguồn hydro bằng khí
than và họ cũng là những người đầu tiên đưa ra thuật ngữ “Pin nhiên liệu” (Fuel


5

cell). Tuy nhiên, do còn nhiều hạn chế nên những nghiên cứu của họ không được
ứng dụng rộng rãi.
Năm 1932, Giáo sư Francis Bacon đã tiếp tục phát triển thêm mô hình
bằng cách thay thế điện cực Platin bằng Niken và thay chất điện giải axit sulphuric
bằng một chất ít ăn mòn là Kali hydroxyt (KOH). Ông đã đặt tên cho sản phẩm này
là pin Bacon (Bacon cell). Đây cũng là loại pin nhiên liệu kiềm đầu tiên.
Những năm 1950, một khái niệm rất mới là pin nhiên liệu màng trao đổi
proton (PEMFC) đã xuất hiện và trong giai đoạn này pin nhiên liệu thật sự được
nhiều lĩnh vực quan tâm hơn đặc biệt là lĩnh vực vũ trụ. Sở dĩ như vậy là do một số
nguyên nhân đã gặp phải khi sử dụng những nguồn năng lượng khác như trọng
lượng khá lớn của acquy, năng lượng hạt nhân thì nguy hiểm còn năng lượng mặt
trời thì vẫn còn khá mới lạ.
Vào những năm 1960, pin nhiên liệu đã được đưa vào ứng dụng trong lĩnh
vực quân sự và nó được sử dụng để cung cấp điện trên những loại tàu ngầm thời đó.
Tiếp sau nó được Liên Xô đưa vào chương trình không gian có người lái.
Những năm 1970 đến 1980, ảnh hưởng của cuộc khủng hoảng năng lượng
cùng với những nhận thức sâu sắc về việc bảo vệ môi trường, đã thúc đẩy nhiều tổ
chức nghiên cứu và dùng pin nhiên liệu như một nguồn năng lượng hữu ích, nhằm
thay thế những loại năng lượng có chi phí rất cao và khả năng gây ô nhiễm môi
trường lớn kia. DMFC cũng đã xuất hiện và phát triển trong khoảng thời gian này.
Đầu những năm 1990, pin nhiên liệu đã tiến lên thêm một bước mới. Nếu
như trước đây hầu như ứng dụng chủ yếu trong những lĩnh vực nông nghiệp và một
ít về không gian thì ở giai đoạn này nó được đưa vào một lĩnh vực rất quan trọng đó
là công nghiệp. Giai đoạn cũng gắn liền với sự chuyển công nghệ từ PEMFC
(Proton exchange membrance fuel cell - PEMFC) sang SOFC (Solid oxide fuel cell
- SOFC), đồng thời cũng nhem nhóm lên khả năng thương mại hóa trên thị trường.
Ngày nay, nay pin nhiên liệu đã được thương mại hóa sử sụng một cách
rộng rãi trong đời sống hằng ngày, hơn hết trong những phương tiện đi lại. Nhiều
công ty sản xuất ôtô lớn trên thế giới đã đưa ra những mẫu xe có sử dụng pin nhiên
liệu như: General Motor, Ford (Mỹ), Daimler Benz (Đức), Renaul (Pháp), Toyota,
Nissan, Honda ... (Nhật bản), Hyundai (Hàn Quốc)….Tuy vậy đến giai đoạn này,


6

việc phổ biến sử dụng rộng rãi loại “pin” mới này vẫn còn gặp một số trở ngại do sự
nghi ngờ về lợi nhuận của một số công ty về nó nhưng chúng ta có quyền nghĩ đến
và hy vọng nhiều cơ hội hứa hẹn phát triển sẽ được mở ra trong tương lai không xa.
1.1.3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu
Sau đây là một hệ thống pin nhiên liệu cơ bản:

Hình 1.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc của pin nhiên liệu
1.1.3.1 Cấu tạo
Một hệ thống pin nhiên liệu gồm có hai điện cực là anot (nơi xảy ra quá
trình oxy hóa) và catot (nơi xảy ra quá trình khử). Thông thường hai điện cực được
làm từ những chất có khả năng dẫn điện cao như những kim loại hoặc cacbon.
Ở giữa hai điện cực là chất điện giải (Electrolyte), nó có tác dụng giúp vận
chuyển nhanh các ion từ điện cực này sang điện cực kia. Chất điện giải có nhiều
loại như axit, kiềm và cả muối nóng chảy tương ứng với chúng là các dạng rắn, lỏng
hay cấu trúc màng. Loại màng được dùng là Nafion với mục đích để cho các ion
thích hợp đi qua. Tùy vào mục đích và thời đại, người ta sẽ chọn ra loại tối ưu nhất.
Ngoài ra còn một lớp xúc tác giúp tăng tốc độ phản ứng. Chất xúc tác có thể
được đặt ở giữa dung dịch điện phân và các điện cực. Trường hợp khác, người ta có
thể dùng nó trực tiếp như một điện cực hoặc phủ trên bề mặt của điện cực tùy thuộc
vào từng loại pin nhiên liệu khác nhau. Chất xúc tác không chỉ có tác dụng làm tăng
tốc độ phản ứng mà còn làm giảm đi năng lượng hoạt hóa của quá trình hóa học.
Thông thường, người ta dùng platin hoặc các hợp kim của platin với kim loại như
Ni, Ru, Co…, làm chất xúc tác.


7

1.1.3.2 Nguyên lý hoạt động
Tuy có nhiều loại pin nhiên liệu khác nhau nhưng nhìn chung nguyên lý
hoạt động của chúng đều có chung những nét tương đồng như:
Nhiên liệu đi vào ở cực âm (Anot), nơi đây sẽ diễn ra quá trình oxy hóa để
tạo thành các ion hydro (H+) và electron (e-). Khi tiếp xúc với lớp màng nơi điện
cực thì chỉ duy nhất các ion hydro hay còn gọi là proton đi xuyên trực tiếp từ anot
sang catot, còn các electron thì bị giữ lại và phải đi theo một hệ thống dây dẫn để
qua catot. Chính do sự di chuyển như vậy mà sinh ra dòng điện một chiều. Dòng
điện này sẽ di chuyển tử catot sang anot, vì vậy nên gọi catot là cực dương còn anot
là cực âm. Cũng trong thời gian đó, khí oxy được lấy từ không khí cũng đi vào cực
dương (Catot). Sau khi tiến đến gần cực dương khí oxy này sẽ tiếp xúc và nhận các
electron để hình thành nên các ion oxy (O 2-). Tùy vào từng loại pin nhiên liệu mà
các ion oxy này có thể sử dụng với mục đích khác nhau. Chúng có thể trực tiếp tác
dụng với ion hydro ở cực dương để tạo thành nước, hoặc đi xuyên qua lớp màng ở
điện cực dương tiến đến các ion hydro ở cực âm và tạo ra nước. Ở một số pin nhiên
liệu sử dụng nguồn nhiên liệu là Metanol (CH 3OH), Metan (CH4) thì sản phẩm cuối
được tạo ra có thêm Cacbonic (CO 2). Nhưng lượng khí Cacbonic được tạo ra thấp
hơn rất nhiều lần so với lượng khí này thải ra ở động cơ đốt trong.
1.1.4 Hệ thống pin nhiên liệu


8

Hình 1.3 Sơ đồ một hệ thống pin nhiên liệu
Các bộ phận chính trong một hệ thống pin nhiên liệu bao gồm:
+ Bộ xử lý nhiên liệu (Fuel Processor): bộ xử lý này có tác dụng chuyển đổi
những khí hay những dạng nhiên liệu lỏng hoặc thành nguồn nguyên liệu thích hợp
cho quá trình hoạt động của pin. Ngoài ra, khi có bộ xử lý này chúng ta có thể yên
tâm hơn về nguồn nhiên liệu vì khi qua bộ xử lý sẽ loại bỏ đi thành phần có hại và
làm sạch nguồn nhiên liệu hơn.
+ Thiết bị biến đổi năng lượng (Power Section): thiết bị này dùng để biến
nguồn hóa năng thành điện năng. Cấu tạo của bộ phận này gồm nhiều hệ thống pin
nhiên liệu đơn được nối ghép với nhau còn gọi là cụm pin nhiên liệu (Fuel cell
stacks).
+ Bộ điều hòa công suất (Power conditioner): dòng điện được tạo ra trong
pin nhiên liệu không thể sử dụng trực tiếp cho tải điện được nhưng cần phải có một
thiết bị chuyển hóa thành dòng điện trước khi sử dụng. Ngày nay, người ta thường
dùng bộ nghịch lưu để chuyển từ dòng một chiều thành dòng xoay chiều để sử
dụng.
+ Bộ phận thu hồi nhiệt được lắp đặt nhằm mục đích tận dụng triệt để lượng
nhiệt được sinh ra trong pin nhiên liệu. Chúng có thể được dùng để làm nóng nước
hoặc tiếp tục chuyển thành điện năng thông qua các turbin hay một thiết bị nào có
chức năng tương tự.
Ngoài những thiết bị được kể trên còn một số thiết bị phụ chưa được kể
như: hệ thống xử lý độ ẩm, nhiệt độ, áp suất khí và cả nước thải khi qua pin nhiên
liệu. Một số yếu tố cần quan tâm khi thiết kế một hệ thống pin nhiên liệu là loại pin
nhiên liệu, loại nhiên liệu, điều kiện làm việc và lĩnh vực sử dụng.
1.1.5 Phân loại pin nhiên liệu


9

Người ta phân loại pin nhiên liệu theo điện cực hoặc chất xúc tác nhưng
thông dụng nhất vẫn là theo loại chất điện giải. Sau đây là một số loại pin nhiên liệu
rất phổ biến:
1.1.5.1 Pin nhiên liệu axit phosphoric (Phosphoric acid fuel cell - PAFC)
PAFC xuất hiện và phát triển vào những năm 1970, sử dụng chất điện giải
là axit photphoric (H3PO4). Các điện cực được làm từ giấy cacbon với một lớp màng
Platin được phủ trên bề mặt. Hiệu suất pin nằm trong khoảng từ 40 - 80% và nhiệt
độ làm việc khá cao từ 120 – 250oC.
Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực:
Trên catot: O2 + 4 H + + 4e − → 2 H 2 O
Trên anot: 2 H 2 → 4 H + + 4e −
Tổng quát: 2 H 2 + O2 → 2 H 2 O + điện năng + nhiệt năng.
1.1.5.2 Pin nhiên liệu cacbon nóng chảy (Molten carbonate fuel cell
- MCFC)
MCFC có hiệu suất làm việc cao nhất trong các loại pin như SOFC,
PEMFC và PAFC. Hiệu suất thông thường của nó là 60% nhưng nếu ta tận dụng tất
cả các lượng nhiệt sinh ra thì hiệu suất có thể lên tới 85%. Ngoài hiệu suất cao thì
nhiệt độ làm việc cũng cao không kém là từ 600 – 700oC.
Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực:

2−
Trên catot: 2CO2 + O2 + 4e → 2CO3
2−

Trên anot: 2CO3 + 2 H 2 → 2 H 2 O + 2CO2 + 4e
Tổng quát: 2 H 2 + O2 →2 H 2 O + điện năng + nhiệt năng.
1.1.5.3 Pin nhiên liệu kiềm (Alkaline fuel cell - AFC)
AFC là loại pin nhiên liệu được chế tạo và phát triển sớm nhất. Nó đã được
ứng dụng trong chương trình không gian của NASA nhằm tạo ra điện và nước phục
vụ trên những con tàu vũ trụ. Chất điện giải được sử dụng trong loại pin này là kali
hydroxit (KOH), nhiệt độ làm việc thấp khoảng từ 65 – 220 oC nhưng nhiệt độ điển
hình là 70oC. Do nhiệt độ làm việc thấp nên ta không cần thiết dùng Platin, một kim
loại quý hiếm và mắc tiền làm chất xúc ta nhưng có thể dùng Nikel (Ni) thay thế.
Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực:
Trên catot: O2 + 2 H 2 O + 4e − → 4OH −


10

Trên anot: 2 H 2 + 4OH − → 4 H 2 O + 4e −
Tổng quát: 2 H 2 + O2 → 2 H 2 O + điện năng + nhiệt năng.
1.1.5.4 Pin nhiên liệu màng trao đổi prton (Proton exchange membrance
fuel cell - PEMFC)
PEMFC xuất hiện vào những năm 1980. Điểm khác biệt so với các loại pin
nhiên liệu khác là việc nó sử dụng chính lớp màng rắn có tính axit và nước làm chất
điện giải với điện cực làm bằng Platin. Hiệu suất pin nằm trong khoảng từ 40 - 50%
và nhiệt độ làm việc dưới 120oC. Nguồn nguyên liệu chính sử dụng là hydro nguyên
chất. Ngoài ra, chúng ta còn biết thêm một dạng khác của PEMFC nhiệt độ cao nhờ
thay thế nước bằng một dung dịch axit-bazơ vô cơ.
Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực:
Trên catot: O2 + 4 H + + 4e − → 2 H 2 O
Trên anot: 2 H 2 → 4 H + + 4e −
Tổng quát: 2 H 2 +O2 →2 H 2 O + điện năng + nhiệt năng.
1.1.5.5 Pin nhiên liệu methanol trực tiếp (Direct methanol fuel cell
- DMFC)
DMFC xuất hiện cùng một thời điểm với PEMFC và nó cũng có 2 dạng là
kiểu axit và bazơ. Nếu ở kiểu axit CO 2 được lấy ra ngoài hết thì ở kiểu bazơ CO 2
vẫn còn giữ lại bởi natri hoăc kali hydroxit ở dạng cacbonat trung tính. Nhiệt độ làm
việc khoảng 27 - 120oC.
Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực:
Trên anot:

CH 3 OH + H 2 O →CO2 + 6 H + + 6e −

Trên catot:

3
O2 + 6 H + + 6e − → 3H 2 O
2

3
Tổng quát: CH 3OH + O2 → CO2 + 2 H 2 O + điện năng + nhiệt năng.
2

1.1.5.6 Pin nhiên liệu oxit rắn (Solid oxide fuel cell - SOFC)
Vào những năm 1990, một sự chuyển giao công nghệ đã hình thành từ loại
pin PEMFC vẫn đang thịnh hành sang SOFC, một loại pin có chất điện giải hoàn


11

toàn mới. Chất điện giải của pin là những lớp gốm nặng, không thấm (phổ biến nhất
là loại oxit bazơ của Zirconi. Với chất điện giải là một loại oxit rắn nên nhiệt độ làm
việc khá cao từ 600 – 1000 oC. Hiệu suất pin nằm trong khoảng từ 70%. SOFC có
thể chia thành 3 loại dựa trên cấu hình phẳng, đồng phẳng và vi ống.
Các phản ứng hóa học xảy ra trên các điện cực:
3
+

Trên catot: O2 + 6 H + 6e → 3H 2 O
2
+

Trên anot: CH 3 OH + H 2 O →CO2 + 6 H + 6e
3
Tổng quát: CH 3 OH + O2 → CO2 + 2 H 2 O + điện năng + nhiệt năng.
2

1.1.6 Một số ưu nhược điểm của pin nhiên liệu
1.1.6.1 Ưu điểm
Pin nhiên liệu có khả năng gây ô nhiễm môi trường thấp hơn rất nhiều so
với những động cơ nhiệt. Nguyên nhân này có thể được giải thích do nguồn nguyên
liệu “sạch” là hydro nên khi tạo ra sản phẩm chỉ là nhiệt và nước. Hơn nữa, nếu
nguyên liệu đầu vào là metanol thì sản phẩm có thêm một lượng khí cacbonic
nhưng lượng này khá nhỏ để có thể gây ô nhiễm môi trường.
Hiệu suất làm việc của pin nhiên liệu cao (trên 50%) so với những thiết bị
sản xuất điện khác. Đối với các động cơ nhiệt, chẳng hạn như động cơ đốt trong và
tua bin khí, năng lượng hóa học được chuyển thành nhiệt bằng cách đốt cháy và sử
dụng nhiệt này để làm công có ích, hiệu suất nhiệt động học của chúng bị giới hạn
bởi hiệu suất nhiệt của chu trình Catot. Còn đối với pin nhiên liệu thì không có quá
trình cháy tạo nhiệt nên không bị giới hạn bởi chu trình Catot thêm vào đó nó còn
hoạt động ở nhiệt độ thấp.


12

Hình 1.4 Hiệu suất của pin nhiên liệu so với một số thiết bị tạo ra điện
khác
Sử dụng pin nhiên liệu giúp ta tiết kiệm được nhiều chi phí về nguồn
nguyên liệu hơn. Như ta biết thì nguồn nguyên liệu chính là khí hydro và oxy có sẵn
trong không khí, cao hơn nữa cũng là metanol, etanol nếu so với những nguồn
nguyên liệu hóa thạch mà các thiết bị sản xuất điện khác sử dụng thì không đáng kể.
Nhất là khi mà nguồn nguyên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và chi phí trên thị
trường luôn biến động thất thường.
Sử dụng pin nhiên liệu có thể giúp chúng ta chủ động hơn trong việc tạo ra
điện ở mọi nơi mọi lúc khi ta cung cấp đầy đủ nhiên liệu. Trong khi với những hệ
thống dùng gió hay năng lượng mặt trời thì rất thụ động trong vấn đề này.
Việc sử dụng pin nhiên liệu cũng giúp chúng ta giảm thiểu đi lượng tiếng
ồn sinh ra. Như mô hình tổng quát về pin thì chúng không sử dụng động cơ nhưng
chỉ với hai điện cực để thực hiện quá trình oxy hóa nguyên liệu.
Pin nhiên liệu được ứng dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực bệnh viện,
các phương tiện vận chuyển, trạm không gian, khách sạn, các nhu cầu sinh hoạt của
con người….
1.1.6.2 Nhược điểm
Một nhược điểm lớn mà chúng ta đang gặp phải khi sử dụng là chi phí cho
một hệ thống pin nhiên liệu rất cao. Chẳng hạn hệ thống pin nhiên liệu loại màng
khoảng 20.000 $ trên một đơn vị KW.


13

Hiện nay chúng ta cũng đang gặp khó khăn trong việc xây dựng cơ sở hạ
tầng để phục vụ cho việc tiếp nhiên liệu cho hệ thống pin.
Một vấn đề khác khiến nhiều người chưa mạnh dạn sử dụng pin nhiên liệu
là do tuổi thọ của nó chưa cao, còn phụ thuộc nhiều vào độ bền của chất xúc tác và
màng trao đổi proton. Nhưng chúng ta có thể hy vọng trong tương lai sẽ xuất hiện
một loại pin nhiên liệu có tuổi thọ lên tới 40000 giờ.
1.2 Pin nhiên liệu Metanol trực tiếp
1.2.1 Lịch sử hình thành và phát triển của pin nhiên liệu methanol trực tiếp
Quá trình oxy hóa metanol đã được khám phá đầu tiên bởi E.Muller vào
năm 1922. Tuy vậy nhưng cũng phải mãi đến những năm 1950 thì khái niệm về pin
nhiên liệu metanol trực tiếp mới được 2 nhà khoa học Kordesch và Marko nghiên
cứu. Ở giai đoạn này dung dịch kiềm được dùng làm chất điện phân sau này được
Parallel thay thế bằng một dung dịch axit thông thường là axit sulphuric (H 2SO4).
Qua một số phương trình động học ông đã cho thấy rằng việc sử dụng kiềm rất có
lợi về mặt động học nhưng dễ dàng tạo ra muối cacbonat (CO 32-) nên ưu tiên của
ông vẫn là axit. Chất xúc tác được sử dụng là platin cho quá trình oxy hóa metanol
và bạc (Ag) cho quá trình khử oxy.
Sau khi đã tìm ra những chất điện giải phù hợp thì nhiều nhà khoa học đã
chú ý và bắt đầu quan tâm đến chất xúc tác. Trong giai đoạn này chất xúc tác được
quan tâm là những hợp kim của platin như platin-thiếc (Pt-Sn) hay platin-rutin (PtRu). Đến những năm 1960, Watanabe và Motoo đã nghiên cứu thành công và mở ra
một tiền năng lớn cho việc sử dụng hợp kim Pt-Ru bằng cách gắn chúng trên dung
dịch rắn có cấu trúc lập phương tâm diện (fcc). Trong những thập kỷ đầu mọi nỗ lực
hướng đến việc tìm ra và mở rộng thêm về lĩnh vực xúc tác trong số đó phải kể đến
Bagotzky và Vassilieo về việc dùng platin nguyên chất cho việc xúc tác.
Cuối những năm 1980 đến đầu những năm 1990 mọi nghiên cứu lại được
hướng đến cấu trúc, bề mặt và tính chất điện của hợp kim Pt-Ru. Trong nhóm
nghiên cứu này gồm có Goodenough, Hamnentt và Shukla. Công việc của họ không
chỉ tập trung vào chất xúc tác nhưng còn về cấu trúc của điện cực.
1.2.2 Cấu tạo pin nhiên liệu methanol trực tiếp
Một hệ thống pin nhiên liệu metanol trực tiếp bao gồm 2 điện cực và ở giữa
là một lớp màng trao đổi ion. Những điện cực (anot và catot) được liên kết mật thiết


14

với bề mặt của lớp màng. Tại mỗi điện cực cũng được chia làm 3 lớp là: lớp xúc tác,
lớp khuếch tán và lớp bên trong (backing layer). Bề dày của các điện cực cũng như
lớp màng không quá 1mm.
Cấu tạo và công dụng của các bộ phận:
 Catot (Cathode)
Catot là một điện cực mà tại đó sẽ tiếp nhận và diễn ra quá trình khử oxy.
Tại catot cũng là nơi giúp các ion hydro và oxy kết hợp với nhau và tạo thành nước.
 Anot (Anode)
Anot cũng là một điện cực có cấu tạo và hình dạng giống như catot. Nó là
nơi tiếp nhận nguồn nguyên liệu giàu ion hydro và cũng giống như một lớp màng
lọc chỉ cho phép ion thích hợp đi xuyên qua nhưng ngăn cản các electron. Đối với
pin nhiện liệu metanol trực tiếp sản phẩm ở anot ngoài nhiệt, điện còn có thêm khí
cacbonic (CO2).
 Lớp màng trao đổi proton (Proton exchange membrane)
Lớp màng này nằm ở trung tâm của hệ thống pin và được cấu tạo từ Nafion.
Nó có tác dụng như một thiết bị lọc chỉ những proton hoặc ion thích hợp được đi
qua và ngăn không cho electron lọt qua. Một điểm cần lưu ý là lớp màng này phải
thường xuyên hydrat hóa để các ion có thể dễ dàng đi qua, muốn vậy chúng ta phải
quan tâm đến lượng nước sử dụng không được bay hơi nhanh so với lượng nước
tạo ra trong pin.
 Lớp xúc tác (Catalytic layer)
Lớp này được cấu tạo từ một hỗn hợp của chất xúc tác và ionome. Nó có
tác dụng trộn các electron và ion có tính dẫn điện. Chất xúc tác thông thường là
platin hoặc hợp kim của nó được gắn trên carbon hay trực tiếp trên các điện cực.
 Lớp khuếch tán (Diffusion layer)
Lớp khuếch tán thường là hỗn hợp của carbon và polytetrafluorosul-phoric
với tính kỵ nước rất thích hợp cho việc vận chuyển phân tử oxy đến chỗ các hạt xúc
tác trên điện cực catot hoặc giải phóng khí cacbonic trên anot.
1.2.3 Nguyên lý hoạt động pin nhiên liệu methanol trực tiếp
Chất cung cấp proton cơ bản trong hệ thống pin nhiên liệu metanol trực tiếp
là dung dịch Metanol và sẽ đưa đến anot. Tại đây, metanol sẽ được oxy hóa trực tiếp
và tạo ra sản phẩm chính là khí cacbonic mặc dù trong quá trình này cũng không
loại trừ khả năng tạo ra nhiều hợp chất như Formandehyt (HCHO), axit Fomic


15

(HCOOH) hoặc một số phân tử hữu cơ. Nhưng chúng sẽ giảm dần trong quá trình
sử dụng pin.
Một số phản ứng xảy ra trong pin:
Trên anot:

CH 3 OH + H 2 O →CO2 + 6 H + + 6e −

Trên catot: 3 O + 6 H + + 6e − → 3H O
2
2
2
3
Tổng quát: CH 3OH + O2 → CO2 + 2 H 2 O
2

Nếu có sự hiện diện của chất điện phân kiềm thì các phản ứng có thể viết lại
dưới dạng:
Trên anot:

Trên catot:

Tổng quát:

1.2.4 Các yếu tố ảnh huởng đến quá trình làm việc của pin
1.2.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ
Sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến sự thay đổi điện thế trong pin nhiên liệu. Nếu
nhiệt độ càng cao thì điện thế của quá trình càng cao và ngược lại. Ngoài ra khi
nhiệt độ tăng sẽ ảnh hưởng đến lượng nhiên liệu nhập liệu vào đồng thời cũng làm
giảm điện trở của pin. Do khi nhiệt độ tăng tính dẫn điện của kim loại giảm trong
khi tính dẫn ion của chất điện phân lại tăng.
1.2.4.2 Ảnh hưởng của độ ẩm
Một chú ý đã nói ở trên là lượng nước được sử dụng trong pin rất quan
trọng trong việc hydrat lớp màng nhưng khi lượng nước này cung cấp không đủ thì


16

một vấn đề có thể xảy ra là lớp màng (Nafion) sẽ bị nứt, nghiêm trọng hơn có thể bị
thủng. Từ đó sẽ kéo theo rất nhiều hệ lụy như là sự ngắt mạch hóa học, gây nóng
cục bộ thậm chí màng dễ bị cháy. Tuy nhiên nếu lượng nước quá nhiều cũng không
tốt. Nó sẽ dễ dàng ngưng tụ trên lớp khuếch tán khiến xảy ra một hiện tượng mà
người ta quen gọi là sự đảo chiều pin. Khi hiện tượng này xảy ra đi kèm với nó là sự
tăng nhiệt, chính việc này sẽ làm hỏng pin.
1.2.4.3 Ảnh hưởng của áp suất
Cũng giống như ảnh hưởng của nhiệt độ đến hoạt động của pin thì áp suất
cũng ảnh hưởng tương tự. Như chúng ta đã biết thì giữa hai đại lượng này có mối
quan hệ tỷ lệ thuận với nhau. Nên khi áp suất tăng thì nhiệt độ cũng tăng dẫn đến
điện thế của quá trình cũng tăng. Ngoài việc làm tăng điện thế khi áp suất cao còn
giúp cho các phân tử hydro và oxy tiến đến sát với chất xúc tác hơn.
1.2.4.4 Ảnh hưởng của chất mang
Như chúng ta đã biết đối với pin thì việc dùng chất xúc tác rất quan trọng.
Tuy nhiên để đạt được hiệu suất tốt nhất thì vấn đề cần quan tâm là kích thước của
hạt xúc tác. Thông thường về lĩnh vực xúc tác thì kích cỡ người ta luôn mong muốn
phải nhỏ khoảng từ 2-3 nanomet. Đặc điểm của hạt nano là rất nhỏ nên chúng có
khuynh hướng là kết tụ lại (do lực hút tĩnh điện) thành những đám lớn, cộng thêm
khả năng ăn mòn điện cực trong quá trình làm việc sẽ ảnh hưởng lớn về mặt xúc
tác. Một phương pháp rất hữu hiệu hiện nay để giải quyết vấn đề này là việc gắn
trực tiếp những hạt xúc tác lên bề mặt của chất mang. Những chất mang thông
thường được cấu tạo từ carbon và một số hợp chất của nó. Sau đây là một số chất
mang đang được dùng phổ biến hiện nay:
 Vulcan XC-72
Là một chất mang dạng bột, có diện tích bề mặt lớn khoảng 232 m 2.g-1, trên
bề mặt có nhiều lỗ xốp với những đặc điểm này sẽ thuận lợi cho việc phân tán cũng
như bám dính những hạt xúc tác có kích thước nano [11]. Ngoài ra, carbon Vulcan
XC-72 còn có độ dẫn điện tốt và giá thành vừa phải. Đây cũng là một trong những
loại vật liệu được dùng làm chất mang phổ biến nhất trong hệ thống DMFC.
 Vulcan XC-72R


x

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×