Nghiên cứu này đã tổng hợp được vật liệu nền cấu trúc nano Ti0.9Ir0.1O2 và vật liệu xúc tác Pt/Ti0.9Ir0.1O2 với việc giảm lượng xúc tác Pt, giúp khắc phục hạn chế của vật liệu nền carbon, giảm giá thành và tăng khả năng thương mại hóa của pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol.
Đây là kết quả của nhiệm vụ nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Thành phố “Khảo sát khả năng giảm lượng xúc tác kim loại quý Pt trên vật liệu nền nano không carbon Ti0.9Ir0.1O2 ứng dụng trong pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol” do Trung tâm Phát triển Khoa học và Công nghệ Trẻ chủ trì thực hiện, ThS. Phạm Quốc Hậu làm chủ nhiệm, thuộc chương trình Vườn ươm Sáng tạo KH&CN Trẻ, được nghiệm thu năm 2020.
Pin nhiên liệu là thiết bị chuyển hóa trực tiếp hóa năng thành điện năng, sản phẩm phụ là nước và một lượng nhỏ CO2 trong pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol. Do đó có thể giải quyết được các vấn đề ô nhiễm môi trường và sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch trong tương lai. Ngày nay, pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như điện thoại di động, các thiết bị điện tử cầm tay,… do khả năng lưu trữ nhiên liệu dễ dàng và an toàn hơn so với nhiên liệu hydro. Tuy nhiên, việc thương mại hóa của pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol vẫn bị một số rào cản nhất định về giá thành và hiệu suất hoạt động của vật liệu xúc tác. Trong hệ thống pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol, lượng kim loại quý platin (Pt) được sử dụng để thúc đẩy cả phản ứng oxi hóa alcohol xảy ra ở điện cực anode và phản ứng khử oxi ở điện cực cathode dẫn tới việc tăng giá thành sản xuất của pin. Bên cạnh đó, độ bền kém của vật liệu xúc tác cũng cần phải được giải quyết để tăng khả năng ứng dụng của pin.
Đề tài nêu trên được thực hiện nhằm tổng hợp vật liệu nền không carbon Ti0.9Ir0.1O2 với độ bền điện hóa cao và lực tương tác mạnh với xúc tác kim loại Pt để thay thế vật liệu nền carbon; tăng hoạt tính và độ bền của của vật liệu xúc tác trong quá trình oxi hóa alcohol (methanol và ethanol). Từ đó, khảo sát khả năng giảm lượng xúc tác kim loại Pt gắn trên vật liệu nền Ti0.9Ir0.1O2 để giảm lượng xúc tác Pt sử dụng nhưng vẫn duy trì được hoạt tính và cải thiện độ bền, khả năng chống ngộ độc CO so với vật liệu xúc tác thương mại Pt/C hiện nay.
Theo đó, nhóm nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp vật liệu nền Ti0.9Ir0.1O2 và vật liệu xúc tác điện hóa 15,5% Pt/Ti0.9Ir0.1O2 với việc khảo sát khả năng giảm lượng xúc tác kim loại quý Pt gắn trên vật liệu nền Ti0.9Ir0.1O2 nhưng vẫn duy trì được hoạt tính xúc tác cho phản ứng oxi hóa methanol và ethanol so với vật liệu xúc tác truyền thống 20% Pt/C. Hai quy trình đạt được trong đề tài là quy trình tổng hợp vật liệu nền Ti0.9Ir0.1O2 bằng phương pháp thủy nhiệt không sử dụng chất hoạt động bề mặt và quy trình tổng hợp các vật liệu xúc tác Pt/Ti0.9Ir0.1O2 bằng phương pháp khử NaBH4 dưới sự hỗ trợ của ethylene glycol ở nhiệt độ thường.
Kết quả cho thấy, vật liệu nền Ti0.9Ir0.1O2 với cấu trúc rutile-TiO2 và dạng thanh được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt tại 210oC, 12 giờ, pH = 0 mà không cần sử dụng chất hoạt động bề mặt hoặc giai đoạn nung sau phản ứng. Mặc dù sử dụng một lượng nhỏ Ir pha tạp nhưng độ dẫn điện của vật liệu nền Ti0.9Ir0.1O2 được xác định bằng phương pháp bốn mũi dò tiêu chuẩn là khoảng 2,50x10-2 S cm-1 cao hơn 104 lần so với vật liệu TiO2 (6,25x10-6 S cm-1).
Phương pháp khử hóa học sử dụng hỗn hợp NaBH4 và ethylene glycol được sử dụng để gắn các hạt Pt với kích thước khoảng 3 nm với sự phân bố tương đối đồng đều trên vật liệu nền Ti0.9Ir0.1O2 mà không cần sử dụng chất ổn định. Mặc dù sử dụng lượng Pt thấp (15,5%), xúc tác 15,5% Pt/ Ti0.9Ir0.1O2 thể hiện cường độ dòng oxi hóa methanol và ethanol có thể so sánh được với giá trị của vật liệu xúc tác 20% Pt/C nhưng phản ứng oxi hóa methanol và ethanol xảy ra dễ dàng hơn, được chứng minh bằng thế bắt đầu phản ứng và thế xuất hiện peak oxi hóa. Bên cạnh đó, vật liệu 15,5% Pt/ Ti0.9Ir0.1O2 thể hiện độ bền xúc tác vượt trội so với xúc tác truyền thống 20% Pt/C. Phương pháp phổ quang điện tử tia X (XPS) cho thấy có sự chuyển electron từ vật liệu nền Ti0.9Ir0.1O2 sang kim loại Pt, trong khi hiện tượng này không được tìm thấy trên vật liệu xúc tác truyền thống 20% Pt/C. Đây cũng là lý do cho việc cải thiện đáng kể khả năng chống ngộ độc CO và độ bền xúc tác của vật liệu xúc tác 15,5% Pt/ Ti0.9Ir0.1O2 tổng hợp được trong đề tài nghiên cứu này.
Việc tổng hợp thành công các vật liệu xúc tác Pt/ Ti0.9Ir0.1O2 với tỉ lệ Pt thấp sẽ giúp giảm giá thành sản xuất của pin nhiên liệu, thúc đẩy khả năng thương mại hóa của nó. Kết quả của đề tài cũng góp phần thúc đẩy việc sử dụng rộng rãi của pin nhiên liệu sử dụng trực tiếp alcohol trong đời sống nhằm giảm vấn đề ô nhiễm môi trường do sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Đồng thời khuyến khích các hướng nghiên cứu về khả năng giảm lượng xúc tác Pt quý trên các vật liệu M-doped TiO2 khác để ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.
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).
Theo https://cesti.gov.vn/
