Tác giả Phạm Quốc Hậu và cộng sự (Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ) đã tổng hợp được vật liệu nền cấu trúc nano Ti0.7W0.3O2 có những tính chất vượt trội như diện tích bề mặt riêng lớn, độ dẫn điện cao, độ bền cao trong môi trường axit và môi trường oxi hóa, có thể thay thế vật liệu nền truyền thống cacbon. Qua đó, góp phần cải thiện độ bền và nâng cao hiệu suất hoạt động của pin nhiên liệu methanol trực tiếp (DMFC).
Pin
nhiên liệu được biết tới như một thiết bị chuyển hóa năng lượng sạch
tiềm năng trong tương lai do không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết,
địa hình cũng như không đòi hỏi diện tích sử dụng lớn. Khác với các loại
pin truyền thống, pin nhiên liệu không cần sạc sau mỗi lần sử dụng, có
thể sử dụng liên tục miễn nhiên liệu được đưa vào liên tục. Pin nhiên
liệu hoạt động ở nhiệt độ thấp được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi
trong các thiết bị điện tử cầm tay, sản xuất ô tô,… So với nhiên liệu
hidro, nhiên liệu methanol thể hiện một số ưu điểm như khả năng lưu trữ,
di chuyển dễ dàng.
Tuy
nhiên, khả năng thương mại hóa của DMFC vẫn còn tồn tại một số rào cản
như phản ứng oxi hóa methanol chậm và giá thành cao của điện cực anode
và cathode do sử dụng một lượng lớn kim loại quý Platin để thúc đẩy phản
ứng oxi hóa và phản ứng khử xảy ra; vật liệu nền xúc tác Pt/C được sử
dụng rộng rãi trong DMFC nhưng độ bền kém của vật liệu nền cacbon cũng
như lực tương tác yếu giữa cacbon và xúc tác Pt dẫn tới giảm hiệu quả
hoạt động của DMFC trong thời gian hoạt động lâu dài.
Nhóm tác giả đề tài nêu trên đã thành công trong việc nghiên cứu vật liệu nền cấu trúc nano Ti0.7W0.3O2 và vật liệu xúc tác Pt/Ti0.7W0.3O2 để nâng cao hoạt tính và độ bền cho DMFC. Vật liệu nền cấu trúc nano Ti0.7W0.3O2 được tổng hợp bằng phương pháp solvothermal một giai đoạn ở 2000C trong 10 giờ không sử dụng bất kỳ chất hoạt động bề mặt hoặc chất ổn định cũng như xử lý nhiệt trong quá trình tổng hợp.
Cấu trúc nano Ti0.7W0.3O2
Vật liệu nền cấu trúc nano Ti0.7W0.3O2 tổng hợp được là dung dich rắn đơn pha anatase-TiO2 (JCPDS 084-1286) với kích thước khoảng 9 nm. So với các vật liệu W-doped TiO2 trong các nghiên cứu trước, vật liệu nền cấu trúc nano Ti0.7W0.3O2 có kích thước hạt nhỏ và giảm đáng kể hiện tượng hạt kết tụ. Vật liệu nền cấu trúc nano Ti0.7W0.3O2 là vật liệu mesoporous với kích thước lỗ xốp ~2.02 nm và diện tích bề mặt riêng lớn (~201.48 m2/g), thích hợp cho việc phân bố hạt nano xúc tác Platin.
Phương pháp đo 4 mũi dò tiêu chuẩn cho thấy độ dẫn điện của vật liệu Ti0.7W0.3O2 là khoảng 2,2.10-2 S/cm, cao hơn khoảng 105 lần so với vật liệu TiO2 (~1,37.10-7 S/cm). Sau khi doped W vào mạng lưới cấu trúc TiO2
dẫn tới độ dẫn điện của vật liệu nền cấu trúc nano được tăng lên đáng
kể, đáp ứng được yêu cầu của vật liệu nền ứng dụng trong pin nhiên liệu.
Xúc tác Pt được gắn trên vật liệu nền Ti0.7W0.3O2
bằng phương pháp polyol có sự hỗ trợ của vi sóng cho thấy kích thước
hạt nano xúc tác Pt là ~3 nm, phân bố đồng đều. Điều này chứng tỏ phương
pháp khử polyol có sự hỗ trợ của vi sóng là phương pháp thích hợp để
tổng hợp vật liệu xúc tác 20 kl% Pt/Ti0.7W0.3O2.
Kết quả so sánh tính chất điện hóa của vật liệu xúc tác 20 kl% Pt/Ti0.7W0.3O2 và vật liệu xúc tác thương mại 20 kl% Pt/C (E-TEK) chỉ ra rằng vật liệu xúc tác Pt/Ti0.7W0.3O2 thể hiện diện tích bề mặt điện hóa (~90,05 m2/g) cao hơn hẳn so với vật liệu xúc tác thương mại Pt/C (E-TEK ~69,21 m2/g).
Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, vật liệu nền xúc tác Pt/Ti0.7W0.3O2
thể hiện hoạt tính và khả năng chống ngộ độc trong phản ứng oxi hóa
methanol tốt hơn hẳn so với vật liệu xúc tác thương mại Pt/C (E-TEK).
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu đề tài tại Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ (CESTI).
Lam Vân (CESTI)