Luận án phát triển hỗ trợ catalyst DAFC bền vững - Nghiên cứu của Hau Quoc Pham

Nghiên cứu về các chất xúc tác bền vững cho DAFC, tập trung vào hiệu suất, tuổi thọ và giảm chi phí.

Trường ĐH

Ho Chi Minh City University of Technology, Viet Nam National University Ho Chi Minh City

Chuyên ngành
Chemical Engineering
Tác giả

Luan An

Thể loại

Luận án tiến sĩ

Năm xuất bản

Số trang

183

Thời gian đọc

28 phút

Lượt xem

0

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

50 Point

Tổng quan nhanh

Chủ đề:
Giới thiệu DAFC bền vững và thách thức xúc tác
Số trang:
183 trang
Trường:
Ho Chi Minh City University of Technology, Viet Nam National University Ho Chi Minh City
Chuyên ngành:
Chemical Engineering
Tác giả:
Năm:

Tóm tắt nội dung luận án

I.Giới thiệu DAFC bền vững và thách thức xúc tác

1.1. Tiềm năng năng lượng xanh từ DAFC

Thế giới đối mặt với ô nhiễm môi trường và cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch. Nhu cầu năng lượng bền vững ngày càng cấp thiết. Pin nhiên liệu alcohol trực tiếp (DAFCs) nổi lên như một nguồn năng lượng xanh đầy hứa hẹn. DAFCs phù hợp cho các ứng dụng di động và vận tải. Ưu điểm bao gồm cấu trúc đơn giản, tính di động cao, chi phí vận hành hợp lý và dễ dàng lưu trữ, vận chuyển nhiên liệu alcohol. Đây là công nghệ then chốt cho tương lai năng lượng sạch.

1.2. Hạn chế xúc tác điện hóa DAFC hiện tại

Mặc dù tiềm năng lớn, DAFCs gặp phải những rào cản kỹ thuật. Động học oxy hóa chậm là một vấn đề. Hiệu ứng "ngộ độc CO-like" trên chất xúc tác làm giảm hiệu suất. Những hạn chế này cản trở việc thương mại hóa rộng rãi DAFCs. Cần phát triển chất xúc tác DAFC hiệu suất cao và bền vững hơn.

1.3. Vấn đề độc tính CO và chi phí kim loại quý

Hợp kim Pt-Ru được coi là chất xúc tác điện hóa DAFC hiệu quả. Chúng có hoạt tính điện hóa cao và khả năng chống ngộ độc CO tốt. Tuy nhiên, Ru có thể hòa tan ở điện thế hoạt động của pin nhiên liệu. Điều này làm giảm độ bền xúc tác DAFC. Ngoài ra, giá thành cao và sự khan hiếm của Ru là nhược điểm lớn. Việc tìm kiếm kim loại quý thay thế trong DAFC hoặc vật liệu hỗ trợ cải tiến là cần thiết.

II.Phát triển vật liệu mang xúc tác DAFC hiệu quả

2.1. Giải pháp TixW1 xO2 đa chức năng

Để giải quyết các vấn đề đã nêu, nghiên cứu tập trung vào vật liệu mang xúc tác DAFC mới. Cấu trúc nano TixW1-xO2 (x = 0.8) được chế tạo. Vật liệu này đóng vai trò hỗ trợ đa chức năng. Nó có khả năng đồng xúc tác, ngăn chặn hoặc giảm sự suy giảm của xúc tác cực dương trong DAFCs. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc tìm kiếm vật liệu mang xúc tác DAFC hiệu suất cao.

2.2. Tối ưu hóa thành phần Tungsten

Các vật liệu mang TixW1-xO2 (x = 0.8) mesoporous được tổng hợp bằng phương pháp solvothermal đơn giản. Mục tiêu là hiểu rõ ảnh hưởng của nồng độ tungsten pha tạp. Đặc biệt là trên các tính chất điện hóa của xúc tác Pt/TixW1-xO2 20 wt% cho phản ứng oxy hóa ethanol (EOR). Hàm lượng tungsten pha tạp tối ưu giúp cải thiện đáng kể hiệu suất. Điều này góp phần vào việc tối ưu hóa xúc tác DAFC.

2.3. Ưu điểm của vật liệu mang không carbon

Kết quả cho thấy diện tích bề mặt và độ dẫn điện của vật liệu mang tăng đáng kể. Đặc biệt với hàm lượng tungsten pha tạp 20 at% (Ti0.2O2) và 30 at% (Ti0.3O2). Khi hàm lượng tungsten tăng lên 40 at% (Ti0.4O2), độ dẫn điện gần như không đổi. Tuy nhiên, diện tích bề mặt lại giảm đáng kể. Điều này chứng tỏ việc thêm một lượng tungsten pha tạp phù hợp vào mạng lưới TiO2 giúp tăng cường cả diện tích bề mặt và độ dẫn điện. TixW1-xO2 là một giải pháp thay thế phù hợp cho vật liệu carbon phổ biến.

III.Tối ưu hóa xúc tác DAFC với cấu trúc nano Pt

3.1. Phân tán hạt nano Pt đồng đều

Hạt nano Pt (NPs) kích thước nhỏ được phân tán tốt trên bề mặt vật liệu mang. Việc này thực hiện bằng phương pháp polyol có hỗ trợ vi sóng nhanh chóng. Kích thước hạt và sự phân tán đều đóng vai trò quan trọng. Chúng ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt tính và độ bền xúc tác DAFC. Sự phân tán tối ưu của các hạt nano kim loại quý thúc đẩy hiệu suất của chất xúc tác điện hóa DAFC.

3.2. Cấu trúc nano dây Pt một chiều 1D NWs

Lần đầu tiên, nghiên cứu kết hợp sử dụng vật liệu nano hỗ trợ không carbon và điều chỉnh hình thái, cấu trúc của xúc tác kim loại. Các dây nano Pt một chiều (1D Pt NWs) được phát triển thành công trên bề mặt Ti0.3O2. Phương pháp khử hóa học đơn giản ở nhiệt độ phòng, sử dụng axit formic làm chất khử. Việc tạo ra các cấu trúc nano Pt đặc biệt này góp phần tối ưu hóa xúc tác DAFC.

3.3. Tăng cường hoạt tính xúc tác điện hóa DAFC

Việc điều chỉnh hình thái và cấu trúc của xúc tác kim loại kết hợp với vật liệu mang mới. Phương pháp này tạo ra một xúc tác mạnh mẽ cho phản ứng oxy hóa alcohol (AOR). Cấu trúc 1D Pt NWs/Ti0.3O2 là xúc tác cực dương tiềm năng. Nó hứa hẹn cải thiện đáng kể hoạt tính và độ bền xúc tác DAFC. Đây là bước tiến quan trọng trong việc phát triển chất xúc tác DAFC hiệu suất cao.

IV.Nâng cao độ bền xúc tác DAFC và giảm chi phí

4.1. Cải thiện khả năng chống ngộ độc CO

Vật liệu TixW1-xO2 (x = 0.8) không chỉ đóng vai trò hỗ trợ. Nó còn thể hiện chức năng đồng xúc tác, cải thiện đáng kể khả năng chống ngộ độc CO. Đây là một vấn đề chính gây suy giảm hiệu suất của xúc tác điện hóa DAFC. Khả năng này giúp duy trì hoạt tính cao của xúc tác trong quá trình hoạt động dài. Mục tiêu là phát triển chất xúc tác DAFC hiệu suất cao và bền vững.

4.2. Độ bền vượt trội sau chu kỳ dài

Sau 5000 chu kỳ thử nghiệm lão hóa gia tốc (ADT), các xúc tác được chế tạo cho thấy tổn thất hoạt độ khối thấp hơn gần hai lần. Con số này so với xúc tác thương mại. Điều này chứng tỏ độ bền xúc tác DAFC vượt trội. Nó duy trì hiệu suất ổn định trong thời gian dài. Khả năng này rất quan trọng để thương mại hóa pin nhiên liệu alcohol trực tiếp.

4.3. Giảm phụ thuộc vào kim loại quý hiếm

Việc sử dụng TixW1-xO2 như một vật liệu mang đa chức năng giúp giảm lượng Pt cần thiết. Nó cũng giảm hoặc loại bỏ sự phụ thuộc vào Ru, một kim loại quý hiếm và đắt tiền. Điều này góp phần đáng kể vào việc giảm chi phí xúc tác DAFC. Đồng thời, nó mở ra hướng đi mới trong việc tìm kiếm kim loại quý thay thế trong DAFC hoặc tối ưu hóa việc sử dụng chúng.

V.Kết quả đột phá cho xúc tác DAFC bền vững

5.1. Hiệu suất vượt trội của Pt Ti0.3O2

Trong số các xúc tác được chế tạo, 20 wt% Pt/Ti0.3O2 thể hiện hiệu suất xúc tác tốt nhất. Hoạt độ khối đạt 260.23 mA mgPt-1. Đây là mức cao hơn đáng kể so với xúc tác Pt/C thương mại. Điều này khẳng định tiềm năng của vật liệu mang TixW1-xO2 trong việc nâng cao hiệu suất của chất xúc tác điện hóa DAFC.

5.2. Hoạt độ khối và tỷ lệ If Ib cao

Tỷ lệ If/Ib của Pt/Ti0.3O2 đạt 1.57 lần, cao hơn đáng kể so với giá trị 0.85 của xúc tác Pt/C thương mại. Chỉ số này phản ánh khả năng chống ngộ độc CO và hoạt tính oxy hóa hiệu quả. Các kết quả này minh chứng cho sự tối ưu hóa xúc tác DAFC đã đạt được. Nó thể hiện rõ ràng hiệu suất vượt trội của hệ thống mới.

5.3. Tiềm năng ứng dụng pin nhiên liệu alcohol trực tiếp

Kết quả thực nghiệm chứng minh TixW1-xO2 có thể thay thế vật liệu carbon thông thường. Nó đóng vai trò vật liệu mang xúc tác DAFC cho pin nhiên liệu. Sự kết hợp giữa vật liệu nano hỗ trợ không carbon và việc điều chỉnh hình thái xúc tác kim loại tạo ra một xúc tác mạnh mẽ. Điều này thúc đẩy ứng dụng quy mô lớn của DAFCs, hướng tới DAFC bền vững trong tương lai.

Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
The multifunctional tixw1 xo2 x 0 5 0 6 0 7 0 8 support for platinum to enhance the activity and co tolerance of direct alcohol fuel cells

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (183 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

VIET NAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY HAU QUOC PHAM THE MULTIFUNCTIONAL TixW1-xO2 (x = 0.8) SUPPORT FOR PLATINUM TO ENHANCE THE ACTIVITY AND CO-TOLERANCE OF DIRECT ALCOHOL FUEL CELLS A dissertation submitted for the degree of Doctor of Philosophy HO CHI MINH CITY – 2022 VIET NAM NATIONAL UNIVERSITY HO CHI MINH CITY HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY HAU QUOC PHAM THE MULTIFUNCTIONAL TixW1-xO2 (x = 0.8) SUPPORT FOR PLATINUM TO ENHANCE THE ACTIVITY AND CO-TOLERANCE OF DIRECT ALCOHOL FUEL CELLS A dissertation submitted for the degree of Doctor of Philosophy Major subject: Chemical Engineering Major subject code: 9520301 Independent Reviewer: Independent Reviewer: Reviewer: ASSOC. TRAN VAN MAN Reviewer: ASSOC. NGUYEN DINH THANH Reviewer: ASSOC. NGUYEN NHI TRU Advisor: 1.

VAN THI THANH HO 2. SON TRUONG NGUYEN PLEDGE I pledge that this dissertation is my study under the direct guidance of Assoc. Van Thi Thanh Ho and Assoc. Son Truong Nguyen.

The study results and conclusions in this dissertation are honest, and not copied from any one source and in any form. The reference to the sources of documents (if any) has been cited and the reference sources are recorded as prescribed. Signature Hau Quoc Pham i ABSTRACT The worldwide environment has been getting worse day by day because of the emission of various harmful pollutants into the environment from burning traditional fossil fuels. Also, fossil fuels are limited resources and will be exhausted in the next few decades, therefore, finding out sustainable and renewable energy sources has sparked interest as future alternatives.

Recently, direct alcohol fuel cells (DAFCs) have been considered a promising green energy source in portable and transportation applications due to their relatively simple infrastructure, portability, operation cost, easy storage, and conveyance of alcohol fuels. Nonetheless, the sluggish oxidation kinetics and “CO-like poisoning” effect of catalysts are limitations for commercializing DAFCs. Alloying Pt with Ru is regarded as an efficient anodic DAFC catalyst owing to its high electrochemical activity and great CO anti-poisoning ability. The Ru metal, however, can be dissolved at the fuel cell operation potential, resulting in a decrease in the electrocatalytic stability of this alloy catalyst.

Furthermore, the high price and low natural abundance of Ru are drawbacks of particular uses. To address aforementioned problems, we fabricate TixW1-xO2 (x = 0.8) nanostructures as multifunctional support with co-catalytic functionality to prevent or reduce the deterioration of anodic catalyst in DAFCs. Additionally, tuning morphology and structure of metal catalyst are also combined to enhance the catalytic performance of electrocatalyst, thereby promoting large-scale DAFC applications. Various mesoporous TixW1-xO2 (x = 0.8) supports are fabricated by a facile solvothermal route to comprehend the effect of doping tungsten concentration on electrochemical properties of 20 wt% Pt/TixW1-xO2 catalysts for ethanol electro- oxidation reaction (EOR).

As a result, the surface area and electrical conductivity of as- prepared supports are drastically increased with the doped tungsten contents of 20 at% (Ti0.2O2) and 30 at% (Ti0. With rising the doped tungsten content up to 40 at% (Ti0.4O2), the electrical conductivity is almost unchanged, whereas the surface area is remarkably decreased. This implies that the addition of proper doped tungsten content into TiO2 lattices results in an enormous enhancement in both surface area and electrical conductivity. Also, small-size Pt nanoparticles (NPs) are well-distributed on ii the support surface by a rapid microwave-assisted polyol route.

In term of the EOR, 20 wt% Pt/TixW1-xO2 (x = 0.8) catalyst shows the catalytic performance better than the commercial 20 wt% Pt/C (E-TEK) catalyst. Among as-made catalysts, 20 wt% Pt/Ti0.3O2 catalyst displays the highest mass activity (260. 23 mA mgPt-1) and largest If/Ib ratio (1.57-fold greater than those of 20 wt% Pt/C (E- TEK) catalyst (130.62 mA mgPt-1 for mass activity and 0.85 for If/Ib value, respectively). After 5000-cycling ADT, as-made catalysts show the mass activity loss about twice as lower than the commercial catalyst that exhibits great EOR stability.

Experimental results demonstrate that TixW1-xO2 supports can be utilized as a suitable alternative for the common carbon material in the function of catalyst support for fuel cells. For the first time, a combination of using non-carbon nanosupport and tuning the morphology and structure of metal catalyst is utilized to assemble a robust catalyst for alcohol oxidation reaction (AOR). The one-dimensional (1D) Pt nanowires (NWs) are successfully grown on the Ti0.3O2 surface by a simple chemical reduction route at room temperature, only using formic acid as a reducing agent. These observational results indicate that the 1D Pt NWs/Ti0.3O2 catalyst is a potential anodic catalyst for the oxidation reaction of methanol (MOR) and ethanol (EOR), which can replace a conventional Pt NPs/C catalyst.

For instance, 1D Pt NWs/Ti0.3O2 catalyst exhibits a low onset potential (~0.1 VNHE for MOR and ~0.2 VNHE for EOR), high mass activity (355.29 mA mgPt-1 for MOR and 325.01 mA mgPt-1 for EOR), and impressive electrochemical stability compared to the Pt NPs/C catalyst. The outstanding activity and stability of 1D Pt NWs/Ti0.3O2 catalyst can be interpreted due to the unique properties of 1D Pt nanostructures and advantages of Ti0.3O2, as well as synergetic effects between 1D Pt NWs and Ti0. More importantly, 1D-bimetallic Pt3Co NWs with a diameter of around 4 nm and several tens of nanometers in the lengths are grown on the Ti07W0.3O2 by a template- and surfactant-free chemical reduction method. The 1D-bimetallic Pt3Co NWs/Ti0.3O2 catalyst exhibits high mass activity (393.29 mA mgPt-1 for MOR and 341.76 mA mgPt-1 for EOR) and great electrochemical durability compared to conventional Pt NPs/C catalyst.

In addition, the CO-stripping result shows superior CO- iii tolerance of 1D Pt3Co NWs/Ti0.3O2 catalyst with the COads oxidation peak at 0.64 VNHE, which is much lower than that of the Pt NPs/C catalyst (0. After 5000- cycling ADT, the activity loss of 1D Pt3Co NWs/Ti0.68% of the initial mass activity, which was 4.18-time lower than that of the Pt NPs/C catalyst (44.66%), indicating superior stability retention of 1D Pt3Co NWs/Ti0. These enhancements are attributable to (i) advantages of 1D nanostructures with abundant active catalytic sites facilitating the oxidation of adsorbed small organic molecules; (ii) addition of Co promotes the removal of strongly bound intermediates on Pt sites neighboring Co, resulting in boosting CO-tolerance of as-prepared catalyst; (iii) synergic and electronic effects of compounds, Pt3Co NWs, and Ti0. This work can open up an effective approach to enhance the performance of catalysts with a decrease in Pt consumption for electrochemical energy conversion.

iv TÓM T T LU N ÁN Bi n đ i khí h u và ô nhi m môi tr ng trên th gi i ngày càng tr nên t i t do s phát th i c a các ch t ô nhi m t vi c đ t các nhiên li u hóa th ch truy n th ng. H n n a, tr l ng nghiên li u hóa th ch trên th gi i là gi i h n và s c n ki t trong vài th p k t i, do đó, nhu c u tìm ki m các ngu n n ng l ng thay th s ch và có kh n ng tái t o đ c u tiên. Pin nhiên li u s d ng tr c ti p alcohol (DAFCs) đang đ c nghiên c u và s d ng trong nhi u l nh v c nh v n chuy n và các thi t b c m tay do ít phát th i khí nhà kính, hi u su t chuy n đ i n ng l ng t ng đ i cao, chi phí v n hành th p, kh n ng l u tr và v n chuy n d dàng và an toàn c a nhiên li u alcohol. Tuy nhiên, đ ng h c cho ph n ng oxi hóa ch m và s ng đ c CO c a xúc tác Pt là nh ng h n ch chính nh h ng tr c ti p t i hi u su t ho t đ ng c a DAFCs trong th i gian ho t đ ng lâu dài.

V t li u xúc tác h p kim Pt v i Ru đang đ c s d ng nh xúc tác hi u qu cho ph n ng oxi hóa nhiên li u alcohol do ho t tính xúc tác và kh n ng ch ng ng đ c CO cao, nh ng s d hòa tan c a kim lo i Ru t i th ho t đ ng c a pin nhiên li u d n t i s không n đ nh c a v t li u xúc tác này. Ngoài ra, giá thành cao và l ng Ru t nhiên t ng đ i th p c ng là m t nh c đi m c a xúc tác Pt-Ru. gi i quy t v n đ này, tôi t ng h p và kh o sát đ c tính c a v t li u c u trúc nano TixW1-xO2 (x = 0.8) nh v t li u n n xúc tác đa ch c n ng v i vai trò đ ng xúc tác đ c i thi n ho t tính và đ b n c a v t li u xúc tác trong pin nhiên li u s d ng tr c ti p alcohol. Ngoài ra, vi c đi u khi n hình d ng và c u trúc c a kim lo i xúc tác c ng đ c k t h p trong lu n án này đ c i thi n ho t tính xúc tác c a v t li u xúc tác đi n hóa cho ph n ng oxi hóa alcohol, thúc đ y s ng d ng c a pin nhiên li u s d ng tr c ti p alcohol.

V t li u n n TixW1-xO2 (x = 0.8) đ c t ng h p b ng ph ng pháp dung nhi t đ kh o sát s nh h ng c a l ng Vonfram (W) pha t p lên đ c tính xúc tác đi n hóa c a v t li u xúc tác 20 wt% Pt/TixW1-xO2 cho ph n ng oxi hóa ethanol (EOR). K t qu ch ra r ng di n tích b m t riêng và đ d n đi n c a v t li u n n t ng đáng k khi l ng W pha t p là 20 at% (Ti0.2O2) và 30 at% (Ti0.3O2), và khi t ng lên t i 40 at% thì đ d n đi n h u nh không thay đ i, trog khi đó di n tích b m t riêng gi m rõ r t. i u này ch ng t r ng khi thêm m t l ng W pha t p tích h p d n t i s c i v thi n c di n tích b m t riêng và đ d n đi n c a v t li u n n TixW1-xO2. Bên c nh đó, h t xúc tác Pt d ng c u v i kích th c nh c ng đ c phân b t t trên b m t v t li u n n thông qua ph ng pháp polyol có s h tr c a vi sóng.

i v i EOR, v t li u xúc tác 20 wt% Pt/TixW1-xO2 (x = 0.8) th hi n hi u qu xúc tác t t h n so v i v t li u xúc tác th ng m i 20 wt% Pt/C (E-TEK). Trong s v t li u xúc tác t ng h p, v t li u xúc tác 20 wt% Pt/Ti0.3O2 th hi n hoat tính cao nh t v i c ng đ oxi hóa là 260.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Trích dẫn luận án này

Hau Quoc Pham (2022). Nghiên cứu hỗ trợ catalyst DAFC bền vững [Luận án tiến sĩ, Ho Chi Minh City University of Technology, Viet Nam National University Ho Chi Minh City]. LuanAn.net. https://luanan.net/khoa-hoc-cong-nghe-ky-thuat/nghien-cuu-ho-tro-catalyst-dafc-ben-vung

Câu hỏi thường gặp

Luận án "Nghiên cứu hỗ trợ catalyst DAFC bền vững" nghiên cứu về vấn đề gì?

Nghiên cứu về các chất xúc tác bền vững cho DAFC, tập trung vào hiệu suất, tuổi thọ và giảm chi phí.

Luận án "Nghiên cứu hỗ trợ catalyst DAFC bền vững" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại Ho Chi Minh City University of Technology, Viet Nam National University Ho Chi Minh City. Năm bảo vệ: 2022.

Luận án "Nghiên cứu hỗ trợ catalyst DAFC bền vững" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Nghiên cứu hỗ trợ catalyst DAFC bền vững" thuộc chuyên ngành Chemical Engineering. Danh mục: Khoa Học Công Nghệ - Kỹ Thuật.

Luận án "Nghiên cứu hỗ trợ catalyst DAFC bền vững" có bao nhiêu trang?

Luận án "Nghiên cứu hỗ trợ catalyst DAFC bền vững" có 183 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Nghiên cứu hỗ trợ catalyst DAFC bền vững" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter