ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
------------------------

Phạm Thị Hà

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT ĐIỆN HÓA VÀ
ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG CỦA LỚP MẠ ĐIỆN HÓA NIKEN TRÊN
NỀN CÁC CHẤT DẪN ĐIỆN KHÁC NHAU

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-----------------------------

Phạm Thị Hà

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO, TÍNH CHẤT ĐIỆN HÓA VÀ
ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG CỦA LỚP MẠ ĐIỆN HÓA NIKEN TRÊN
NỀN CÁC CHẤT DẪN ĐIỆN KHÁC NHAU

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý
Mã số: 60440119

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS Nguyễn Thị Cẩm Hà
TS. Ninh Đức Hà

1.1.4. Phân loại pin nhiên liệu……………………………….……………..6
1.1.4.1. Pin nhiên liệu axit phosphoric (Phosphoric acid fuel cell PAFC)……………………………………………………………………………….6
1.1.4.2. Pin nhiên liệu cacbon nóng chảy (Molten carbonate fuel cell MCFC)........................................................................................................................7
1.1.4.3. Pin nhiên liệu màng trao đổi prton (Proton exchange
membrance fuel cell - PEMFC)..................................................................................7
1.1.4.4. Pin nhiên liệu oxit rắn (Solid oxide fuel cell - SOFC)..............8
1.1.4.5. Pin nhiên liệu methanol (DMFC)...............................................8
1.1.4.6. Pin nhiên liệu kiềm (Alkaline fuel cell - AFC).........................9
1.1.5. Một số ưu nhược điểm của pin nhiên liệu………………………….13
1.1.5.1. Ưu điểm………………………………………………….…..13
1.1.5.2. Nhược điểm………………………………………..…………14
1.2. Vâ ̣t liê ̣u điê ̣n cực xúc tác cho pin nhiê n liệu sử du ̣ng môi trường điê ̣n li là
kiề m..........................................................................................................................15
1.3. Các phương pháp chế tạo vật liệu xúc tác điện cực...................................17
1.3.1. Phương pháp Polyol .........................................................................17
1.3.2. Phương pháp tẩm trên chất mang.......................................................18
1.3.3. Phương pháp kết tủa...........................................................................18


1.3.4. Phương pháp trộn cơ học...................................................................18
1.3.5. Phương pháp mạ điện........................................................................19
1.4. Pin nhiên liệu sử dụng glyxerol và quá trình oxi hóa của glyxerol.…19
Chƣơng 2 – THỰC NGHIỆM...............................................................................21
2.1. Hóa chất sử dụng, thiết bị, dụng cụ thí nghiệm.........................................21
2.2. Tiến trình thí nghiệm.................................................................................21
2.3. Các phương pháp nghiên cứu……………………………………………22
2.3.1. Phương pháp quét thế vòng ( cyclic voltammetry)………………22
2.3.2. Phương pháp chụp ảnh SEM….........................................................24
2.3.3. Phương pháp tán xạ năng lượng tia X (Energy–dispersive X-ray
spectroscopy EDX hay EDS)………………………………………………………25

Hình 1.3. Sơ đồ và nguyên lý hoạt động của pin nhiên liệu kiềm…………….……9
Hình 1.4. Chiếc xe taxi chạy bằng pin nhiên liệu đầu tiên của ZEVCO ở London,
Anh…………………………………………………………………………………..10

Hình 1.5. Pin nhiên liệu kiềm metanol………………………………………….…12
Hình 1.6. Hiệu suất chuyển hóa năng lượng trong các hệ thống sử dụng những
nguồn nhiên liệu khác nhau………………………………………………………..14
Hình 1.7. Sơ đồ điện phân………………………………………………………….19
Hình 1.8. Quá trình oxi hóa glyxerol có mặt chất xúc tác trong môi trường kiềm
…………….………………………………………………………………………..20
Hình 2.1. Đường phân cực vòng………………………………………………...…23
Hình 2.2. Các thiết bị Autolab Potentiostat (a) và điện cực làm việc (b)…….…..24
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý kính hiển vi điện tử quét………………………………25
Hình 2.4. Nguyên lý cấu tạo thiết bị nhận giản đồ Rơnghen………………...……27
Hình 3.1. Sơ đồ chế tạo vật liệu điện cực biến tính một kim loại trên nền GC…...31
Hình 3.2. Ảnh SEM của các vật liệu điện cực biến tính một kim loại trên nền
GC………………………………………………………………………………….32
Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các vật liệu điện cực biến tính một kim loại
trên nền GC…………………………………………………………………..…….34
Hình 3.4. Đường phân cực vòng của điện cực Pt(1) và Pt/GC (2) trong môi trường
KOH 1M (a) và KOH 1M + Glyxerol 0,5M (b)……………………………….…..35
Hình 3.5. Đường phân cực vòng của điện cực GC(1) và Pd/GC (2) trong môi trường
KOH 1M (a) và KOH 1M + glyxerol 0,5M (b)……………………...……………35
Hình 3.6. Đường phân cực vòng của điện cực Ni(1) và Ni/GC (2) trong môi trường
KOH 1M (a) và KOH 1M + glyxerol 0,5M (b)……………………...……………36
Hình 3.7. Ảnh SEM của các vật liệu điện cực tổ hợp hai kim loại trên nền GC…..40


Hình 3.8. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các vật liệu điện cực tổ hợp hai kim loại trên
nền GC……………………………………………………………………………..41

đo trong môi trường kiềm có chứa glyxerol………………………….…...……….38
Bảng 3.3. Thành phần dung dịch mạ và giá trị thế điện phân tương ứng với quá trình
chế tạo vật liệu tổ hợp hai kim loại Pt-Pd/GC, Pt-Ni/GC, Pd-Ni/GC ………….….39
Bảng 3.4. Mật độ dòng và giá trị thế pic anot của đường cong phân cực vòng các
điện cực Pt-Pd/GC khác nhau trong môi trường kiềm có chứa glyxerol…………..47
Bảng 3.5. Mật độ dòng và giá trị thế tại pic anot của đường cong phân cực vòng các
điện cực Pt-Ni/GC khác nhau trong môi trường kiềm có chứa glyxerol ………….49
Bảng 3.6. Mật độ dòng và giá trị thế tại pic anot của đường cong phân cực vòng các
điện cực Pd-Ni/GC khác nhau trong môi trường kiềm có chứa glyxerol………… 50


MỞ ĐẦU
Một trong những giải pháp quan trọng để khắc phục tình trạng khan hiếm
cũng như phụ thuộc quá nhiều vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch là việc sử dụng
các nguồn nhiên liệu sinh học (hay còn gọi là diesel sinh học) cho các hoạt động đời
sống hàng ngày cũng như các hoạt động trong công nghiệp. Nhiên liệu sinh học là
chuỗi dài các axit béo được tạo ra từ sự thủy phân của dầu thực vật hoặc mỡ động
vật, quy trình này thải ra khoảng 10% glyxerol như một sản phẩm phụ. Vì vậy, việc
sử dụng rộng rãi nhiên liệu sinh học kèm theo một lượng lớn glyxerol được thải ra.
Glyxerol có mật độ năng lượng cao (~5 kWh/kg) [34], số electron trao đổi lớn (14e
cho phân tử glyxerol) [34] ít độc hại hơn so với metanol và có thể bị oxi hóa điện
hóa. Vì vậy, bài toán về năng lượng sẽ đạt hiệu quả cao hơn nhiều và việc sử dụng
nhiên liệu sinh học sẽ thân thiện hơn với môi trường nếu lượng sản phẩm phụ này
được tiêu thụ cho sự hoạt động của pin nhiên liệu. Mặc dù cho mật độ năng lượng
cao và có sản lượng lớn, nhưng việc sử dụng glyxerol như nhiên liệu cho pin nhiên
liệu còn có những khó khăn do việc oxi hóa rượu đa chức không đơn giản như
metanol. Một trong những vấn đề quyết định đến chất lượng của pin nhiên liệu sử
dụng glyxerol đó là hiệu suất quá trình oxi hóa nhiên liệu. Nhiều nghiên cứu chỉ ra
rằng quá trình oxi hóa glyxerol nói riêng và các hợp chất ancol nói chung trong môi
trường kiềm xảy ra dễ dàng và mạnh hơn cùng với sự có mặt của các chất xúc tác

7. Trịnh Xuân Sén (2002), Điện hóa học, NXB Đại Học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.
Tiếng Anh
8. A.Bonesi, W.E.Triaca, AM.Castro Luna (2009), “Nanocatalysts for Ethanol
Oxidation. Synthesis and Characterization”, Portugaliae Electrochimica Acta
27(3), pp. 193-201.
9. A.N.Grace , K.Pandian (2006), “Pt, Pt–Pd and Pt–Pd/Ru nanoparticles entrapped
polyaniline electrodes – A potent electrocatalyst towards the oxidation of
glycerol”, Electrochemistry Communications 8, pp. 1340–1348.

2


10. An, L.; Zhao, T.S.; Shen, S.Y.; Wu, Q.X.; Chen, R (2010) “Performance of a
direct ethylene glycol fuel cell with an anion-exchange membrane”, Int. J.
Hydrogen Energ, 35, pp. 4329–4335.
11. Bai, Y.X.; Wu, J.J.; Xi, J.Y.; Wang, J.S.; Zhu, W.T.; Chen, L.Q.; Qiu, X.P
(2005) “Electrochemical oxidation of ethanol on Pt-ZrO2/C catalyst”,
Electrochem. Commun, 7, pp. 1087–1090.
12. Beden, B.; Kadirgan, F.; Kahyaoglu, A.; Lamy, C. (1982) “Electrocatalytic
oxidation of ethylene glycol in alkaline medium on paltinum-gold alloy
electrodes modified by underpotential deposition of lead adatoms”, J.
Electroanal. Chem. 135, pp. 329–334.
13. Bidault F, Brett DJL, Middleton PH, et al (2009), “Review of gas diffusion
cathodes for alkaline fuel cells”, Journal of Power Sources, 187, pp. 39-48.
14. Borkowska, Z.; Tymosiak-Zielinska, A.; Nowakowski, R. (2004) “High
catalytic activity of chemically activated gold electrodes towards electrooxidation of methanol”, Electrochim. Acta, 49, pp. 2613–2621.
15. C.Coutanceau, L.Demarconnay, C.Lamy, J.M.Leger (2006), “Development of
electrocatalysts for solid alkaline fuel cell”, Journal of Power Sources 156,
pp. 14–19.
16. C.Lamy, A.Lima, V.LeRhun, F.Delime, C.Coutanceau, J.Leger (2002), “Recent

26. K.Matsuoka, Y.Iritama, T.Abe, M.Matsuoka, Z.Ogumi (2005), “Alkaline direct
alcohol fuel cells using an anion exchange membrane”, Journal of Power
Sources, 150, pp. 27-31.
27. Kumar, K.S.; Haridoss, P.; Seshadri, S.K. (2008) “Synthesis and
characterization of electrodeposited Ni-Pd alloy electrodes for methanol
oxidation”, Surf. Coat. Tech, 202, pp. 1764–1770.
28. Lamy, C.; Coutanceau, C.; Leger, J.-M (2009) “Electrocatalytic Oxidation of
Glyxerol in a Solid Alkaline Membrane Fuel Cell (SAMFC)”, In Proceedings
of ECS 216th Meeting, Vienna, Austria.
29. Lović, J. (2007) “The kinetics and mechanism of methanol oxidation on Pt and
Pt-Ru catalysts in alkaline and acid media”, J. Serb. Chem. Soc, 72, pp. 709 712.

4


30. M.A. Abdel Rahim, R.M. Abdel Hameed, M.W. Khalil (2004), “Nickel as a
catalyst for the electro-oxidation of methanol in alkaline medium”, Journal of
Power Sources, 134, pp. 160-169.
31. Matsuoka, K.; Iriyama, Y.; Abe, T.; Matsuoka, M.; Ogumi, Z. (2005) “Alkaline
direct alcohol fuel cells using an anion exchange membrane”, J. Power
Source, 150, pp. 27–31.
32. M. Gattrel and D. W. Kirk (1993), “A study of the oxidation of phenol at
platium and preoxidized platinum surfaces” , J. Electrochem. Soc, 140, pp.
1534 – 1540.
33. Mohamed Lyamine Chelaghmia, Mouna Nacef, Abed Mohamed Affoune
(2012), “Ethanol electrooxidation on activated graphite supported platinumnickel in alkaline medium”, J Appl Electrochem, 42, pp. 819-826.
34. M.Simðes, S.Baranton, C.Coutanceau, (2010), “Electro-oxidation of glycerol at
Pd based nano-catalysts for an application in alkaline fuel cells for chemicals
and energy cogeneration”, Applied Catalysis B: Environmental, 93, pp. 354–
362

–

identification

of

the

reaction

products”,

Journal

of

Electroanalytical Chemistry, Amsterdan, 703, pp. 56-62.
43. W.Zhou, Z.Zhou, S.Song, W.Li, G.Sun, P.Tsiakaras, Q.Xin (2003) “Pt based
anode catalysts for direct ethanol fuel cells”, Applied Catalysis B:
Environmental, 46, pp. 273–285.
44. Z.Zhang, L.Xin, W.Li (2012), “Electrocatalytic oxidation of glycerol on Pt/C in
anion-exchange membrane fuel cell: Cogeneration of electricity and valuable
chemicals”, Applied Catalysis B: Environmental, 119–120, pp. 40– 48.

6