Luận án chế tạo xúc tác IrO2 cho phản ứng thoát oxy áp dụng trong PEMWE

1 MỞ ĐẦU Sự tăng trưởng của dân số cũng như quá trình công nghiệp hóa diễn ra nhanh chóng tại các quốc gia làm cho nhu cầu năng lượng trên toàn thế giới tăng mạnh. Hiện nay, hơn 80% nhu cầu năng lượng được đáp ứng từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, than đá và khí thiên nhiên do chúng có sẵn trong tự nhiên, dễ dàng và thuận tiện trong vận chuyển và lưu trữ. Tuy nhiên, các nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt trong khi nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng cao đã, đang và sẽ đe dọa đến an ninh năng lượng của nhiều quốc gia cũng như đưa đến mầm mống của cuộc khủng hoảng về năng lượng trên phạm vi toàn thế giới trong một tương lai không xa. Mặt khác, việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch cũng tạo thành các sản phẩm gây ô nhiễm môi trường, gây ra các hiệu ứng nhà kính dẫn đến biến đổi khí hậu toàn cầu và làm trái đất nóng lên.

Vì vậy, nhu cầu phát triển các nguồn năng lượng mới thay thế, có khả năng tái tạo và không làm ô nhiễm môi trường đang ngày càng trở nên bức thiết tại các quốc gia [1-5]. Hydro chính là một nguồn năng lượng mới tiềm năng trong tương lai. Hydro là nguyên tố nhiều nhất, cấu tạo nên 90% vật chất trong vũ trụ và trái đất, hiệu suất cháy của hydro cao hơn dầu mỏ (60% so với 25%). Khi sử dụng hydro làm nhiên liệu chỉ tạo ra một sản phẩm phụ duy nhất là nước nên đây là nguồn nhiên liệu thân thiện môi trường.

Có nhiều cách sản xuất hydro, trong đó có phương pháp điện phân nước đang dần chiếm nhiều ưu thế do nước chiếm 70% diện tích trái đất và tái tạo trong quá trình sử dụng. Bởi vậy nền kinh tế dựa trên hydro sẽ dần thay thế cho nền kinh tế dầu mỏ và sẽ là nền kinh tế bền vững lý tưởng nhất của loài người [6-11]. Trong các phương pháp sản xuất hydro bằng kỹ thuật điện phân thì phương pháp điện phân nước màng trao đổi proton (PEMWE) có nhiều ưu điểm vượt trội: hiệu suất cao (có thể đạt hơn 90%), độ tinh khiết cao (khoảng 99%), an toàn, tiêu thụ năng lượng ít, có thể vận hành với mật độ dòng cao (lên đến 2 A/cm2). Phương pháp này là một hướng phát triển quan trọng do khả năng có thể dễ dàng kết hợp với các nguồn năng lượng mới khác như: sức gió, năng lượng mặt trời.

Vì vậy, nó thu hút được sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học trên thế giới [12, 13]. Có rất nhiều nghiên cứu phát triển trên PEMWE và các sản phẩm thương mại hóa với quy mô khác nhau được cung cấp bởi các công ty hàng đầu thế giới như: Hamilton 2 Sundstrand của Mỹ, Htec của Đức, RRC “Kurchatov Institute” của Nga [14, 15] …Tuy nhiên, sự phát triển của thiết bị PEMWE vẫn đang bị hạn chế bởi chi phí chế tạo cao do việc sử dụng các xúc tác là kim loại quí hiếm… Vì vậy, các nghiên cứu về PEMWE gần đây đều tập trung tìm ra vật liệu xúc tác mới cải thiện diện tích hoạt hóa và độ bền anôt bằng cách sử dụng các kỹ thuật tổng hợp tiên tiến để điều chế vật liệu xúc tác dưới dạng bột kích thước nano, từ đó cải thiện hiệu suất và công suất của bộ PEMWE. Tại Việt Nam, các nghiên cứu về điện phân sản xuất hydro sử dụng màng trao đổi proton vẫn chưa được quan tâm nhiều. Để tiếp cận dần với nền kinh tế hydro và bắt kịp với xu hướng nghiên cứu về vật liệu xúc tác cho PEMWE, chúng tôi đã lựa chọn đề tài nghiên cứu của luận án: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa trên cơ sở IrO2 cho phản ứng thoát ôxy áp dụng trong thiết bị điện phân nước sử dụng màng trao đổi proton”.

Mục tiêu của luận án:  Chế tạo các vật liệu xúc tác điện cực trên cơ sở IrO2 cho quá trình thoát ôxy trong điện phân nước màng trao đổi proton PEMWE có cấu trúc nano, có hoạt tính xúc tác và có độ bền cao.  Áp dụng chế tạo bộ điện phân sử dụng màng trao đổi proton PEMWE để điều chế hydro có công suất cao. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Ý nghĩa khoa học  Đánh giá các đặc trưng tính chất của các xúc tác điện cực chế tạo được: cấu trúc, hình thái học bề mặt, độ hoạt hóa và độ bền của chúng trong môi trường axit, từ đó có những kết luận về khả năng sử dụng của chúng trong thực tế và lựa chọn được xúc tác phù hợp cho áp dụng.  Xác định được quy trình tổng hợp các xúc tác điện cực trên cơ sở IrO2.

 Đánh giá hiệu quả xúc tác chế tạo được khi áp dụng trong một bộ PEMWE thực tế. 3 Ý nghĩa thực tiễn  Chủ động chế tạo các vật liệu xúc tác điện cực anôt sử dụng trong thiết bị điện phân nước sử dụng màng trao đổi proton để sản xuất hydro.  Bước đầu xây dựng kiến thức và nguồn nhân lực cho phát triển PEMWE. Cụ thể là chế tạo một bộ PEMWE đơn hoàn chỉnh và xác lập các điều kiện vận hành để sản xuất hydro.

Điều này tạo tiền đề cho phép phát triển chế tạo các bộ PEMWE công suất lớn trong tương lai. Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu tổng hợp tạo vật liệu xúc tác hệ đơn nguyên IrO2 và đặc trưng tính chất của xúc tác để đưa ra phương pháp tổng hợp xúc tác. - Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác hệ nhị nguyên IrxRu(1-x)O2 với tỉ lệ thành phần khác nhau, có cấu trúc nano, có độ bền và hoạt tính cao cho phản ứng thoát ôxy điện phân nước màng trao đổi proton. - Nghiên cứu tổng hợp vật liệu xúc tác hệ tam nguyên RuxIryMzO2 (với M là cấu tử thứ 3: Ti, Sn, Co) có độ bền và hoạt tính cao cho phản ứng thoát ôxy trong điện phân nước màng trao đổi proton.

- Nghiên cứu đặc trưng tính chất của các loại xúc tác tổng hợp được. Từ đó lựa chọn được thành phần xúc tác phù hợp và quy trình tổng hợp ổn định áp dụng vào bộ điện phân thực tế. - Chế tạo bộ điện phân nước màng trao đổi proton PEMWE có sử dụng xúc tác chế tạo được để điều chế hydro công suất cao. Đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là vật liệu xúc tác anôt dưới dạng bột được tạo bởi hỗn hợp một số ôxit kim loại trên cơ sở IrO2 áp dụng làm vật liệu điện cực anôt trong bộ điện phân PEMWE.

Các xúc tác anôt được nghiên cứu chủ yếu trong môi trường axit nhằm chế tạo xúc tác có khả năng xúc tác và có độ bền cao cho phản ứng thoát ôxy tại anôt. 4 Phương pháp nghiên cứu là các phương pháp thực nghiệm. Các bột xúc tác kim loại trên cơ sở IrO2 được tổng hợp bằng phương pháp phân huỷ nhiệt các tiền chất muối. Cơ chế của quá trình tạo các bột ôxit từ các muối tiền chất được nghiên cứu bằng các phương pháp phân tích nhiệt vi sai và nhiệt trọng lượng.

Các phương pháp phân tích cấu trúc và hình thái học (SEM, TEM, nhiễu xạ tia X), các phương pháp điện hóa (đường cong phân cực, phân cực vòng, phân cực dòng tĩnh) cũng được sử dụng để đánh giá các tính chất của vật liệu xúc tác đã tổng hợp. Cấu trúc của luận án Phần mở đầu giới thiệu lý do chọn đề tài, mục đích, đối tượng, phương pháp, phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Chương 1 Tổng quan trình bày những vấn đề chính: 1. Giới thiệu sơ lược về nhiên liệu hydro và các phương pháp sản xuất hydro.

Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thiết bị điện phân sử dụng màng trao đổi proton. Giới thiệu về vật liệu xúc tác điện cực, tình hình nghiên cứu, phương pháp chế tạo vật liệu xúc tác anôt áp dụng trong thiết bị điện phân PEMWE. Cơ sở lựa chọn xúc tác điện cực trên cơ cơ sở IrO2. Chương 2 trình bày các vấn đề: 1.

Thiết bị, dụng cụ và hóa chất sử dụng trong quá trình nghiên cứu. Nội dung thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu. Chương 3 trình bày các kết quả nghiên cứu và thảo luận. Phần kết luận trình bày các kết luận chính của luận án.

Các kết quả chủ yếu của luận án đã được công bố ở 04 bài báo đã đăng, trong đó có 01 bài quốc tế và 03 bài trên các tạp chí khoa học trong nước. Nền kinh tế hydro Trong những năm gần đây, khái niệm “nền kinh tế hydro” đã được đề cập ngày càng nhiều trong khoa học cũng như trong đời sống xã hội [1-9]. Khái niệm này được đưa ra với một mong ước sự phát triển của nhân loại dựa trên một nguồn nhiên liệu là hydro. Theo tính toán khoa học, hydro là một nguyên tố có trữ lượng lớn nhất trên trái đất, nó thường nằm trong các dạng hợp chất với cacbon như dầu mỏ, đặc biệt là trong nước một nguồn tài nguyên khổng lồ, vô tận.

Hydro từ lâu được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như chưng cất dầu mỏ, sản xuất thực phẩm, luyện kim, mỹ phẩm…Ngày nay, hydro sử dụng làm nhiên liệu động cơ, là nguồn nhiên liệu cung cấp cho hệ thống pin nhiên liệu. Pin nhiên liệu hoạt động dựa trên cơ chế của quá trình điện hóa tạo ra điện năng nên hiệu suất sử dụng cao hơn và tiết kiệm năng lượng hơn so với động cơ đốt trong. Một chu trình lý tưởng trong sử dụng hydro làm nhiên liệu được trình bày trên hình 1.  Hydro được phân bố và lưu trữ bằng nhiều cách khác nhau: bình chứa, khí hóa lỏng hoặc các hydrua kim loại.

Mô hình minh họa một chu trình lý tưởng sử dụng nhiên liệu hydro [16] Trong chu trình này, các nguồn năng lượng tái tạo sẵn có như: năng lượng mặt trời, điện gió được sử dụng để điện phân nước tách thành hydro và ôxy. Sau đó, sản phẩm hydro được lưu trữ và sử dụng làm nhiên liệu cho pin nhiên liệu và kết hợp với không khí sẵn có để chuyển hóa hóa năng thành điện năng phục vụ cho đời sống xã hội. Sản phẩm cuối cùng trong toàn chu trình chỉ là nước tinh khiết và được tuần hoàn tái sử dụng. Như vậy, hydro sẽ là một trong các nguồn năng lượng mới, sạch và tiềm năng trong tương lai với trữ lượng dồi dào đáp ứng được mục tiêu phát 6 triển bền vững của nhân loại.