- Điện cực sắt. - Điện cực khí. - Tạo điện cực AB, Fe2O3, Fe2O3@C và Fe2O3@AB. - Tạo cell 3 điện cực. - Hình thái học và đặc trưng điện hóa của vật liệu điện cực Fe2O3@C. - Đặc trưng CV của điện cực Fe2O3@C. - Đặc trưng CV của điện cực AB. - Đặc trưng CV của điện cực Fe2O3. - Đặc trưng CV của điện cực Fe2O3@AB. - Ảnh hưởng của hàm lượng Fe2O3 đến đặc trưng điện hóa của điện cực Fe2O3@AB. - Ảnh hưởng của chất phụ gia K2S đến đặc trưng điện hóa của điện cực Fe2O3@AB. - Đường cong phóng - nạp của điện cực sắt. - Cell 3 điện cực. - 26 Hình 2.10. - 27 Hình 2.11. - Đặc trưng CV của điện cực AB (AB:PTFE = 90:10 wt%) trong dung dịch KOH 8M. - 37 Hình 3.10. - 39 Hình 3.11. - Đặc trưng CV của điện cực Fe2O3 thương mại (Aldrich. - 40 Hình 3.12. - 42 Hình 3.13. - 43 Hình 3.14. - Đặc trưng CV của điện cực Fe2O3@AB (Fe2O3:AB:PTFE trong dung dịch KOH 8M (a) Fe2O3 –NaOH 2,5M (b) Fe2O3 –NaOH 7,5M (c) Fe2O3 –NaOH 15M. - 45 Hình 3.15. - 47 Hình 3.16. - 48 Hình 3.17. - Dung lượng điện cực Fe2O3@AB với Fe2O3:AB:PTFE a) trong KOH và (b) trong KOH+K2S. - 50 Hình 3.18. - 52 Hình 3.19. - 54 Hình 3.20. - Các kết quả nghiên cứu trước đây của nhóm cho thấy kích thước, hình thái học, hàm lượng của hạt sắt ảnh hưởng mạnh đến đặc trưng điện hóa của điện cực sắt. - Các chất phụ gia cho điện cực 2 và dung dịch điện ly đều có tác động tích cực đến khả năng chu trình hóa của điện cực sắt, giúp cải thiện dung lượng, năng lượng, hiệu suất của pin Fe-khí. - Vật liệu Fe2O3 có hình dạng và kích thước khác nhau được chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt để cải thiện khả năng chu trình hóa của điện cực sắt. - Bên cạnh đó, ảnh hưởng của chất phụ gia K2S trong dung dịch điện ly đến tính chất điện hóa của điện cực Fe2O3@C cũng được khảo sát. - Cấu tạo cơ bản của Pin được thể hiện trên Hình 1.1 bao gồm hai điện cực, vật liệu phân cách hai điện cực, dung dịch điện ly, vỏ và các điện cực đầu ra. - điện cực âm, ca tốt (cathode. - điện cực dương và chất điện ly. - Vật liệu điện cực âm (a nốt): là một chất khử mạnh, đạt hiệu suất cao (Ah/g), tính dẫn điện tốt, ổn định, dễ chế tạo và chi phí thấp [48. - Đường cong phóng-nạp điển hình của điện cực sắt được mô tả trên Hình 1.7 [57]. - Đường cong phóng - nạp của điện cực sắt [57] Quá trình oxi hóa của điện cực sắt diễn ra theo 2 bước chính [53,57] được chỉ ra ở phản ứng (4), (5) và/hoặc (6). - Đó là do hiệu suất phóng nạp của điện cực sắt còn thấp [55]. - Ngoài ra, hiệu suất nạp lại của điện cực khí trong pin Fe-khí đạt được chưa cao [48]. - Bên cạnh đó việc sử dụng carbon làm chất phụ gia điện cực đã làm tăng khả năng chu trình hóa của điện cực sắt. - Chế tạo vật liệu Fe2O3@C Để thu được vật liệu điện cực Fe2O3@C, có hai cách chế tạo, đó là quy trình 1 bước và quy trình 2 bước. - Tạo điện cực AB, Fe2O3, Fe2O3@C và Fe2O3@AB Hai loại điện cực Fe2O3 và Fe2O3@AB được chế tạo sử dụng bột Fe2O3 thu được bằng phương pháp thủy nhiệt làm vật liệu hoạt động điện cực và AB làm chất phụ gia điện cực. - Điện cực Fe2O3@AB cũng được chế tạo bằng phương pháp tương tự với hỗn hợp của 45% Fe2O3, 45% AB và 10% PTFE. - Cell 3 điện cực 2.2. - Hình 2.11. - Hình thái học và đặc trưng điện hóa của vật liệu điện cực Fe2O3@C 3.1.1. - Đặc trưng CV của điện cực Fe2O3@C Để đánh giá chất lượng vật liệu Fe2O3@C tổng hợp được theo quy trình thủy nhiệt một bước, phép đo CV đã được thực hiện và kết quả được biểu diễn trên hình 3.3. - Trong các pin thương mại Acetylene black các bon (AB) thường được sử dụng làm chất phụ gia điện cực. - Trong nghiên cứu này, vật liệu AB kích thước nano mét của hãng Denki Kagaku được sử dụng làm chất phụ gia cho điện cực sắt trong pin Fe-khí. - Sử dụng AB làm chất phụ gia một mặt để nâng cao độ dẫn điện của điện cực Fe2O3@AB mặt khác làm tăng khả năng chu trình hóa của điện cực sắt. - Đặc trưng CV của điện cực AB Kết quả đo đặc trưng CV của điện cực AB được thể hiện trong hình 3.5. - do vậy AB có thể sử dụng làm chất phụ gia cho điện cực Fe2O3. - Đặc trưng CV của điện cực AB (AB:PTFE = 90:10 wt%) trong dung dịch KOH 8M 3.3. - Kết quả đo XRD của mẫu bột Fe2O3 chế tạo được bằng phương pháp thủy nhiệt theo 2 quy trình chế tạo được biểu diễn trên Hình 3.6 và 3.7. - Hạt Fe2O3 có kích thước, hình dạng khác nhau sẽ ảnh hưởng khác nhau đến tính chất điện hóa của điện cực Fe2O3 và Fe2O3@AB. - Đặc trưng CV của điện cực Fe2O3 Kết quả đo CV của mẫu Fe2O3 chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt theo quy trình 1 trong dung dịch KOH 8M được thể hiện trên Hình 3.10. - 39 Hình 3.10. - Như vậy mẫu Fe2O3 chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt theo quy trình 1 đều có tiềm năng ứng dụng làm vật liệu điện cực âm cho pin Fe-khí. - Hình 3.11. - Đặc trưng CV của điện cực Fe2O3 thương mại (Aldrich) (Fe2O3: PTFE = 90: 10. - Đặc trưng CV của điện cực Fe2O3@AB Để khảo sát vai trò của AB trong điện cực Fe2O3 các điện cực tổ hợp Fe2O3@AB với Fe2O3: AB: PTFE đã được chế tạo và đo CV, các kết quả được thể hiện trên Hình 3.12. - Điều đó chứng tỏ ảnh hưởng tích cực của AB đối với điện cực Fe2O3@AB. - Quá trình này làm giảm tính thụ động của điện cực sắt gây ra bởi lớp Fe(OH)2, làm tăng tốc độ phản ứng của cặp Fe(II)/Fe(III) dẫn đến cải thiện khả năng chu trình hóa của điện cực Fe2O3@AB. - Như vậy việc sử dụng AB làm chất phụ gia trong điện cực Fe2O3 có kích thước hạt khác nhau là hoàn toàn phù hợp. - 42 Hình 3.12. - Đặc trưng CV của Fe2O3@AB chế tạo theo quy trình thủy nhiệt 1 (Fe2O3:AB:PTFE wt%) trong dung dịch KOH 8M (a) Fe2O3 –NaOH 2,5M (b) Fe2O3 –NaOH 7,5M (c) Fe2O3 –NaOH 15M (a) (b) (c) 43 So sánh với kết quả đo CV của điện cực Fe2O3@AB sử dụng Fe2O3 của Aldrich với tỉ lệ tương ứng Fe2O3: AB: PTFE Hình 3.13) ta thấy các đỉnh oxi hóa-khử của điện cực Fe2O3@AB chế tạo theo quy trình 1 xuất hiện rõ ràng hơn, cường độ dòng của các đỉnh oxy hóa-khử lớn hơn nhiều so với mẫu Fe2O3@AB thương mại. - Việc sử dụng AB như một chất phụ gia điện cực cho mẫu Fe2O3 chế tạo là hoàn toàn phù hợp giúp cải thiện khả năng chu trình hóa, dung lượng, năng lượng và hiệu suất của pin Fe-khí. - Điều này chứng tỏ hình thái học, kích thước hạt Fe2O3 có ảnh hưởng đến tính chất điện hóa của điện cực Fe2O3@AB. - Hình 3.13. - Ảnh hưởng của hàm lượng Fe2O3 đến đặc trưng điện hóa của điện cực Fe2O3@AB Trong pin thương mại, lượng chất phụ gia tối ưu thường được sử dụng để đáp ứng yêu cầu về năng lượng, dung lượng, hiệu suất, tuổi thọ của pin. - Kết quả đo CV của điện cực Fe2O3:AB:PTFE được biểu diễn trên hình 3.14. - Như vậy không chỉ hình dạng, kích thước hạt Fe2O3 ảnh hưởng đến đặc trưng CV của điện cực Fe2O3 mà hàm lượng Fe2O3 và AB cũng ảnh hưởng mạnh đến đặc trưng điện hóa của nó. - 45 Hình 3.14. - Đặc trưng CV của điện cực Fe2O3@AB (Fe2O3:AB:PTFE trong dung dịch KOH 8M (a) Fe2O3 –NaOH 2,5M (b) Fe2O3 –NaOH 7,5M (c) Fe2O3 –NaOH 15M (a) (b) (c . - Ảnh hưởng của chất phụ gia K2S đến đặc trưng điện hóa của điện cực Fe2O3@AB Để khảo sát ảnh hưởng của chất phụ gia K2S trong dung dịch điện ly đến đặc trưng điện hóa của điện cực sắt, mẫu Fe2O3@AB sử dụng Fe2O3 chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt với thành phần Fe2O3:AB: PTFE và Fe2O3:AB:PTFE được đo trong dung dịch điện ly KOH 7.99M + K2S 0.01M, kết quả được biểu diễn trên Hình 3.15 và 3.16 tương ứng. - Hình 3.15 là kết quả đo CV của mẫu Fe2O3@AB với tỉ lệ Fe2O3:AB:PTFE trong dung dịch KOH + K2S. - 47 Hình 3.15. - Đặc trưng CV của Fe2O3@AB trong KOH + K2S với tỉ lệ Fe2O3:AB:PTFE a) Fe2O3 –NaOH 2,5M (b) Fe2O3 –NaOH 7,5M (c) Fe2O3 –NaOH 15M (a) (b) (c) 49 Giống như điện cực Fe2O3@AB với Fe2O3:AB:PTFE=70:20:10% trong KOH (Hình 3.14), khi có K2S trong dung dịch điện ly thì mẫu Fe2O3–NaOH 15M (Hình 3.15c) vẫn cho đường CV tốt hơn hai mẫu còn lại. - Điều này một lần nữa khẳng định hình dạng, kích thước của hạt Fe2O3 ảnh hưởng đáng kể đến đặc trưng điện hóa của điện cực Fe2O3@AB và hàm lượng Fe2O3 70% chỉ phù hợp cho mẫu Fe2O3–NaOH 15M. - Như vậy chất phụ gia K2S đã kích thích phản ứng oxy hóa của sắt nhưng lại làm tăng quá thế của điện cực dẫn đến làm giảm dung lượng, hiệu suất của điện cực Fe2O3@AB. - Ta dễ dàng nhận thấy dung lượng điện cực Fe2O3@AB của cả 3 mẫu chế tạo theo quy trình thủy nhiệt 1 trong dung dịch điện ly chứa K2S giảm nhẹ theo số chu kỳ phóng nạp nhưng dung lượng của các mẫu không quá khác biệt trong khi dung lượng của 3 mẫu trong KOH có sự chênh lệch đáng kể. - Hình 3.17. - Dung lượng điện cực Fe2O3@AB với Fe2O3:AB:PTFE a) trong KOH và (b) trong KOH+K2S 51 Như vậy, mặc dù K2S có ảnh hưởng tích cực đến tốc độ phản ứng oxy hóa của điện cực sắt nhưng chưa cải thiện được dung lượng, hiệu suất của nó. - Để khắc phục hoàn toàn những tồn tại nêu trên của điện cực Fe2O3@AB khi sử dụng Fe2O3 chế tạo bằng quy trình thủy nhiệt 1 để làm vật liệu hoạt động điện cực trong pin Fe–khí thì quy trình chế tạo sẽ phải thay đổi để thu được hạt Fe2O3 có kích thước, hình thái học phù hợp nhất. - Đặc trưng CV của điện cực Fe2O3@AB Sử dụng quy trình thủy nhiệt 2, hai mẫu Fe2O3 với thời gian thủy nhiệt 6h và 12h (ký hiệu Fe2O3–glucozo –6h và Fe2O3–glucozo–12h, Bảng 2.2) đã được tổng hợp thành công. - Kết quả đo CV của điện cực Fe2O3@AB sử dụng hai mẫu này trong KOH được thể hiện trong hình 3.18. - Hơn nữa các đỉnh khử c1, c2 đều được tách biệt hoàn toàn khỏi đỉnh sinh khí hyđrô c3, một hiện tượng tích cực đối với quá trình nạp của điện cực Fe2O3@AB và hiện tượng này không xuất hiện trong vật liệu chế tạo theo quy trình thủy nhiệt 1. - Điều này góp phần cải thiện dung lượng, khả năng chu trình hóa của điện cực Fe2O3@AB. - 52 Hình 3.18. - Ảnh hưởng của chất phụ gia K2S đến đặc trưng điện hóa của điện cực Fe2O3@AB Để đánh giá vai trò của chất phụ gia K2S đối với điện cực Fe2O3@AB, phép đo CV của hai mẫu Fe2O3–glucozo–6h và Fe2O3–glucozo–12h được thực hiện, kết quả được biểu diễn trên hình 3.19. - Điều đó có nghĩa chất phụ gia K2S đã thúc đẩy tốc độ phản ứng ôxy hóa –khử của các cặp Fe/Fe(II), Fe(II)/Fe(III) và cải thiện khả năng chu trình hóa của điện cực Fe2O3@AB. - 54 Hình 3.19. - Hình 3.20. - Dung lượng điện cực Fe2O3@AB với Fe2O3:AB:PTFE a) trong KOH và (b) trong KOH+K2S Từ kết quả đo CV trên hình 3.18 và 3.19, dung lượng của điện cực Fe2O3–glucozo–6h và Fe2O3–glucozo–12h trong KOH và KOH+K2S được tính toán và kết quả thể hiện trên hình 3.20. - 56 So sánh với dung lượng của điện cực Fe2O3@AB chế tạo bằng quy trình thủy nhiệt 1 trong KOH và KOH+K2S tương ứng (Hình 3.17) ta thấy mẫu chế tạo theo quy trình thủy nhiệt 2 có dung lượng cao hơn. - Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng Fe2O3 và AB lên tính chất điện hóa của điện cực Fe2O3@AB cho thấy tỉ lệ các thành phần mẫu Fe2O3:AB:PTFE wt.% là phù hợp cho cả hai loại vật liệu Fe2O3 chế tạo bằng hai quy trình. - Quy trình thủy nhiệt 2 phù hợp hơn cho việc chế tạo Fe2O3 kích thước hạt nanomet ứng dụng làm vật liệu điện cực âm trong pin sắt-khí
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt