Nhận viết luận văn đại học, thạc sĩ trọn gói, chất lượng, LH ZALO=>0909232620 Tham khảo dịch vụ, bảng giá tại: https://vietbaitotnghiep.com/dich-vu-viet-thue-luan-van Download luận án tóm tắt ngành hóa học với đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa trên cơ sở IrO2 cho phản ứng thoát ôxy trong thiết bị điện phân nước áp dụng màng trao đổi proton

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------------
Phạm Hồng Hạnh
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
Chuyên ngành: Hóa lý thuyết & Hóa lý
Mã số: 9.44.01.19
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC
Hà Nội – 2019

2. 2
Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ -
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Người hướng dẫn khoa học 1: TS. Nguyễn Ngọc Phong
Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Lê Bá Thắng
Phản biện 1: …
Phản biện 2: …
Phản biện 3: ….
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm
Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi … giờ ..’, ngày … tháng
… năm 201….
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam

3. 1
MỞ ĐẦU
Sự tăng trưởng của dân số và sự công nghiệp hóa nhanh của
các quốc gia dẫn đến nhu cầu năng lượng tăng nhanh trên toàn thế giới.
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. Mặt khác, sử
dụng nhiên liệu hóa thạch cũng tạo thành các sản phẩm khí gây ô
nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính dẫn đến biến đổi khí hậu toàn
cầu 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 trở nên bức thiết đối với nhân loại. Hydro chính là một
trong các nguồn năng lượng mới tiềm năng trong tương lai, hydro là
nguyên tố có nhiều nhất trong vũ trụ và trái đất; hiệu suất cháy của nó
cao hơn dầu mỏ (60% so với 25%). Khi đốt hydro chỉ có một sản phẩm
phụ duy nhất là nước, không kèm bất cứ chất thải nào có hại cho môi
trường. Tóm lại, hydro là nguồn năng lượng tái sinh sạch nhất, hiệu
suất cao nhất và có nguồn cung cấp vô tận. 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.
Có nhiều cách để sản xuất hydro, phương pháp điện phân nước
màng trao đổi proton (PEMWE) dùng dòng điện một chiều để tách
nước thành khí hydro và ôxy là một phương pháp 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
) và đặc biệt là khả năng kết hợp với các
nguồn năng lượng mới như: sức gió, năng lượng mặt trời... Đến nay,
đã có rất nhiều nghiên cứu phát triển trên PEMWE và các sản phẩm

4. 2
thương mại hóa với quy mô khác nhau (có công suất sản xuất hydro từ
0,01- 50.000 Nm3
/h) được cung cấp bởi các công ty hàng đầu thế giới
như: Hamilton Sundstrand của Mỹ, Htec của Đức, RRC “Kurchatov
Institute” của Nga …Tuy nhiên, sự phát triển của thiết bị PEMWE vẫn
đang bị hạn chế bởi chi phí chế tạo cao của các thành phần như là
màng trao đổi proton, các xúc tác kim loại quí… Ngoài ra, quá trình
điện phân nước gắn với tổn thất năng lượng chủ yếu do quá thế cao tại
anốt của phản ứng thoát ôxy (OER). Vì vậy, các nghiên cứu về
PEMWE gần đây đều tập trung tìm ra vật liệu xúc tác mới để cải thiện
diện tích hoạt hóa và độ bền tại anốt bằng cách sử dụng các kỹ thuật
tổng hợp tiên tiến để điều chế vật liệu xúc tác dưới dạng bột kích thước
nanô, từ đó cải thiện hiệu suất và công suất của 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 cần
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 cho
luận án: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa trên cơ sở IrO2
cho phản ứng thoát ôxy trong thiết bị điện phân nước áp 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.
Nội dung chính của luận án:

5. 3
- Tổng quan sơ lược về điện phân nước sử dụng màng trao đổi proton
(PEMWE) và các nghiên cứu phát triển của vật liệu xúc tác trên cơ sở
IrO2 hệ đơn nguyên, nhị nguyên và tam nguyên trong PEMWE.
- Nghiên cứu chế tạo bột xúc tác IrO2 bằng các phương pháp thủy phân
và phương pháp Adams, đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến đặc
trưng tính chất của các vật liệu xúc tác tổng hợp từ đó lựa chọn được
phương pháp cũng như đưa ra quy trình phù hợp chế tạo xúc tác IrO2.
- Nghiên cứu chế tạo hỗn hợp bột xúc tác nhị nguyên IrxRu(1-x)O2 (x =0;
0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 1), đánh giá, so sánh ảnh hưởng tỉ lệ thành phần
RuO2:IrO2 khác nhau đến hoạt tính, độ bền của vật liệu xúc tác. Lựa
chọn được thành phần xúc tác tối ưu có hoạt tính và độ bền cao.
- Nghiên cứu phát triển hỗn hợp xúc tác tam nguyên IrRuMO2 (với M
= Ti, Sn và Co)
- Áp dụng chế tạo chế tạo bộ điện phân sử dụng màng trao đổi proton
PEMWE với diện tích làm việc 5 cm2
bao gồm các bộ phận; tấm dẫn
điện, tấm tách dòng, doăng, điện cực màng, tấm vỏ, chốt...để điều chế
hydro có công suất cao, thử nghiệm và đánh giá tính năng của bộ
PEMWE đơn khi hoạt động.
Chương 1. TỔNG QUAN
- Giới thiệu sơ lược về lịch sử phát triển, cấu tạo, nguyên lý vận hành
và ứng dụng của các PEMWE.
- Trình bày các cơ chế và động học phản ứng của các phản ứng thoát
ôxy và hydro trên các vật liệu xúc tác trên cơ sở IrO2 trong PEMWE.
- Giới thiệu lịch sử phát triển của vật liệu xúc tác sử dụng trong
PEMWE và trình bày tình hình nghiên cứu phát triển của các loại vật
liệu xúc tác tại các điện cực anôt và catôt của PEMWE.

6. 4
Chương 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU
2.3. Chế tạo vật liệu xúc tác trên cơ sở IrO2
Ba phương pháp được áp dụng để tổng hợp chất xúc tác là
phương pháp thủy phân, phương pháp Adams và phương pháp Adams
sửa đổi.
- Phương pháp thủy phân: cho các tiền chất muối kim loại tác dụng với
dung dịch NaOH ở 80 o
C, khuấy 12 giờ. Điều chỉnh pH của hỗn hợp
bằng cách nhỏ giọt từ từ dung dịch HNO3 1M cho đến khi đạt 7 - 8.
Kết tủa hình thành được lọc rửa và nung ở nhiệt độ cao ở 300 –600 o
C
trong 1 giờ với tốc độ nâng nhiệt 5 o
C/phút để tạo thành ôxit kim loại
tương ứng.
- Phương pháp Adams: các tiền chất kim loại với tỉ lệ mol khác nhau
được hòa tan trong isopropanol, rung siêu âm 30 phút và khuấy trong 1
giờ. Sau đó thêm NaNO3 tiếp tục rung siêu âm 30 phút và khuấy trong
12 giờ. Hỗn hợp muối này được đun nóng trong không khí ở 70o
C để
bay hơi đến khô và nung ở 300–600o
C trong 1 giờ với tốc độ nâng
nhiệt 5o
C/phút sau đó làm mát ở nhiệt độ phòng qua đêm. Sản phẩm
được lọc, rửa sạch bằng nước khử ion đến khi hết clo và sấy khô trong
không khí ở 90o
C.
- Phương pháp Adams sửa đổi: các bước tiến hành giống như phương
pháp Adams chỉ khác ở giai đoạn nung: trước khi nung ở 500o
C trong
1 giờ hỗn hợp muối cần nung trước ở 325o
C trong 30 phút với tốc độ
nâng nhiệt 5o
C/phút.
2.4. Phương pháp đánh giá tính chất của vật liệu xúc tác
2.4.1. Các phương pháp vật lý
Phương pháp nhiệt trọng lượng TGA và nhiệt trọng lượng vi
sai DTA để khảo sát nhiệt độ hình thành của các ôxit kim loại. Phương

7. 5
pháp SEM, TEM được sử dụng đánh giá kích thước và độ phân bố của
các hạt xúc tác trong khi phương pháp nhiễu xạ tia X được dùng để
đáng giá cấu trúc các vật liệu xúc tác trên cơ sở IrO2. Phương pháp phổ
tán xạ năng lượng tia X (EDX) để xác định thành phần của hỗn hợp
xúc tác ôxit đã tổng hợp.
2.4.2. Các phương pháp điện hóa
Mẫu đo điện hóa được đặt trong bộ gá mẫu bằng nhựa Teflon
với diện tích làm việc của mẫu được khống chế là 1 cm2
. Hệ đo là hệ
điện hóa ba điện cực với điện cực đối là điện cực platin và điện cực so
sánh là điện cực bạc clorua. Các phép đo điện hóa được thực hiện
trong dung dịch H2SO4 0,5 M và thiết bị điện hóa sử dụng là Autolab –
Nova 1.10.
2.4.2.1. Phương pháp chế tạo điện cực cho các phép đo điện hóa
Điện cực làm việc là giấy cabon (lớp khuếch tán). Các điện
cực này được phủ hỗn hợp mực xúc tác, mực xúc tác có thành phần
bao gồm: bột xúc tác và dung dịch Nafion 5% (bằng 30% lượng xúc
tác). Mực xúc tác được phủ trên bề mặt điện cực giấy cacbon bằng
phương pháp quét, sau mỗi lần quét mẫu được để khô tại nhiệt độ
phòng, quá trình này được lặp lại đến khi đạt mật độ xúc tác kim loại
trên điện cực anôt là 4 mg/cm2
và trên điện cực catôt là 1 mg/cm2
. Cuối
cùng mẫu được sấy khô tại 80o
C trong thời gian 12 giờ.
2.4.2.2. Phương pháp quét thế vòng (CV – Cyclic Voltammetry)
Trong luận án này, các đường CV được đo với ba mục đích:
- Xác định độ hoạt hóa của xúc tác và các quá trình điện hóa xẩy ra
trên bề mặt xúc tác: các phép đo CV được quét trong khoảng điện thế
theo chiều thuận từ 0÷1,3VAg/AgCl và theo chiều nghịch từ
1,3÷0VAg/AgCl, với tốc độ quét thế 50 mV/s trong môi trường axit
H2SO4 0,5 M. Độ hoạt hóa có đơn vị là C/cm2
được tính bằng tổng mật

8. 6
độ điện tích của nhánh quét thuận và nhánh quét ngược theo phần mềm
của thiết bị đo Autolab-Nova 1.10.
- Xác định độ thuận nghịch của xúc tác: các phép đo CV được quét
tuần hoàn trong khoảng điện thế 0÷0,9 VAg/AgCl với tốc độ quét thế
nhau (10; 20; 50; 100; 200 mV/s) trong dung dịch chứa cặp ôxy hoá
khử [Fe(CN)6]3-
/[Fe(CN)6]4-
có nồng độ 0,1 M đã được sử dụng để
thêm vào dung dịch H2SO4 0,5 M. Từ các đường CV, tỷ lệ Qa/Qc được
tính toán để kiểm tra độ thuận nghịch của quá trình ôxy hóa khử.
- Xác định độ suy giảm hoạt tính của của xúc tác: các mẫu được đo CV
với 1000 chu kỳ trong khoảng điện thế tuần hoàn từ 0,85÷1,4 VAg/AgCl
tốc độ quét 100 mV/s. Trước và sau 1000 chu kỳ đo kiểm tra độ bền,
mẫu được đo CV (quét trong khoảng điện thế tuần hoàn thuận từ 0÷1,3
VAg/AgCl với tốc độ quét thế 50 mV/s) đánh giá lại hoạt tính xúc tác,
hoạt tính xúc tác được thể hiện qua giá trị tổng mật độ điện tích.
2.4.2.3. Đo đường cong phân cực
Khả năng xúc tác cho phản ứng thoát ôxy của các chất xúc tác
được nghiên cứu bằng phương pháp đo quét thế tuyến tính. Mẫu được
phân cực từ giá trị điện thế mạch hở về giá trị điện thế 1,8 VAg/AgCl
trong dung dịch H2SO4 0,5 M với tốc độ quét 1 mV/s. Phương pháp
này cho phép xác định mật độ dòng ổn định io, điện thế bắt đầu của quá
trình thoát ôxy EOER để đánh giá khả năng xúc tác cho phản ứng thoát
ôxy của mẫu xúc tác
2.4.2.4. Thử nghiệm dòng ổn định
Các mẫu xúc tác được phân cực anôt ở mật độ dòng điện cao
(200 mA/cm2
) trong môi trường axit H2SO4 0,5 M nhằm gia tốc quá
trình hòa tan hoặc khử hoạt hóa của anôt, từ đó đánh giá nhanh thời
gian sống của điện cực. Giá trị điện thế được ghi lại theo thời gian,

9. 7
thời gian sống của điện cực là thời gian đo được đến khi điện cực bị
phá hủy.
2.5. Phương pháp nghiên cứu đánh giá tính chất của điện cực
màng MEA
2.5.1. Phương pháp chế tạo điện cực màng (MEA)
Điện cực màng được chế tạo bằng phương pháp ép nhiệt, ép
màng Nafion vào giữa hai lớp khuếch tán khí đã được phủ mực xúc
tác. Ba thông số quan trọng trong quá trình ép sẽ ảnh hưởng lên tính
chất của MEA là lực ép=18; 20; 22; 24 kg/cm2
, nhiệt độ = 130o
C và
thời gian ép = 180 giây.
2.5.2. Phương pháp chế tạo các phụ kiện khác sử dụng trong
PEMWE
Trong nghiên cứu này, một bộ điện phân PEMWE đơn được
thiết kế, chế tạo và lắp đặt. Vật liệu và thông số kỹ thuật của các vật
liệu sử dụng được đưa ra trong bảng 2.5.
Bảng 2.5. Các thông số chế tạo PEMWE
Thông số Vật liệu
Kích thước
(mm)
MEA Đã chế tạo trong phần 2.5.1 23 × 23
Tấm đệm Silicon chịu nhiệt 50 × 50 × 1
Tấm chia dòng Grafit graphite AXF- 5Q (Poco) 50 × 50 × 3,2
Tấm vỏ Nhựa acrylic 50 × 50 × 8
Tấm dẫn điện Đồng được mạ vàng 50 × 50 × 1
Chốt Thép không gỉ bọc nhựa ⏀5
2.5.3. Phương pháp nghiên cứu đánh giá tính chất MEA
- Cấu trúc và sự biến dạng của lớp xúc tác, màng và lớp khuếch tán khí
của MEA sau quá trình ép nóng được quan sát bằng hiển vi điện tử
quét SEM.
- Chiều dày của MEA được xác định bằng giá trị trung bình của 9 lần
đo tại các vị trí khác nhau trên màng MEA.

10. 8
- Phương pháp đo đường cong U‒i: Các đặc trưng điện hóa của bộ
PEMWE đơn được nghiên cứu bằng phương pháp đo đường cong U‒i:
giá trị hiệu điện thế của bộ PEMWE đơn được ghi lại khi áp các giá trị
mật độ dòng điện thay đổi từ 0,2–2 A/cm2
.
- Độ bền của bộ PEMWE đơn được đánh giá bằng đường đo hiệu điện
thế của bộ PEMWE đơn theo thời gian tại mật độ dòng cố định
1A/cm2
.
- Lưu lượng sản xuất hydro của bộ PEMWE được đo bằng phương
pháp cột nước thay đổi.
Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Nghiên cứu chế tạo vật liệu xúc tác bột IrO2
Để xác định khoảng nhiệt độ tạo thành IrO2 từ hai hỗn hợp tiền
chất của hai phương pháp chế tạo khác nhau, các phương pháp phân
tích nhiệt được thực hiện (hình 3.1 và 3.2). Quan sát thấy trên cả hai đồ
thị TGA của hai phương pháp tổng hợp đều chia làm hai giai đoạn, giai
đoạn đầu tiên xẩy ra tại vùng nhiệt độ thấp, các hỗn hợp muối của cả
hai phương pháp có sự giảm trọng lượng nhanh xuất hiện chủ yếu do
quá trình bay hơi của phân tử nước hấp phụ vật lý và dưới dạng hydrat
Hình 3.1. Giản đồ TGA và DTA
của hỗn hợp tiền chất
(H2IrCl6.xH2O + NaOH) theo
phương pháp thủy phân
Hình 3.2. Giản đồ TGA và DTA
của hỗn hợp tiền chất
(H2IrCl6.nH2O + NaNO3) theo
phương pháp Adams

11. 9
trong muối của Ir. Giai đoạn hai trên các đồ thi DTA và TG là quá trình
phân hủy nhiệt hoàn toàn của các muối tạo thành bột IrO2. Đối với
phương pháp thủy phân, quá trình này xẩy ra trong khoảng nhiệt độ từ
300 - 394o
C. Đối với phương pháp Adams, nhiệt độ phân hủy tạo bột
IrO2 trong khoảng 350 - 605,6o
C. Kết quả nghiên cứu mẫu thu được
bằng phổ Phổ nhiễu xạ tia X đã chứng minh sản phẩm cuối cùng là
IrO2 (hình 3.3 và 3.4). Từ đây, các bột xúc tác IrO2 sẽ được nung ở
nhiệt độ 300o
C, 400o
C, 500o
C và 600o
C theo phương pháp thủy phân
và 400o
C, 500o
C và 600o
C theo phương pháp Adams.
Hình 3.3. Giản đồ nhiễu xạ tia X
của các mẫu xúc tác IrO2 tổng
hợp bằng phương pháp thủy phân
Hình 3.4. Giản đồ nhiễu xạ tia
X của các mẫu xúc tác IrO2 tổng
hợp bằng phương pháp Adams
Hình 3.3 và 3.4 là các giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu bột
IrO2 tổng hợp bằng phương pháp thủy phân và phương pháp Adams tại
các nhiệt độ nung khác nhau. Tại các giá trị nhiệt độ nung thấp hơn
500o
C, các pic trên giản đồ nhiễu xạ tia X của cả hai phương pháp tổng
hợp có đỉnh tín hiệu không rõ ràng và chân rộng. Điều này do IrO2 tạo
thành tại các nhiệt độ nung này có cấu trúc rất mịn. Khi tăng nhiệt độ
nung lên 500o
C và 600o
C, kích thước chân các pic nhỏ đi và các tín
hiệu đỉnh rõ nét hơn thể hiện cấu trúc tinh thể. Các pic trên giản đồ
nhiễu xạ tia X có đỉnh tín hiệu tại giá trị góc 2θ là: 28 (110); 35,1
(101); 54,3 (211) trùng với phổ chuẩn của IrO2 cấu trúc rutil. Như vây,

12. 10
tại nhiệt độ từ 500o
C trở lên, vật liệu xúc tác IrO2 chuyển dần sang cấu
trúc tinh thể rutil.
Hình 3.5. Ảnh SEM của các mẫu bộ xúc tác IrO2 chế tạo bằng
phương pháp thủy phân, độ phóng đại 80.000 lần
Quan sát trên các ảnh SEM của các bột xúc tác tổng hợp bằng
phương pháp thủy phân, trên hình thấy rằng các hạt có kích thước
tương đối nhỏ tích tụ thành đám hoặc khối. Khi tăng nhiệt độ nung thì
có sự thay đổi kích thước hạt và nhiệt độ nung càng tăng thì kích thước
hạt càng lớn.
Hình 3.6. Ảnh TEM của các mẫu bộ xúc tác IrO2 chế tạo bằng
phương pháp Adams, độ phóng đại 80.000 lần
Ảnh TEM của các mẫu xúc tác bột IrO2 tổng hợp bằng phương
pháp Adams tại các nhiệt độ khác nhau trên hình 3.6 cho thấy so với
phương pháp thủy phân, phương pháp Adams cho các hạt xúc tác phân
bố đồng đều hơn, không bị tích tụ và có kích thước nhỏ hơn nhiều (chỉ
khoảng vài nanomet). Tại 400o
C các hạt xúc tác thu được rất nhỏ mịn
và không có gianh giới biên hạt rõ ràng. Khi nhiệt độ tăng lên 500o
C
các hạt được hình thành rõ ràng và tương đối đồng đều. Tại 600o
C bột
xúc tác xuất hiện thêm nhiều hạt có hình que với kích thước lớn, hiện

13. 11
tượng này có thể do khi nhiệt độ tăng tốc độ phát triển mầm diễn ra
nhanh hơn khiến cho kích thước tinh thể tăng.
Hình 3.7 là đồ thị CV của các mẫu xúc tác IrO2 tổng hợp tại
các nhiệt độ khác nhau bằng hai phương pháp thủy phân và Adam.
Nhìn chung, các đường cong CV có hình dáng tương tự đường cong
CV của IrO2 chuẩn. Tuy nhiên các pic ôxy hóa-khử thể hiện không rõ
ràng trừ đường CV của mẫu IrO2 nung tại 400o
C theo phương pháp
Adams. Ở cả hai phương pháp, đường CV của các mẫu nung tại 400o
C
có diện tích lớn nhất so với các mẫu nung ở nhiệt độ cao hơn tại cùng
phương pháp tổng hợp, điều này là do IrO2 nung tại 400o
C có kích
thước hạt nhỏ và mịn nhất nên bề mặt hoạt động điện hóa của chúng là
lớn nhất nên hoạt tính xúc tác lớn nhất so với các mẫu khác cùng
phương pháp. Do kích thước hạt nhỏ hơn nhiều nên mẫu IrO2 nung tại
400o
C bằng phương pháp Adam có hoạt tính xúc tác lớn hơn so với
mẫu tổng hợp bằng phương pháp thủy phân. Nhiệt độ càng tăng thì
diện tích đường CV càng giảm nghĩa là độ hoạt hóa càng giảm, tuy
nhiên các mẫu tổng hợp bằng phương pháp Adams vẫn luôn có độ
hoạt hóa lớn hơn mẫu của phương pháp thủy phân ở cùng nhiệt độ.
(a) Thủy phân (b) Adams
Hình 3.7. Đồ thị CV của các bột xúc tác IrO2 trong môi trường
H2SO4 0,5 M, tốc độ quét thế 50 mV/s

14. 12
Từ các đường cong phân cực anôt của các mẫu bột xúc tác
trong trong dung dịch H2SO4 0.5M, các thông số điện hóa được tính
toán và tổng hợp trong bảng 3.1. Dựa vào số liệu trong bảng 3.1 ta thấy
ôxit IrO2 nung tại 500o
C bằng phương pháp Adam có họat tính xúc tác
cho phản ứng thoát ôxy trong môi trường axit cao nhất do có điện thế
thoát ôxy EOER thấp nhất.
Bảng 3.1. Thông số điện hóa của các mẫu IrO2
Mẫu io (µA/cm2
) Eoer (mV)
Tổng điện tích
(C/cm2
.mg)
400o
C-Thủy phân 51 1232 26,25
500o
C-Thủy phân 50 1253 22,25
600o
C-Thủy phân 33 1262 12,00
400o
C- Adams 16 1190 30,50
500o
C- Adams 12 1220 23,00
600o
C- Adams 22 1222 13,75
Như vậy, các mẫu xúc tác tổng hợp bằng phương pháp Adams
có kích thước hạt nhỏ hơn nên có hoạt tính xúc tác tốt hơn, bền hơn và
xúc tác cho phản ứng thoát ôxy tốt hơn so với các mẫu xúc tác tổng
hợp bằng phương pháp thủy phân. Tại nhiệt độ nung 400o
C các mẫu
xúc tác có kích thước nhỏ mịn hơn, hoạt tính xúc tác tốt hơn nhưng lại
kém bền hơn các mẫu nung ở nhiệt độ 500o
C và 600o
C. Việc lựa chọn
xúc tác tối ưu dựa trên sự kết hợp tốt nhất giữa các tính chất đặc trưng
của chất xúc tác như độ hoạt hóa, độ bền, khả năng xúc tác tốt cho
phản ứng thoát ôxy cũng chi phí sản xuất, và nhiệt độ 500o
C là nhiệt
độ thích hợp để nung bột xúc tác tổng hợp bằng phương pháp Adams.
Nhằm tối ưu hơn nữa bề mặt hoạt động của bột xúc tác, do
NaNO3 nóng chẩy tại 308o
C, vì thế nên duy trì tại nhiệt độ nóng chẩy
này trong một thời gian để NaNO3 nóng chẩy hoàn toàn sẽ dễ dàng
phản ứng với H2IrCl6 để tạo thành IrO2 có hiệu suất cao. Áp dụng cải
tiến này, xúc tác IrO2 được tổng hợp bằng phương pháp Adams sửa đổi

15. 13
theo quá trình nung 2 bước, cụ thể như sau: nung ở 325o
C trong 30
phút với tốc độ nâng nhiệt 5o
C/phút sau đó nâng mức nhiệt lên 500o
C
với tốc độ gia nhiệt 5o
C/phút trong 1 giờ.
Phổ nhiễu xạ tia X của 2 mẫu IrO2 nung theo chế độ 1 bước và
2 bước có cường độ mạnh giống nhau và có các đỉnh pic trùng với các
pic chuẩn của IrO2 cấu trúc rutil. Điều này chứng tỏ các mẫu nung cả
hai chế độ nhiệt này đều tạo thành IrO2 cấu trúc rutil. Tuy nhiên mẫu
nung theo 2 bước nhiệt có chân pic doãng rộng hơn nghĩa là các hạt
xúc tác thu được có kích thước nhỏ hơn. Ảnh TEM của các mẫu này
cũng cho thấy mẫu nung theo 2 giai đoạn có các hạt nhỏ hơn, đồng đều
hơn, và các hạt to gần như không xuất hiện với kích thước chỉ khoảng
vài nanomet.
Bảng 3.2. Các thông số điện hóa của IrO2 tại 2 chế độ nhiệt
khác nhau
Thông số io (µA/cm2
) Eoer (mV)
Tổng điện tích
(C/cm2
.mg)
IrO2 500o
C 16 1220 23,0
IrO2 325o
C‒500o
C 22 1220 29,5
Đường CV của 2 chế độ nung có hình dáng tương tự nhau.
mẫu bột xúc tác nung theo 2 bước có tổng diện tích hơn hơn so với
mẫu xúc tác nung 1 bước ngụ ý rằng mẫu này có khả năng hoạt hóa tốt
hơn và các phản ứng diễn ra trên bền mặt điện cực xẩy ra dễ dàng và
thuận lợi hơn. Điều này chứng tỏ, chế độ nung 2 giai đoạn cải thiện độ
hoạt hóa của bột xúc tác IrO2. Từ đây, các mẫu xúc tác sẽ được chế tạo
theo quy trình nung 2 bước, quy trình chế tạo được đưa ra trên hình
3.14.

16. 14
Hình 3.14. Quy trình chế tạo chế vật liệu xúc tác bột IrO2
3.2. Nghiên cứu chế tạo vật liệu hỗn hợp xúc tác bột IrxRu(1-x)O2
Từ giản đồ TGA và DTG khi nung các hỗn hợp muối
(H2IrCl6.nH2O + NaNO3) và (RuCl3.mH2O + NaNO3) trong không khí
có thể xác định được khoảng nhiệt độ từ 400-600o
C là khoảng nhiệt độ
thích hợp để nung hỗn hợp muối thành ôxit IrxRu(1-x)O2, kết hợp phần
thực nghiệm 3.1 (đã chứng tỏ nhiệt độ 500o
C là nhiệt độ tối ưu để tổng

17. 15
hợp IrO2) chúng tôi đưa ra nhiệt độ thích hợp để tổng hợp các bột xúc
tác IrO2, Ir0.9Ru0.1O2, Ir0.8Ru0.2O2, Ir0.7Ru0.3O2, Ir0.6Ru0.4O2, Ir0.5Ru0.5O2
và RuO2 là 500°C theo phương pháp Adams sửa đổi sử dụng tiền chất
là hai muối H2IrCl6.nH2O và RuCl3.mH2O.
Hình 3.17. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu
hỗn hợp xúc tác IrxRu(1-x)O2
Hình 3.17 là giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu bột
IrxRu1−xO2. Có thể quan sát thấy giản đồ nhiễu xạ của tất cả các mẫu
đều có đỉnh tín hiệu rõ ràng, chân pic hẹp và có cấu trúc rutil. Pic nhiễu
xạ của RuO2 và IrO2 được phân bố ở các góc 2θ gần như tương tự nhau.
Các pic nhiễu xạ của hỗn hợp ôxit đều có cả tất cả các góc nhiễu xạ
đặc trưng của hai ôxit tinh khiết và các pic này chuyển dịch từ từ về
phía các pic của ôxit RuO2 khi tăng dần nồng độ Ru. Điều này chứng tỏ
khi nguyên tử Ru đã thâm nhập vào các ô mạng cơ sở của Ir và tạo
thành hỗn hợp dung dịch rắn
Kết quả phân tích EDX của các mẫu bột IrxRu(1-x)O2 (x =0,5;
0,6; 0,7; 0,8; 0,9) cho thấy sự có mặt của các nguyên tố Ir, Ru, O2 tại
tất cả các mẫu hỗn hợp ôxit và tỉ lệ mol Ir và Ru lý thuyết và tỉ lệ mol
thực tế không khác nhau nhiều chứng tỏ phương pháp Adams sửa đổi
là phương pháp thích hợp để tổng hợp hỗn hợp bột xúc tác với thành
phần mong muốn.

18. 16
Ảnh TEM cho thấy ở tất cả các mẫu, các hạt tích tụ ít, phân bố
khá đồng đều và kích thước hạt rất nhỏ (chỉ vài nanomet). Kích thước
hạt tăng dần khi tăng dần hàm lượng Ru. Các hạt IrO2 có các hạt kích
thước nhỏ (khoảng từ 2-5 nm) tuy nhiên lại xen lẫn với các hạt có dạng
kết tinh định hướng theo hình que với kích thước rất lớn (từ 10-40 nm).
Trong khi các hạt RuO2 đồng đều hơn, các hạt có kích thước to hơn (từ
10-15 nm). Khi thêm dần RuO2 vào, hình thái học bề mặt của các hạt
thay đổi dần dần. Các hạt xúc tác có kích thước tăng dần lên không
đáng kể và các hạt hình que có kích thước lớn dần biến mất.
Các đường CV của các mẫu bột IrxRu(1-x)O2 có các đỉnh rộng
và giới hạn các pic của RuO2 rõ ràng hơn của IrO2. Ôxít RuO2 có độ
hoạt hóa lớn nhất trong khi ôxít IrO2 có độ hoạt hóa kém nhất. Các hỗn
hợp ôxit có hình dáng tương tự nhau và có độ hoạt hóa trung bình ở
giữa IrO2 và RuO2.
Bảng 3.4. Thông số điện hóa của các mẫu IrxRu1−xO2
Mẫu
io
(µA/cm2
)
EOER
(mV)
Tổng điện tích
(C/cm2
.mg)
Suy giảm hoạt
tính (%)
IrO2 22 1220 29,5 4,6
Ir0.9Ru0.1O2 11 1200 32,8 5,1
Ir0.8Ru0.2O2 14 1180 33,7 6,1
Ir0.7Ru0.3O2 16 1140 38,2 7,8
Ir0.6Ru0.4O2 20 1160 34,6 9,5
Ir0.5Ru0.5O2 24 1150 36,9 10,2
RuO2 42 1100 38,9 19,8
Sự suy giảm hoạt tính của hỗn hợp xúc tác được thể hiện qua
sự suy giảm diện tích các đường CV sau 1000 vòng quét CV thử
nghiệm độ bền trong H2SO4 0,5 M với tốc độ quét 50 mV/s. Các kết
quả đo được thể hiện bảng 3.4. Từ kết quả thu được cho thấy, mặc dù
IrO2 có độ hoạt hóa kém hơn nhưng lại bền hơn RuO2 và điều này phù
hợp với các nghiên cứu trước đây. IrO2 chỉ bị suy giảm hoạt tính 4,6%

19. 17
sau 1000 vòng quét trong khi RuO2 bị suy giảm đến 19,8%. Khi RuO2
được thêm dần vào thì độ suy giảm hoạt tính giảm dần đi chứng tỏ độ
bền của hỗn hợp giảm dần khi hàm lượng Ru tăng. Cả IrO2 và RuO2
khi đặt trong chất điện ly sẽ được bao phủ bằng lớp hydroxit. Các bước
phản ứng cho quá trình ôxy hóa ôxy trên bề mặt IrO2 và RuO2 lần lượt
diễn ra và số ôxy hóa của iridi và rutheni tăng dần. Đối với iridi, thế
của quá trình chuyển đổi cuối (Ir4+
/ Ir6+
) khoảng 2,057 V và với
rutheni (Ru4+
/ Ru6+
) là 1,4 V. Giá trị điện thế đó cũng chính là điện thế
giới hạn cho vận hành quá trình điện phân sử dụng các xúc tác trên.
Điều này cũng lý giải tại sao IrO2 lại bền hơn nhiều so với RuO2
Kết quả đo đường cong phân cực anôt của các mẫu bột xúc tác
trong trong dung dịch H2SO4 0,5M được chỉ ra trên hình 3.27. Các
thông số điện hóa được tổng hợp trong bảng 3.4. Xúc tác IrO2 là chất
xúc tác hoạt tính thấp nhất cho quá trình thoát ôxy do có điện thế thoát
ôxy là cao nhất. Khi tăng dần hàm lượng Ru trong hỗn hợp thì khả
năng xúc tác cho quá trình thoát ôxy tăng dần lên và tốt nhất khi chỉ có
ôxit RuO2
Hình 3.27. Đường cong phân cực anôt của IrxRu1−xO2 đo trong H2SO4
0,5 M tốc độ quét 1 mV/s
Như vậy, có thể thấy rằng phương pháp Adams sửa đổi đã chế
tạo được hỗn hợp bột xúc tác IrxRu1−xO2 có kích thước tương đối đồng

20. 18
đều, kích cỡ nhỏ cỡ nanomet và cấu trúc rutil, có hoạt tính tốt và có độ
bền cho quá trình thoát ôxy tại anôt. Sự thêm vào Ru đã tạo thành dung
dịch rắn giữa Ir và Ru làm cải thiện đáng kể hình thái học bề mặt cũng
như kích thước của các hạt xúc tác từ đó cải thiện hoạt tính xúc tác mà
không làm giảm đáng kể độ bền cho quá trình thoát ôxy. Hỗn hợp xúc
tác Ir0.7Ru0.3O2 có độ kết tinh tốt nhất do tại tỉ lệ mol này sự tạo thành
dung dịch rắn giữa Ru và Ir là cao nhất. Các hạt Ir0.7Ru0.3O2 có hình
thái học khá đồng đều cho hoạt tính cao nhất và độ bền trung bình
trong số các hỗn hợp xúc tác. Có thể nói hỗn hợp xúc tác với tỉ lệ mol
(Ir:Ru)=(7:3) thể hiện sự kết hợp tốt nhất giữa độ hoạt hóa và sự ổn
định, chính vì thế chúng tôi lựa chọn hỗn hợp Ir0.7Ru0.3O2 cho những
nghiên cứu tiếp theo.
3.3. Nghiên cứu chế tạo vật liệu hỗn hợp xúc tác hệ ba cấu tử
IrRuMO2 (với M là Ti, Sn, Co)
Mục đích của phần nghiên cứu này là đưa vào hỗn hợp xúc tác
Ir0.7Ru0.3O2 một cấu tử thứ ba nhằm giảm lượng xúc tác kim loại quý để
tạo ra hỗn hợp IrRuMO2 vẫn giữ được hoạt tính và độ bền cao cho
phản ứng thoát ôxy. Các chất được đưa vào với tỉ lệ mol ban đầu là
Ir:Ru:M= 1:1:1 (M = Ti; Sn; Co)
Hình 3.28. Giản đồ nhiễu xạ tia X của các mẫu hỗn hợp
xúc tác IrRuTiO2; IrRuSnO2; IrRuCoO2.

21. 19
Hình 3.29. Ảnh TEM của các mẫu hỗn hợp xúc tác
IrRuMO2 (M = Ti, Sn, Co), độ phóng đại 80.000 lần
Hình 3.28 là phổ nhiễu xạ tia X của các mẫu hỗn hợp xúc tác
IrRuTiO2; IrRuSnO2; IrRuCoO2và Ir0.7Ru0.3O2 chế tạo được. Có thể
thấy phổ nhiễu xạ của cả 3 hỗn hợp đều có các pic chính của
Ir0.7Ru0.3O2. Tín hiệu pic của IrRuTiO2 rõ ràng nhất, sau đó đến
IrRuCoO2 và thấp nhất là IrRuSnO2. Điều này chứng tỏ với M = Ti cho
độ tinh thể cao nhất. Nguyên nhân có thể do Ti có kích thước tinh thể
gần giống với Ir và Ru nhất nên dễ dàng trộn lẫn với Ir và Ru ở mức độ
tinh thể để tạo thành dung dịch rắn. Độ doãng rộng của các pic cho
thấy tinh thể của IrRuSnO2 là bé nhất rồi đến IrRuCoO2 và IrRuTiO2
điều này cũng phù hợp với ảnh TEM trong hình 3.29.Các giá trị điện
tích, suy giảm điện tích và điện thế thoát ôxy xác định từ các đồ thị
được liệt kê trong bảng 3.5. Hoạt tính của các chất cũng thay đổi với
hoạt tính tăng dần theo hướng Ti < Sn < Co. Điều này là do độ dẫn
điện của các chất này cũng tăng dần (điện trở suất của ρTiO2 = 108
Ωcm; ρSnO2 = 107
Ωcm; ρCo3O4 = 104
Ωcm). Tuy nhiên, độ suy giảm
sau 1000 vòng quét CV của IrRuCoO2 lại cao nhất do Co3O4 là một
chất ôxy mạnh nên nó không bền vững trong môi trường axit được tạo
điều kiện làm việc của PEMWE.

22. 20
Bảng 3.5. Thông số điện hóa của các mẫu IrRuMO2
Mẫu io
(µA/cm2
)
Eoer
(mV)
Tổng điện tích
(C/cm2
.mg)
Suy giảm hoạt
tính (%)
Ir0.7Ru0.3O2 16 1140 38,2 7,8
IrRuSnO2 38 1220 33,7 19,4
IrRuTiO2 28 1220 26,7 16,7
IrRuCoO2 49 1138 42,6 18,84
Như vậy, xét về độ bền xúc tác IrO2 vẫn là xúc tác lý tưởng
cho phản ứng thoát ôxy. Hỗn hợp Ir0.7Ru0.3O2 là sự kết hợp tốt nhất
giữa độ bền của IrO2 và độ hoạt hóa của RuO2. Khi thay thế Ir và Ru
đắt tiền bằng những chất rẻ tiền dễ kiếm hơn thì Ti là một lựa chọn tốt.
Để đảm bảo hiệu suất và độ bền khi áp dụng xúc tác anôt chế tạo được
vào một bộ PEMWE đơn, chúng tôi quyết định lựa chọn hỗn hợp xúc
tác Ir0.7Ru0.3O2 cho những thử nghiệm tiếp theo.
3.4. Chế tạo và đánh giá tính chất của bộ PEMWE đơn
Các bộ phận của bộ PEMWE đơn được thiết kế bao gồm: tấm
phân dòng với các kênh dẫn nước, tấm dẫn điện, tấm vỏ và tấm đệm,
sau đó được lắp ghép và hình 3.39 là hình ảnh của bộ PEMWE đơn và
hình 3.40 là hệ thống thử nghiệm PEMWE đơn.
Hình 3.39. Bộ PEMWE
đơn
Hình 3.40. Hệ thống thử nghiệm PEMWE
Hiệu suất chuyển hóa năng lượng của PEMWE được quyết
định bởi tính chất của MEA. Tính chất của MEA sẽ bị ảnh hưởng bởi
các thông số như mật độ xúc tác, hàm lượng ionomer và đặc biệt là
phương pháp chế tạo MEA. Trong phương pháp ép nóng được sử dụng
để chế tạo MEA thì quá trình ép tại nhiệt độ cao đóng vai trò rất quan

23. 21
trọng. Có ba thông số quan trọng trong quá trình ép sẽ ảnh hưởng lên
tính chất của MEA là lực ép, nhiệt độ và thời gian ép. Trong luận án
này, thời gian và nhiệt độ ép được giũa cố định là 180 s và 130o
C lực
ép được thay đổi từ 18-22 kg/cm
Hình 3.43 là đồ thị U-i của PEMWE đơn có MEA ép ở các lực
ép khác nhau. Quan sát trên U-i nhận thấy rằng khi lực ép giảm dần thì
các đường cong phân cực có xu hướng dịch chuyển dần về bên trái,
chứng tỏ lực ép giảm thì điện thế của PEMWE tăng. Trong giai đoạn
mật độ dòng trung bình, độ dốc của đường U-i của MEA chế tạo tại 20
và 22 kg/cm2
thấp hơn so với các MEA chế tạo tại giá trị lực ép khác,
có nghĩa là điện trở nội của MEA chế tạo tại giá trị lực ép 18 và 24
kg/cm2
sẽ cao hơn điện trở nội của MEA chế tạo tại lực ép 20 và 22
kg/cm2
. Điều này có thể do sự gắn kết lỏng lẻo giữa màng ngăn và lớp
xúc tác tại lực ép 18 kg/cm2
, còn tại lực ép 24 kg/cm2
thì sự gắn kết
này lại quá đặc chắc hơn như các kết quả phân tích chụp ảnh SEM. Tại
giá trị lực ép 22 kg/cm2
điện thế của PEMWE đạt được tại mật độ dòng
1 A/cm2
thấp nhất chứng tỏ tại giá trị lực ép này hiệu suất của PEMWE
đạt được cao nhất.
Hình 3.44 là đồ thị đo điện thế của PEMWE với điện cực
màng MEA chế tạo từ bốn loại lực ép khác nhau theo thời gian. Trên
đồ thị có thể thấy các đường cong điện thế theo thời gian dịch chuyển
về bên trái theo chiều giảm lực ép. Với MEA chế tạo tại lực ép nhỏ 18
kg/cm2
, giá trị điện thế tăng nhanh và có giá trị lớn nhất. Điều này có
thể do tại lực ép yếu nên liên kết không đủ tốt nên làm xuất hiện sự
bong tách của lớp GDL với màng nafion sau một thời gian thẩm thấu
của phân tử nước qua bề mặt liên kết. Do đó, có thể thấy lực ép 18
kg/cm2
là chưa đủ trong chế tạo MEA bằng phương pháp ép nhiệt. Tại
các giá trị lực ép 20 và 24 kg/cm2
có mức độ ổn định tương đối tốt cho
dù điện thế khá cao. Điện thế của PEMWE với điện cực màng MEA
chế tạo từ lực ép 22 kg/cm2
cho sự ổn định tốt nhất tại giá trị điện thế

24. 22
thấp nhất và điều này cũng phù hợp với các kết quả nhận được từ các
đồ thị trên hình 3.43.
Hình 3.43. Đường cong U-i của
PEMWE có lực ép MEA khác nhau
Hình 3.44. Độ bền của bộ
PEMWE theo thời gian
Để đánh giá hiệu quả điện phân tạo ra hydro, bộ PEMWE đơn
với MEA ép tại 22 kg/cm2
được chạy tại các giá trị mật độ dòng khác
nhau. Lượng khí hydro sản phẩm được thu vào bình và được đo thể
tích. Tại giá trị lực ép 22 kg/cm2
điện thế của PEMWE tại mật độ dòng
2 A/cm2
năng suất hydro thu được có thể đạt 8,2 ml/phút
Bảng 3.8. Hiệu điện thế của các bộ PEMWE đơn tham khảo từ các
nghiên cứu
TT Xúc tác cho
OER
Hiệu điện thế tại mật độ dòng
1 A/cm2
(mV)
Tài liệu tham
khảo
1 Ir0.6Ru0.4O2 1,567 [35]
2 IrO2 1,600 [97]
3 IrO2 1,610 [49]
4 Ir0.2Ru0.8O2 1,617 [86]
5 Ir0.7Ru0.3O2 1,618 Luận án
6 Ru0.8Nb0.2O2 1,620 [98]
7 Ir0.5Ru0.5O2 1,710 [99]
8 Ru0.9Ir0.1O2 1,750 [100]
9 Ir 2,000 [70]
10 Ir0.5Ru0.5O2 2,250 [90]
Bảng 3.8 đưa ra một số kết quả nghiên cứu trong và ngoài
nước về hiệu quả điện phân của bộ PEMWE đơn sử dụng các chất xúc
tác cho phản ứng thoát ôxy, thông số chính dùng để đánh giá hiệu quả

25. 23
điện phân là giá trị điện thế tại mật độ dòng 1 A/cm2
. Khi so sánh với
các kết quả trên, giá trị điện thế của bộ PEMWE đơn sử dụng xúc tác
Ir0.7Ru0.3O2 cho phản ứng thoát ôxy đạt được 1,618 V trong luận án này
khá thấp chứng tỏ xúc tác Ir0.7Ru0.3O2 và bộ PEMWE chế tạo được có
hiệu quả cao.
KẾT LUẬN
1. Đã tổng hợp thành công vật liệu xúc tác IrO2 cho phản ứng thoát ôxy
trên điện cực anôt trong thiết bị điện phân PEMWE bằng các phương
pháp thủy phân và Adams sử dụng tiền chất là H2IrCl6.
2. Đã nghiên cứu cải thiện phương pháp Adams và đưa ra quy trình
Adams sửa đổi ổn định để chế tạo vật liệu xúc tác IrO2 ở quy mô 1
gram, có cấu trúc tinh thể rutil với kích thức nano (3-20 nm), có hoạt
tính, độ bền cao đối với phản ứng thoát ôxy trong dung dịch H2SO4 0,5
M
3. Đã tổng hợp thành công vật liệu xúc tác hỗn hợp hai cấu tử IrxRu(1-
x)O2 (x =0; 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 1) bằng phương pháp Adams sửa đổi. Đã
tìm ra tỉ lệ mol Ir:Ru là 7:3 mang lại sự kết hợp tốt nhất giữa hoạt tính
và độ bền của chất xúc tác. Đó là hỗn hợp xúc tác Ir0.7Ru0.3O2.
4. Đã tổng hợp thành công vật liệu xúc tác hỗn hợp ba cấu tử IrRuMO2
(M=Ti; Sn; Co). Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng cấu tử thứ 3 là
Titan cho độ hoạt tính và độ bền phù hợp. Vật liệu IrRuTiO2 áp dụng
trong thiết bị sản xuất hydro PEMWE hứa hẹn mang lại hiệu quả kinh
tế do giảm chi phí sử dụng nguyên tố quí Iridium.
5. Một bộ điện phân PEMWE đơn với diện tích làm việc 5cm2
đã được
thiết kế chế tạo tại phòng thí nghiệm với vật liệu xúc tác Ir0.7Ru0.3O2 tự
tổng hợp. Đã đưa ra các thông số kỹ thuật chế tạo điện cực màng thích
hợp bằng phương pháp ép nóng (lực ép 22 kg/cm2
, nhiệt độ 1300
C,
thời gian 180s). Thiết bị điện phân PEMWE tự chế tạo vận hành ổn

26. 24
định đạt điện thế 1,618 V tại mật độ dòng 1 A/cm2
. Đây là điện áp
tương đương so với các nghiên cứu xúc tác trên thế giới.
CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN
1. Đã chế tạo được vật liệu bột xúc tác IrO2 và IrxRu(1-x)O2 (x =0; 0,5;
0,6; 0,7; 0,8; 1) dựa trên quy trình Adams có sửa đổi, tìm ra vật liệu
bột xúc tác Ir0.7Ru0.3O2 cho hoạt tính và độ bền tốt nhất.
2. Đã chế tạo được bột xúc tác hệ tam nguyên IrRuTiO2 có hoạt tính và
độ bền cao phù hợp cho quá trình thoát ôxy trong thiết bị điện phân
nước màng trao đổi proton PEMWE.
3. Đã chế tạo thành công bộ PEMWE đơn có diện tích làm việc MEA
đạt 5 cm2
(sử dụng vật liệu bột xúc tác anôt Ir0.7Ru0.3O2, mật độ xúc tác
phủ trên điện cực 4mg/cm2
) cho năng suất sản xuất hydro đạt 8,2
mL/phút tại mật độ dòng 2A/cm2
.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
1. Hong Hanh Pham, Ngoc Phong Nguyen, Chi Linh Do and Ba
Thang Le, Nanosized IrxRu1−xO2 electrocatalysts for oxygen evolution
reaction in proton exchange membrane water electrolyzer, Adv. Nat.
Sci.: Nanosci. Nanotechnol.6, 2015, 025015 (5ppm).
2. Phạm Hồng Hạnh, Nguyễn Ngọc Phong, Đỗ Chí Linh, Tổng hợp và
đánh giá tính chất của vật liệu bột RuO2 xúc tác cho phản ứng thoát
ôxy trong điện phân màng trao đổi proton,Tạp chí Khoa học và Công
nghệ , 2014, T52(3C), 616-662.
3. Phạm Hồng Hạnh, Nguyễn Ngọc Phong, Đỗ Chí Linh, Ngô Ánh
Tuyết, Nghiên cứu tổng hợp vật liệu IrO2 xúc tác cho phản ứng thoát
ôxy trong điện phân màng trao đổi proton, Tạp chí Hóa học, 2014,
T52(6B), 38-41.
4. Pham Hong Hanh, Nguyen Ngoc Phong, Le Ba Thang, Pham Thy
San, Do Chi Linh, Preparation of RuO2 for oxygen evolution reaction
in proton exchange membrane water electrolyzer by Adams’ fusion
method, Tạp chí Hóa học, 2017, T55, 415-420.