Preview Nghiên cứu chế tạo vật liệu có độ xốp cao dùng làm vật liệu điện cực cho siêu tụ điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CÔNG NGHỆ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

VÕ XUÂN ĐẠI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CÓ ĐỘ XỐP CAO DÙNG LÀM VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC CHO SIÊU TỤ ĐIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

Nha Trang, tháng 07 năm 2017

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU CÓ ĐỘ XỐP CAO DÙNG LÀM VẬT LIỆU ĐIỆN CỰC CHO SIÊU TỤ ĐIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

GVHD

: TS. NGUYỄN VĂN HÒA

SVTH: VÕ XUÂN ĐẠI

Nha Trang, tháng 07 năm 2017

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

Ơ

N

Họ và tên sinh viên: Võ Xuân Đại

N

H

Lớp: 55CNHH

TP

Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu có độ xốp cao dùng làm vật liệu điện cực cho

Số chương:

Số trang:

Tài liệu tham khảo:

Đ

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

siêu tụ điện.”

H Ư

NHẬN XÉT

N

G

Hiện vật:

TR ẦN

.......................................................................................................................................

B

.......................................................................................................................................

10 00

.......................................................................................................................................

A

.......................................................................................................................................

H

Ó

.......................................................................................................................................

-L

Í-

.......................................................................................................................................

ÁN

Kết luận .........................................................................................................................

TO

.......................................................................................................................................

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

.Q

U Y

Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

Nha Trang, ngày…..tháng…..năm 2017 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ tên)

D

IỄ N

Đ

ÀN

.......................................................................................................................................

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

PHIẾU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG ĐỀ TÀI

N

Họ và tên sinh viên: Võ Xuân Đại

H

Ơ

Lớp: 55CNHH

U Y

N

Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật hóa học

Số chương:

Tài liệu tham khảo:

ẠO

Số trang:

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

TP

siêu tụ điện.”

G

Đ

Hiện vật:

H Ư

N

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

TR ẦN

....................................................................................................................................... .......................................................................................................................................

B

.......................................................................................................................................

A

10 00

Kết luận .........................................................................................................................

Í-

Bằng chữ

CÁN BỘ PHẢN BIỆN (Ký và ghi rõ họ tên)

TO

ÁN

-L

Bằng số

H

Ó

Điểm phản biện

Nha Trang, ngày…..tháng…..năm 2017

Điểm phản biện Bằng số

Bằng chữ

D

IỄ N

Đ

ÀN

___________________________________________________________________

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

.Q

Đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu có độ xốp cao dùng làm vật liệu điện cực cho

Nha Trang, ngày…..tháng…..năm 2017 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

(Ký và ghi rõ họ tên)

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

LỜI CẢM ƠN Xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy cô Bộ môn Hóa, Khoa Công Nghệ Thực Phẩm, Trường Đại học Nha Trang đã trang bị cho tôi những kiến thức quý báu.

Ơ

N

Tôi xin chân thành cảm ơn Trung Tâm Thí Nghiệm Thực Hành – Khu Công

.Q

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Nguyễn Văn Hòa, người đã dìu dắt tôi trên

TP

con đường nghiên cứu khoa học và trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực

ẠO

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

hiện đề tài và viết luận văn tốt nghiệp.

G

Đ

Tôi xin cảm ơn các bạn và gia đình đã động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành

Người thực hiện

Võ Xuân Đại

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

luận văn này.

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

U Y

thuận lợi nhất cho tôi làm việc trong suốt thời gian thực tập và nghiên cứu.

N

H

Nghệ Cao Trường Đại học Nha Trang đã quan tâm, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................2

Ơ

N

MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1

N

H

PHẦN I: TỔNG QUAN ............................................................................................4

TP

I.1.1. Cấu tạo và phân loại siêu tụ điện.....................................................................4

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

I.1.1.1. Cấu tạo ...........................................................................................................4

G

Đ

I.1.1.2. Phân loại ........................................................................................................6

H Ư

N

I.1.1.2.1. Tụ điện tĩnh lớp kép (EDLCs) ..................................................................7

TR ẦN

I.1.1.2.2. Giả tụ điện hóa ...........................................................................................7

B

I.1.1.2.3. Tụ lai ...........................................................................................................8

10 00

I.1.2. Nguyên lý hoạt động của siêu tụ điện ............................................................9

Ó

A

I.1.3. Ứng dụng của siêu tụ điện.............................................................................10

Í-

H

I.2. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU ỨNG DỤNG CHO SIÊU TỤ ĐIỆN ............11

ÁN

-L

I.2.1. Vật liệu Carbon ..............................................................................................11

TO

I.2.1.1. Carbon hoạt tính .........................................................................................13

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

.Q

U Y

I.1. GIỚI THIỆU VỀ SIÊU TỤ ĐIỆN ....................................................................4

D

IỄ N

Đ

ÀN

I.2.1.2. Ống carbon (CNTs) ....................................................................................14 I.2.1.3. Tấm Carbon (Graphene) ...........................................................................15 I.2.1.3.1. Cấu tạo của Graphene .............................................................................16 I.2.1.3.2. Tính chất của Graphene .........................................................................18 I.2.1.3.3. Ứng dụng của Graphene .........................................................................20

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

I.2.1.3.4. Phƣơng pháp tổng hợp graphene ...........................................................20 I.2.1.3.4.1. Phƣơng pháp cơ học: ............................................................................20

Ơ

N

I.2.1.3.4.2. Phƣơng pháp hóa học thông qua GO .................................................21

N

H

I.2.1.3.5. Than chì (Graphite) .................................................................................22

TP

I.2.1.3.6.1 Tính chất của Graphene Oxide ............................................................25

Đ

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

I.2.1.3.6.2. Tổng hợp Graphene Oxide (GO) ........................................................25

H Ư

N

G

I.2.1.3.7. Reduced Graphene Oxide (rGO) ...........................................................27

TR ẦN

I.2.2. Oxit/hydroxit kim loại ...................................................................................27 I.2.3. Polymer dẫn điện ...........................................................................................28

10 00

B

I.2.4. Vật liệu tổ hợp (composite) nền graphene ...................................................29

A

PHẦN II: THỰC NGHIỆM ...................................................................................31

H

Ó

II.1. Dụng cụ và hóa chất ........................................................................................31

-L

Í-

II.1.1. Dụng cụ: ........................................................................................................31

TO

ÁN

II.1.2. Hóa chất: .......................................................................................................31

ÀN

II.2. Tổng hợp vật liệu.............................................................................................32

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

.Q

U Y

I.2.1.3.6. Vật liệu Graphene oxide (GO)................................................................24

D

IỄ N

Đ

II.2.1. Tổng hợp Graphene Oxide (GO) ................................................................32 II.2.2. Tổng hợp Composite rGO/Oxit kim loại ...................................................36

II.3. Chế tạo điện cực ..............................................................................................39 II.4. Đánh giá tính chất ...........................................................................................42

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

PHẦN III: KẾT QUẢ .............................................................................................46 III.1. Tính chất vật liệu ...........................................................................................46

Ơ

N

III.1.1. Graphene Oxide ..........................................................................................46

N

H

III.1.2. Composite rGO/Co2O3,NiO .......................................................................46

TP

III.1.4. Composite rGO/NiO ...................................................................................52

Đ

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

III.2. Tính chất Siêu tụ điện ...................................................................................56

H Ư

N

G

PHẦN IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................59

TR ẦN

IV.1. Kết luận...........................................................................................................59 IV.2. Kiến nghị.........................................................................................................59

10 00

B

PHỤ LỤC .................................................................................................................60

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................61

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

.Q

U Y

III.1.3. Composite rGO/Co2O3 ...............................................................................49

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

DANH MỤC SƠ ĐỒ Sơ đồ I.1: Quy trình tổng quát tổng hợp graphene ....................................................... 21 Sơ đồ II.1 : Tổng hợp Graphene Oxide ......................................................................... 33

N

Sơ đồ II.2: Quy trình tổng hợp composite ..................................................................... 36

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

Sơ đồ II.3: Quy trình chế tạo siêu tụ điện ..................................................................... 40

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

DANH MỤC BẢNG Bảng I.1: Thông số về tính dẫn nhiệt của một số vật liệu: ............................................ 19 Bảng III.1: Mối liên hệ giữa khối lượng và thời gian xả điện tích của siêu tụ điện: ... 44

N

Bảng III.2: Khảo sát tính ổn định của một số vật liệu làm siêu tụ điện ....................... 44

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

Bảng III.3: So sánh tính ổn định của chất điện ly......................................................... 45

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Các loại siêu tụ điện thương mại .................................................................... 4 Hình 1.2: Cấu tạo của siêu tụ điện thương mại. ............................................................. 4

Ơ

N

Hình 1.3: Cấu tạo chính của siêu tụ . ............................................................................. 5

N

H

Hình 1.4: Mô hình sắp đặt điện tích trên siêu tụ điện .................................................... 6

U Y

Hình 1.5: Các hình dạng thường gặp của siêu tụ điện ................................................... 6

TP

Hình 1.7 : Quá trình xả và nạp ..................................................................................... 10

ẠO

Hình 1.8: Cấu tạo của graphene ................................................................................... 16

Đ

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

Hình 1.10: Ứng dụng của graphene ............................................................................. 20

G

Hình 1.11: Tách graphene bằng phương pháp cơ học ................................................. 21

H Ư

N

Hình 1.11: a) Mẫu than chì, b) Quặng than chì ........................................................... 22 Hình 1.12 : Cấu tạo than chì (graphite) ....................................................................... 23

TR ẦN

Hình 1.15: Quá trình tạo composite ............................................................................. 29 Hình 2.1: Một số dụng cụ thủy tinh thí nghiệm ............................................................ 31

10 00

B

Hình 2.2: Bột than chì, Hình 2.3: Tinh thể KMnO4 ...................................................... 32 Hình 2.6: Bình cầu tạo GO sau khi lắc, Hình 2.7:Hỗn hợp GO chuyển từ bình cầu ... 34

A

Hình 2.8: Quá trình tạo GO .......................................................................................... 35

H

Ó

Hình 2.9:Chuẩn bị vi sóng phá mẫu ............................................................................. 37

Í-

Hình 2.11: Mẫu GO/Co2O3,NiO sau khi vi sóng .......................................................... 38

-L

Hình 2.12: Mẫu GO/Co2O3 sau vi sóng, Hình 2.13: Mẫu GO/NiO sau vi sóng.......... 38

ÁN

Hình 2.14: Mẫu composite sau sấy. ............................................................................. 39

TO

Hình II.15: Tiến hành nung mẫu composite: a) Composite trong cốc nung, b) Cốc

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

.Q

Hình 1.6: Hướng di chuyển của ion mang điện .............................................................. 9

ÀN

composite đặt trong lò nung .......................................................................................... 39

D

IỄ N

Đ

Hình 2.16: Bản cực tấm Niken ...................................................................................... 40 Hình 2.17: Chuẩn bị vật liệu composite cho điện cực: a) Thêm cồn, b) Thêm chitosan ......................................................................................................................... 41 Hình 2.18: Bản điện cực được phủ lớp vật liệu ............................................................ 41 Hình 2.18: Quấn lớp phân cách lên bản điện cực ........................................................ 42

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Hình 2.19: Ghép bản cực siêu tụ điện: a) Nhỏ chất điện phân, b) Cố định bản điện cực siêu tụ bằng lớp quấn parafilm .............................................................................. 42 Hình 2.20: Quá trình nạp điện tích ............................................................................... 43

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

Hình 2.21: Quá trình xả điện tích ................................................................................. 43

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài Trong nền công nghiệp hiện đại ngày nay, lưu trữ năng lượng là thành phần

Ơ

N

quan trọng để tạo ra các hệ thống năng lượng bền vững. Các công nghệ hiện tại, như

N

H

pin quang điện mặt trời và tua-bin gió, có thể tạo ra năng lượng một cách bền vững

U Y

và thân thiện với môi trường. Nhưng bản chất hoạt động liên tục vẫn cản trở khả

TP

công nghệ lưu trữ năng lượng có tiềm năng bù đắp cho vấn đề liên tục của các

ẠO

nguồn năng lượng tái tạo bằng cách lưu trữ năng lượng không liên tục và sau đó có

Đ

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

thể tiếp cận theo yêu cầu ứng dụng. Ngoài các ứng dụng lưới năng lượng, các công

G

nghệ lưu trữ năng lượng cũng có tiềm năng để chuyển đổi hệ thống giao thông. Việc

H Ư

N

vận hành các thiết bị lưu trữ năng lượng có thể thay thế cho hệ thống truyền động của các công nghệ vận chuyển hiện tại từ một hệ thống truyền động dựa vào nhiên

TR ẦN

liệu hoá học thành hệ thống truyền động điện. Xe điện là một ví dụ điển hình về cách các công nghệ lưu trữ năng lượng có thể biến đổi hệ thống giao thông thành

10 00

B

mô hình bền vững hơn. Các thiết bị điện tử đã trở nên phổ biến trong xã hội hiện đại, cũng phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ lưu trữ năng lượng. Phạm vi rộng của

A

các sản phẩm ngành công nghiệp mà lưu trữ năng lượng ảnh hưởng đến cho thấy

Í-

-L

tương lai.

H

Ó

những tiến bộ và bước đột phá có giá trị trong lĩnh vực này sẽ như thế nào trong

ÁN

Quá trình nạp và xả pin trong các thiết bị điện tử di động là một quá trình chậm và có thể làm suy giảm các hợp chất hóa học bên trong pin theo thời gian. Kết

TO

quả là, pin có mật độ năng lượng thấp và mất khả năng lưu trữ của nó do thiệt hại

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

.Q

năng ứng dụng của chúng, trở thành một thiết bị mang năng lượng sơ cấp. Các

D

IỄ N

Đ

ÀN

vật chất. Từ đó, để khắc chế các nhược điểm của pin, các siêu tụ điện với cơ chế lưu trữ năng lượng khác nhau được ra đời. Siêu tụ điện (SCs: Supercapacitors) là thiết

bị lưu trữ năng lượng, còn gọi là tụ điện lớp kép hay tụ điện hóa, là loại tụ chứa dung lượng cao với chỉ số điện dung cao hơn nhiều so với các loại tụ điện khác (nhưng giới hạn điện áp thấp). Là một trong những tụ điện công suất lớn nhất, một loại thiết bị lưu trữ năng lượng với nhiều tính năng hứa hẹn, bao gồm: tuổi thọ dài (> 106 lần), mật độ công suất cao, bảo trì dễ dàng. Các tụ điện siêu tụ làm giảm 1|Page

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

khoảng cách năng lượng giữa các tụ điện điện môi truyền thống (có mật độ công suất cao và mật độ năng lượng thấp) và pin, pin nhiên liệu (có mật độ năng lượng cao và mật độ công suất điện thấp). Các ứng dụng của các tụ điện siêu tụ chủ yếu

N

được chia thành ba loại: Cung cấp; ứng dụng chất lượng điện; Sao lưu, an toàn và

Ơ

các ứng dụng bảo trì thấp [1,2]. Siêu tụ có khả năng tích trữ từ 10 đến hơn 100 lần

N

H

năng lượng trên đơn vị thể tích hoặc khối lượng hơn các loại tụ hóa. Có thể nhận và

TP

.Q

hơn pin sạc.

Trong các siêu tụ điện, năng lượng được lưu trữ tĩnh điện trên bề mặt của vật

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

liệu, và các phản ứng hóa học. Với cơ chế cơ bản của nó, các tụ siêu tụ điện có thể

G

Đ

được sạc nhanh, dẫn đến mật độ công suất rất cao và không mất khả năng lưu trữ

H Ư

N

theo thời gian. Các siêu tụ có thể tồn tại hàng triệu lần nạp/xả mà không mất khả năng tích trữ năng lượng. Sự thiếu sót chính của các siêu tụ điện là mật độ năng

TR ẦN

lượng thấp, có nghĩa là lượng điện năng siêu tụ có thể lưu trữ trên một đơn vị trọng lượng là rất nhỏ khi so với pin và chi phí sản xuất của vật liệu siêu tụ thường quá

B

cao. Do đó, để khắc phục những nhược điểm và phát triển vật liệu mới cho siêu tụ

10 00

cũng như giảm giá thành khi chế tạo và để ứng dụng siêu tụ rộng rãi hơn như một thiết bị năng lượng lưu trữ của tương tai, tôi chọn hướng nghiên cứu với nội dung:

Ó

A

“Nghiên cứu chế tạo vật liệu có độ xốp cao dùng làm vật liệu điện cực cho siêu tụ

Í-

H

điện” để thực hiện mục đích trên.

ÁN

-L

Nội dung nghiên cứu:

TO

- Nghiên cứu tổng hợp vật liệu Graphene Oxide (GO) từ bột than chì.

ÀN

- Nghiên cứu tổng hợp vật liệu tổ hợp (Composite) GO và oxit kim loại

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

U Y

phân phối điện tích nhanh hơn nhiều lần so với pin và chịu chu kỳ xả và nạp cao

Đ

chuyển tiếp có độ xốp cao.

IỄ N

- Nghiên cứu chế tạo siêu tụ điện dùng vật liệu composite đã tổng hợp ở trên.

D

- Khảo sát sử dụng các chất điện ly khác nhau cho siêu tụ.

- Khảo sát và đánh giá tính chất, độ ổn định của vật liệu composite làm siêu tụ.

2|Page

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

Ý nghĩa của đề tài - Tổng hợp được một số tổ hợp vật liệu mới ứng dụng tạo siêu tụ điện có hiệu năng cao dùng cho lưu trữ năng lượng.

Ơ

N

- Đánh giá dung dịch điện ly phù hợp dùng trong siêu tụ điện, góp phần tăng

N

H

hiệu năng của siêu tụ.

.Q

(composite) có độ xốp cao, hay siêu tụ điện có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc ứng

TP

dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau, đặc biệt siêu tụ điện như thiết bị năng

ẠO

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

lượng trong tương lai.

G

Đ

Phƣơng pháp nghiên cứu

H Ư

N

Luận văn được thuận hiện bằng phương pháp thực nghiệm.

TR ẦN

Bố cục của luận văn

Luận văn được chia làm 4 phần:

10 00

B

Phần I: Tổng quan về siêu tụ điện, vật liệu Carbon trong chế tạo siêu tụ, những tính chất nổi bật, các phương pháp chế tạo và các ứng dụng của siêu tụ, vật

Ó

A

liệu Carbon.

H

Phần II: Thực nghiệm tổng hợp Graphene Oxide, tổng hợp vật liệu tổ hợp

-L

Í-

(composite) GO và oxit kim loại chuyển tiếp, chế tạo siêu tụ điện.

ÁN

Phần III: Kết quả

TO

Đưa ra các kết quả tổng hợp hay chế tạo bằng hình ảnh từ thực nghiệm,

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

U Y

- Việc chế tạo thành công vật liệu Graphene Oxide, vật liệu tổ hợp

chất của vật liệu chế tạo siệu tụ điện, siêu tụ điện.

Phần IV: Kết luận và kiến nghị

D

IỄ N

Đ

ÀN

các hình ảnh phân tích bằng kính hiển vi điện tử (SEM) để thảo luận, đánh giá tính

Kết luận những kết quả nghiên cứu đã đạt được và tiếp tục định hướng hướng nghiên cứu trong tương lai.

3|Page

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa PHẦN I: TỔNG QUAN

I.1. GIỚI THIỆU VỀ SIÊU TỤ ĐIỆN

N

I.1.1. Cấu tạo và phân loại siêu tụ điện

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

Hình 1.1: Các loại siêu tụ điện thương mại

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

I.1.1.1. Cấu tạo

Hình 1.2: Cấu tạo của siêu tụ điện thương mại.

Như hình trên, các siêu tụ điện thương mại được chế tạo từ nhiều lớp vật liệu ghép với nhau và được bao quanh bởi lớp vỏ kim loại bên ngoài, cho thấy các thiết bị này có độ an toàn cao khi sử dụng.

Về đặc trưng cấu tạo chính của siêu tụ điện gồm 3 phần chính: 4|Page

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

- Điện cực siêu tụ: + Bản cực: vật liệu carbon, các tấm kim loại: đồng, nhôm, niken… + Vật liệu phủ bản cực: vật liệu carbon, oxit/hydroxit kim loại, các

H

Ơ

N

polymer dẫn điện.

U Y

N

- Lớp phân cách: polymer không dẫn điện: giấy lọc, giấy mềm.

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

TP

ion.

Hình 1.3: Cấu tạo chính của siêu tụ .

Ó

A

Một lớp kép được tạo thành tại mỗi bề mặt phân cách nơi mà các bột carbon

H

hoạt hóa tiếp xúc với chất điện phân. Khi sạc siêu tụ điện, các ion âm và được gắn

-L

Í-

trên chỗ trống trên bề mặt điện cực dương, các ion dương và các điện tử trên bề mặt

ÁN

cực âm được sắp xếp ngang trên bề mặt phân cách. Trạng thái sắp đặc của các ion

TO

và điện tử được gọi là lớp điện kép [1]. Bởi vì đây là lớp được tạo thành bởi chuyển động vật lý của các ion. Điều này cho thấy siêu tụ điện có chu kỳ nạp/xả tốt hơn. Đó

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

.Q

- Chất điện ly: các chất phân ly ion mang điện: bazơ, axit, muối, chất lỏng

D

IỄ N

Đ

ÀN

là lý do sử dụng carbon hoạt tính trên điện cực nhầm tăng diện tích bề mặt của chúng. Các lỗ nhỏ trên bề mặt carbon hoạt tính làm tăng diện tích bề mặt của điện cực. Từ đó, diện tích bề mặt được tăng lên, khả năng nạp tăng lên, có thể tích lũy điện tốt hơn, siêu tụ điện có khả năng đạt mức điện dung rất cao [2].

5|Page

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

N

G

Đ

Hình 1.4: Mô hình sắp đặt điện tích trên siêu tụ điện

H Ư

I.1.1.2. Phân loại

TR ẦN

Siêu tụ điện được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi chu kỳ nạp/xả phải nhanh, lưu trữ năng lượng tích trong các thiết bị nhỏ gọn dài hạn: Sử dụng trong xe

B

ôtô, xe buýt, tàu hỏa, cần trục và thang máy,... chúng được dùng cho phanh tái tạo

10 00

có thời hạn tích lũy năng lượng ngắn hoặc trong chế độ phát điện. Các đơn vị nhỏ hơn được sử dụng làm bộ nhớ lưu trữ cho bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh

Ó

A

(SRAM: static random-access memory) [1].

Í-

H

Siêu tụ điện đã được tạo ra rất đa dạng bằng việc dựa trên hình dạng và cấu

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

trúc. Các hình dạng khác nhau của siêu tụ điện được mô tả hình dưới.

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

Luận Văn Tốt Nghiệp

Hình 1.5: Các hình dạng thường gặp của siêu tụ điện

6|Page

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

I.1.1.2.1. Tụ điện tĩnh lớp kép (EDLCs) Tụ điện tĩnh điện lớp kép (EDLCs: Electric double-layer capacitors): Dùng vật liệu carbon làm chất liệu cho điện cực với điện dung giải phóng tức thời của lớp

N

kép tĩnh điện cao hơn nhiều so với giả tụ hóa, đạt được việc tách điện tích trong lớp

H

Ơ

kép Helmholtz tại mặt phân cách giữa bề mặt điện cực dẫn điễn và chất điện phân.

U Y

N

Sự phân tách của điện tích cỡ vài ångströms (0.3-0.8 nm), nhỏ hơn nhiều so với tụ

TP

.Q

vật liệu điện cực carbon xốp, lưu trữ điện tích bằng cách sử dụng hấp phụ thuận nghịch các ion điện phân lên các điện cực carbon hoạt hóa ổn định, điện cực hóa bề

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

mặt cao. Diện tích bề mặt cụ thể của EDLCs được mở rộng bằng cách làm cho phần

G

Đ

lớn vật liệu carbon xốp. Về nguyên tắc, các yêu cầu chính đối với điện cực EDLCs

H Ư

N

bao gồm: (i) tốc độ sạc nhanh; (ii) vùng điện thế lớn; (iii) độ dẫn cao; (iv) diện tích bề mặt lớn [4].

TR ẦN

I.1.1.2.2. Giả tụ điện hóa

B

Giả tụ điện hóa (Pseudocapacitor): Sử dụng các oxit kim loại hoặc polymer

10 00

dẫn điện có giả điện dung hóa cao làm vật liệu cho điện cực, giả tụ điện hóa đạt được bằng việc chuyển dời điện tử theo kiểu Faraday với các phản ứng oxy-hóa khử

Ó

A

hoặc sự hấp thụ điện đan xen [1,2,6]. Các phản ứng oxi hóa nhanh trong suốt quá

H

trình nạp/xả ở bề mặt của chúng. Thực tế việc tích trữ điện tích dựa trên quy trình

-L

Í-

phản ứng oxi hóa khử có nghĩa là các bộ giả tụ có một số hoạt động giống như pin

ÁN

(phản ứng nhiệt hóa) trong quá trình nạp/xả. Do đó, bộ giả tụ cho thấy điện dung lưu trữ cao hơn EDLCs, mặc dù chúng có tốc độ sạc điện chậm hơn EDLCs. Sự

TO

quan tâm đang gia tăng trong việc phát triển các vật liệu được cải tiến cho các bộ

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

điện thông thường [1,3]. Trong hầu hết các trường hợp, EDLCs được dựa trên các

D

IỄ N

Đ

ÀN

giả tụ hóa. Để cải thiện điện dung của bộ giả tụ, cần phải có bốn yếu tố chính: (i) sự

pha tạp của polymer dẫn để tăng trạng thái oxy hóa khử và độ dẫn điện; (ii) trạng

thái xả/nạp; (iii) diện tích bề mặt cao cho phản ứng oxi hóa khử; (iv) tiềm năng điện thế rộng [6].

7|Page

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

I.1.1.2.3. Tụ lai Tụ lai (Hybrid capacitors): Các tụ điện lai bao gồm EDLCs và các bộ khuếch đại giả tụ hóa kết hợp với nhau trong cùng một thiết bị để tận dụng lợi thế của

N

chúng. Đó là mật độ năng lượng và công suất cao. Sử dụng các điện cực với những

H

Ơ

đặc tính trên và đạt được mức điện dung cao nhất [2]. Cơ chế lưu trữ điện tích trong

U Y

N

các thiết bị như vậy là sự kết hợp của hiện tượng hấp thụ và hấp thụ hấp thu hoàn

TP

.Q

năng lượng cao, các hệ thống tụ điện lai bao gồm vật liệu oxi hóa đã được nghiên cứu và phát triển tích cực trong những năm gần đây. Cả EDLCs và giả tụ hóa đều

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

rất cần thiết cho việc chế tạo tụ điện hiệu năng cao. Tụ điện hóa học bao gồm các

G

Đ

chất điện ly, chất tách, chất kết dính, và các vật liệu điện cực. Ở đây, chúng tôi tập

H Ư

N

trung vào nghiên cứu các vật liệu điện cực cấu trúc sử dụng loại tụ điện hóa kết hợp giữa EDLCs và giả tụ điện hóa : Tụ điện lai.

B

- Khối nhỏ và mỏng, gọn.

TR ẦN

Với các ưu điểm của tụ lai, làm cho các siêu tụ điện có nhiều tính năng:

10 00

- Có thể được sạc đầy và thải ra chỉ trong vài giây, thậm chí dưới nhiệt độ

A

0oC.

H

Ó

- Điện trở kháng thấp, năng lượng và điện dung cao: Dòng điện lớn có thể đi

-L

Í-

qua, năng lượng cao vào và ra đã được so sánh với pin [4].

ÁN

- Chu kỳ xả/nạp tuyệt vời: Cơ chế nạp/xả không cần phản ứng hóa học, nó có

TO

thể nạp và xả hơn 100000 lần [2,4].

ÀN

- Độ tin cậy cao: Các siêu tụ được bịt kín thành các khối và việc tối ưu hóa

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

toàn ở điện cực và phản ứng oxi hóa khử ở điện cực. Ngoài ra, để đạt được mật độ

D

IỄ N

Đ

sự giảm suất hiệu suất của hệ thống đã được so sánh với các tụ điện thông thường [4].

Các chất điện ly tạo thành một liên kết dẫn các ion giữa hai điện cực và phân biệt chúng với các tụ điện phân thông thường nơi các lớp kép luôn tồn tại, và chất

điện phân là một phần quan trọng của điện cực (cực âm hoặc chính xác hơn là cực dương). Siêu tụ điện điện phân cực bằng cách thiết kế dạng điện cực không đối 8|Page

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

xứng, hoặc điện cực đối xứng, bằng một điện thế được áp dụng trong quá trình sản xuất.

I.1.2. Nguyên lý hoạt động của siêu tụ điện

Ơ

N

Các siêu tụ điện không có lớp điện môi giữa các điện cực dương và âm

N

H

không giống các tụ điện gốm hoặc các tụ điện điện phân. Thay vào đó, một chất

U Y

điện ly (rắn hoặc lỏng) có ion dương và ion âm được lấp đầy giữa hai điện cực.

TP

thành trên các bề mặt của điện cực, hoạt động như một điện phân và mang điện

ẠO

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

dung cao.

G

Đ

Siêu tụ điện xảy ra hai cơ chế lưu trữ chính:

H Ư

N

- Hiện tượng vật lý: Sự di chuyển của các ion mang điện về các bản cực trái dấu, các ion này bám lên trên bề mặt điện cực tạo thành các lớp điện kép.

TR ẦN

Khi xả năng lượng thì các ion mạng điện sẽ thoát khỏi bề mặt và sẽ di chuyển tạo thành dòng điện và làm các thiết bị điện sẽ hoạt động.

10 00

B

- Phản ứng hóa học: Các phản ứng hóa học xảy ra do các oxit kim loại hay các polymer dẫn điện trên điện cực tạo ra các ion mang điện. Khi xả năng lượng

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

thì các ion này tạo thành dòng điện và được giải phóng ra khỏi siêu tụ điện.

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

.Q

Một trạng thái điện gọi là "lớp điện kép", là một cặp electron và ion dương hình

Hình 1.6: Hướng di chuyển của ion mang điện

9|Page

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

Giá trị điện dung của siêu tụ tương ứng với diện tích bề mặt của điện cực. Do đó, để có được điện dung cao, vật liệu carbon có diện tích bề mặt khá lớn được sử dụng làm vật liệu điện cực trong nhiều trường hợp. Quá trình nạp điện tích xảy ra

N

bởi các ion di chuyển bề mặt điện cực trái dấu tương ứng. Ngược lại, quá trình xả

H

Ơ

các ion được thải ra đi ra khỏi bề mặt điện cực tạo ra một dòng điện làm bóng đèn

Hình 1.7 : Quá trình xả và nạp

10 00

B

I.1.3. Ứng dụng của siêu tụ điện

Siêu tụ điện là các nguồn năng lượng điện hóa với sự phân phối và thu nhận

A

năng lượng cao, với chu kỳ sử dụng dài. Chúng được sử dụng khi nhu cầu điện năng

H

Ó

cao là cần thiết, chẳng hạn như cho buồng điện và các đơn vị tiết kiệm năng lượng,

Í-

nhưng cũng rất quan tâm đến việc thu hồi năng lượng. Các thiết bị nhỏ (một số ít)

-L

được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng buồng điện hoặc để lưu trữ bộ nhớ trong

ÁN

đồ chơi, máy ảnh, máy ghi hình, điện thoại di động,…[2]

TO

Các công cụ không dây như tua vít và máy cắt điện bằng siêu tụ đã có trên

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

TP

.Q

U Y

N

sáng (Hình I.6).

D

IỄ N

Đ

ÀN

thị trường. Các hệ thống này, sử dụng thiết bị của một vài chục fara, có thể được sạc

đầy hoặc thải ra trong ít hơn 2 phút, đặc biệt phù hợp với các ứng dụng này, với chu kỳ của siêu tụ vượt quá công suất của dụng cụ. Máy bay phản lực A380 của Airbus sử dụng các dãy siêu tụ để mở cửa khẩn cấp. Ứng dụng này rõ ràng là một thị trường thích hợp, nhưng nó là một minh chứng cho thấy công nghệ siêu tụ điện đã trưởng thành về hiệu năng, độ tin cậy và sự an toàn [2]. Ngoài ra, các siêu tụ còn được ứng dụng trong các lĩnh vực: 10 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

- Trong vận tải: xe buýt, xe ôtô, xe điện..

- Tăng cường công suất trong tăng tốc.

N

- Điều chỉnh điện áp vào lưới năng lượng.

H

Ơ

- Hỗ trợ các thiết bị tải điện.

.Q

- Các thiết bị điện trong gia đình.

ẠO

TP

- Các thiết bị tích hợp năng lượng.

Đ

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

Khả năng ứng dụng của các siêu tụ điện so với các thiết bị khác đã được

N

G

chứng minh và thể hiện tính chất phù hợp so với pin và các tụ điện hóa khác.

H Ư

I.2. GIỚI THIỆU VỀ VẬT LIỆU ỨNG DỤNG CHO SIÊU TỤ ĐIỆN

TR ẦN

I.2.1. Vật liệu Carbon

Vật liệu carbon được coi là vật liệu điện cực tiềm năng cho công nghiệp hóa.

10 00

B

Thông thường, vật liệu carbon lưu trữ điện tích chủ yếu trong lớp điện kép được tạo thành tại giao diện giữa điện cực và chất điện phân. Do đó, điện dung chủ yếu phụ

A

thuộc vào diện tích bề mặt có thể tiếp cận được với ion điện phân. Các yếu tố quan

H

Ó

trọng ảnh hưởng đến hiệu suất điện hóa của chúng là diện tích bề mặt cụ thể, sự

Í-

phân bố kích thước lỗ, hình dạng lỗ và cấu trúc, tính dẫn điện, và tính năng bề mặt

-L

[6,7].

ÁN

Carbon là nguyên tố đóng vai trò quan trọng cho sự sống và là nguyên tố cơ

TO

bản của hàng triệu hợp chất hóa học hữu cơ. Trong một nguyên tử carbon, các

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

U Y

N

- Điện dự phòng cho các thiết bị yêu cầu việc nạp/xả nhanh.

D

IỄ N

Đ

ÀN

electron lớp ngoài cùng có thể hình thành nên nhiều kiểu lai hóa khác nhau, do đó khi các nguyên tử này liên kết lại với nhau chúng cũng có khả năng tạo nên nhiều dạng cấu trúc tinh thể như: Cấu trúc tinh thể ba chiều (3D), hai chiều (2D), một chiều (1D) và không chiều (0D). Điều này được thể hiện thông qua sự phong phú về các dạng thù hình của vật liệu carbon là: Kim cương, graphite, graphene, carbon nanotube hay ống carbon, fullerenes.

11 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

Carbon là chất duy nhất có lượng lớn các thù hình và phạm vi phân bố rất rộng. Hầu hết các carbon sử dụng ngày nay là do được sản xuất hoặc được thiết kế các carbon truyền thống. Chúng có cấu trúc vô định hình với sự sắp xếp lôn xộn các

N

cấu trúc vi mô giống nhau đã được tìm ra trong than chì. Các tính chất điện của

H

Ơ

carbon có ảnh hưởng lớn đến tính chất điện của siêu tụ điện. Các tính chất điện của

U Y

N

vật liệu carbon phụ thuộc chính vào cấu trúc của chúng [8].

TP

.Q

carbon được sử dụng làm vật liệu điện cực. Carbon có nhiều lợi thế khi được sử

ẠO

dụng như là chất điện, bao gồm [8]:

Đ

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

- Tính dẫn điện cao

H Ư

N

G

- Diện tích bề mặt lớn

TR ẦN

- Chống ăn mòn tốt - Cấu trúc lỗ xốp đều

10 00

B

- Khả năng xử lý và tính tương thích trong vật liệu tổ hợp (composite) - Chi phí thấp

A

Mức độ điện trở suất và tính dẫn điện chỉ rõ mức độ quan trọng của một điện

H

Ó

cực. Tính dẫn của carbon rắn thì được tăng lên đáng kể tại nhiệt độ cao hơn 700oC

Í-

và tốc độ chậm hơn tại nhiệt độ này. Trong suốt quá trình xử lý nhiệt, các electron

-L

bị tách ra từ các liên kết và trở thành các chất mang điện tích. Hơn nữa, độ dẫn điện

ÁN

tăng như các hệ thống liên hợp riêng kết nối với nhau để tạo thành một mạng dẫn.

TO

Do đó, xử lý nhiệt tăng tính dẫn của carbon bằng cách thay đổi sự hỗn lộn cấu trúc

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

Siêu tụ điện cũng được chia ra thành các loại khác nhau dựa trên vật liệu

D

IỄ N

Đ

ÀN

[8].

Cơ chế lưu trữ được sử dụng bởi vật liệu carbon là lớp điện hóa kép được tạo

thành tại giao diện giữa điện cực và chất điện phân. Do đó, điện dung chủ yếu phụ thuộc vào diện tích bề mặt có thể tiếp cận được với ion điện phân. Các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất điện hóa là diện tích bề mặt cụ thể, hình dạng lỗ xốp và cấu trúc, sự phân bố kích thước lỗ, tính năng bề mặt và độ dẫn điện. Vật liệu carbon có diện tích bề mặt riêng cao dẫn đến khả năng tích lũy điện ở bề mặt điện 12 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

cực và điện phân cao. Khi cải thiện dung tích riêng cho vật liệu carbon, ngoài kích thước lỗ xốp và diện tích bề mặt cụ thể cao, chức năng bề mặt phải được xem xét.

Một số dạng về vật liệu carbon tiềm năng được sử dụng chủ yếu làm vật liệu

Ơ

N

điện cực:

N

H

- Carbon hoạt tính.

TP

- Tấm Carbon (Graphene).

ẠO

Để hiểu rõ hơn về tính chất vật liệu làm điện cực cho siêu tụ, chúng ta sẽ đi

G

Đ

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

sâu hơn về đặc tính của chúng.

H Ư

N

I.2.1.1. Carbon hoạt tính

Vật liệu điện cực được sử dụng rộng rãi nhất là carbon hoạt tính. Do diện

TR ẦN

tích bề mặt lớn, tính chất điện tốt và chi phí vừa phải. Carbon hoạt tính có thể được sản xuất bằng cách kích hoạt vật lý hoặc hoá học từ các loại vật liệu carbon khác

B

nhau (ví dụ: gỗ, vỏ than ...). Kích hoạt vật lý liên quan đến việc xử lý carbon tiền

10 00

thân ở nhiệt độ cao (700-1200oC) với sự có mặt của các khí oxy hóa như hơi nước,

A

CO2 và không khí. Trong trường hợp kích hoạt hóa học, nó được thực hiện ở nhiệt

Ó

độ thấp hơn (400-700oC) sử dụng các tác nhân kích hoạt như natri hydroxit, kali

Í-

H

hydroxit, kẽm clorua và axit photphoric [8]. Tùy thuộc vào các phương pháp kích

-L

hoạt và các tiền thân carbon, carbon hoạt tính có nhiều đặc tính lý hoá với diện tích

ÁN

bề mặt được phát triển tốt lên đến 3000 m2 / g. Nghiên cứu mở rộng đã được tiến

TO

hành để phát triển cấu trúc xốp. Kích thước lỗ nhỏ của vật liệu carbon dẫn đến các

ÀN

vùng bề mặt cụ thể lớn. Tuy nhiên, ở một kích cỡ lỗ nhất định, kích thước bề mặt

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

.Q

U Y

- Ống nano carbon.

D

IỄ N

Đ

hiệu quả của lớp kép được tối đa hóa trong khi duy trì sự trao đổi ion tối ưu với chất điện phân [2].

Nhiều nhà nghiên cứu đã kiểm tra mối quan hệ giữa điện dung riêng và diện tích bề mặt riêng của carbon hoạt tính và có vẻ như có sự khác biệt giữa chúng. Có một diện tích bề mặt riêng cao khoảng 3000 m2/g, một điện dung tương đối nhỏ đã thu được. Điều này cho thấy không phải tất cả các lỗ xốp đều có hiệu quả trong quá 13 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

trình tích tụ. Do đó, mặc dù diện tích bề mặt riêng trong siêu tụ là một tham số quan trọng đối với hiệu suất, nhưng một số khía cạnh khác cũng được xem xét trong các vật liệu carbon ảnh hưởng đến hiệu suất điện hóa đến mức phân bố kích thước lỗ

N

xốp. Ngoài ra, quá trình kích hoạt quá mức dẫn đến kích thước lỗ xốp lớn, dẫn đến

Ơ

những nhược điểm như độ dẫn điện, mật độ năng lượng thấp.. Các vật liệu carbon

N

H

xốp này có tác dụng khi được sử dụng kết hợp với các vật liệu carbon khác. Sự kết

.Q

graphene, ống nano carbon (CNTs), và các sợi nano carbon (CNFs). Có thể cải

TP

thiện hiệu suất điện dung dựa hoàn toàn trên nguyên tắc lớp điện hóa kép . Các

ẠO

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

composite từ vật liệu carbon đã được chuẩn bị cho điện cực siêu tụ điện.

G

Đ

I.2.1.2. Ống carbon (CNTs)

H Ư

N

Với sự phát hiện của CNTs đã có một tiến bộ đáng kể trong khoa học và kỹ thuật của vật liệu carbon. Yếu tố quyết định mật độ công suất trong siêu tụ là độ bền

TR ẦN

tổng thể của các bộ phận. Rất nhiều sự chú ý đến CNTs như là vật liệu điện cực siêu tụ vì cấu trúc lỗ rỗng độc nhất của nó, ổn định cơ khí và nhiệt tốt và các tính chất

10 00

B

điện cao cấp. Các ống nano carbon được sản xuất thông qua sự phân hủy xúc tác của một số hydrocarbon, có thể tạo ra các cấu trúc nano trong các cấu hình khác

A

nhau và cũng có thể kiểm soát cấu trúc tinh thể của chúng. Ống nano carbon không

H

Ó

giống các điện cực carbon khác, có các lỗ xốp kết nối với nhau, hoạt động linh hoạt

Í-

trong cả chất lỏng điện phân và chất điện phân gel, điều này cho phép phân phối

-L

điện liên tục sử dụng hầu hết tất cả các bề mặt có thể tiếp cận. CNTs có thể được

ÁN

phủ trực tiếp lên các bề mặt linh hoạt không dẫn điện (màng nhựa, giấy cellulose và

TO

giấy văn phòng) như là điện cực hiện tại và bộ thu dòng, hoặc các chất nền dẫn điện

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

U Y

hợp giữa vật liệu carbon xốp và các hạt nano được gọi là nano carbon, như

ÀN

mềm dẻo (ví dụ, các màng plastic tráng phủ kim loại) làm vật liệu điện cực [9].

D

IỄ N

Đ

CNTs có một điện trở kháng tương đương thấp hơn than hoạt tính vì các ion điện phân có thể khuếch tán vào mạng xốp.

CNTs có thể được phân loại như các ống nano carbon đơn tường hoặc các

ống nano carbon nhiều tường, cả hai đều được khám phá như các vật liệu điện cực siêu tụ . Khi nói đến vật liệu điện cực cao, CNTs được nhắc đến do tính dẫn điện tốt và diện tích bề mặt dễ tiếp cận. Ngoài ra, chúng còn cung cấp hỗ trợ tốt cho các vật 14 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

liệu hoạt động do khả năng phục hồi cơ học cao và mạng lưới ống mở. Nói chung, CNTs có diện tích bề mặt nhỏ (<500 m2/g), dẫn tới mật độ năng lượng thấp so với than hoạt tính. CNTs có thể được kích hoạt hóa học bằng kali hydroxit, để cải thiện

N

dung riêng của nó. Phương pháp trên có thể dẫn đến sự gia tăng diện tích bề mặt của

H

Ơ

CNTs (gấp hai lần đến ba lần) và vẫn duy trì hình thái nano.

U Y

N

Để cải thiện hơn nữa hiệu năng của các siêu tụ dựa trên CNTs nguyên sơ, sự

TP

.Q

đã được sử dụng để tạo ra các giả tụ hóa cho các siêu tụ điện linh hoạt. Các điện cực dựa trên CNTs phân tán ngẫu nhiên có điện trở cao và cấu trúc lỗ rỗng phức tạp làm

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

cho vận chuyển ion chậm. Không giống như các mạng CNTs ngẫu nhiên, CNTs

G

Đ

thẳng đứng (VA-CNTs) có thể tạo ra một cấu trúc xốp thẳng đứng với khoảng cách

H Ư

N

giữa các ống tương đối rõ ràng để tạo ra một bề mặt tiếp xúc với điện phân lớn hơn để lưu trữ và phân phối điện tích hiệu quả. Mô phỏng lý thuyết và thí nghiệm đã

TR ẦN

chứng minh rằng các siêu tụ điện dựa trên VA-CNTs thể hiện năng suất cao hơn (khả năng thải 50% năng lượng lưu trữ của nó trong khoảng dưới 0,76 ms) so với

10 00

B

các siêu tụ điện dựa trên các mạng CNTs ngẫu nhiên [9].

I.2.1.3. Tấm Carbon (Graphene)

Ó

A

Tiếp nối quả bóng Fullerene C60 và ống nano, sự ra đời của graphene thuộc

H

họ carbon mang đến cộng đồng nghiên cứu khoa học một tiến bộ mới và vật liệu

-L

Í-

này như là một niềm hy vọng lớn cho vật liệu tiên tiến trong tương lai. Graphene là vật liệu carbon có hình dạng mạng lưới lục giác nối kết các nguyên tố carbon giống

TO

ÁN

tổ ong và có độ dày của một nguyên tử carbon, vì vậy graphene là vật liệu 2 chiều

D

IỄ N

Đ

ÀN

(2D) [10].

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

kết hợp các hợp chất CNTs với các oxit kim loại chuyển tiếp hoặc các polyme dẫn

Chất liệu mới này có một số tính chất độc nhất vô nhị, khiến nó thật hấp dẫn

cho các nghiên cứu cơ bản lẫn các ứng dụng trong tương lai. Các tính chất điện tử của chất liệu 2D này dẫn tới, chẳng hạn, một hiệu ứng Hall lượng tử dị thường. Nó là một chất dẫn điện trong suốt mỏng một nguyên tử [11].

15 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

I.2.1.3.1. Cấu tạo của Graphene Thực chất, graphene đã được nghiên cứu về mặt lý thuyết như một ví dụ về các tính trạng thái vật lý của chất rắn trong năm 1947 bởi P.R.Wallace. Ông đã dự

H

Ơ

phương trình sóng kích thích năm 1956 của J.W. McClure và phương trình Dirac

N

đoán cấu trúc điện tử là giải thích mối quan hệ phân tán tuyến tính. Ngoài ra,

U Y

N

được thảo luận bởi G.W. Semenoff năm 1984 cũng đã đề cập đến song người ta tin

TP

.Q

Đến năm 2004, Andre Geim và Konstantin Novoselve chứng minh bằng phương pháp đơn giản (tách bóc cơ học bằng băng dính) có thể thu graphene đơn lớp mà

ẠO

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

trước đó người ta chỉ có thể tạo ra một khối nhỏ hơn 100 nguyên tử C và đó học đã

Hình 1.8: Cấu tạo của graphene

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

được giải Nobel (năm 2010) về vấn đề trên [12].

ÁN

Graphene là một lớp carbon hợp thành một mạng hình lục giác (kiểu tổ ong), với khoảng cách carbon-carbon là 0,142 nm. Nó là chất liệu kết tinh hai chiều thật

TO

sự đầu tiên và nó là đại diện của một họ hàng hoàn toàn mới của các chất liệu 2D,

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

rằng không thể cô lập tấm graphene do chúng không tồn tại ở điều kiện môi trường.

D

IỄ N

Đ

ÀN

bao gồm chẳng hạn các đơn lớp Boron-Nitride (BN) và Molybdenum-disulphite (MoS2), cả hai chất đều được chế tạo sau năm 2004. Thật thú vị khi biết rằng mọi

người dùng bút chì thông thường có khả năng đã từng tạo ra những cấu trúc kiểu graphene mà bản thân chẳng hề hay biết. Bút chì có chứa graphene, và khi nó di chuyển trên một tờ giấy, graphite bị chẻ thành những lớp mỏng bám lên trên giấy, tạo thành chữ viết hay hình vẽ mà chúng ta muốn có. Một tỉ lệ nhỏ trong những lớp mỏng này sẽ chứa chỉ một vài lớp hoặc thậm chí một lớp graphite, tức là graphene.

16 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

Do chỉ có 6 điện tử tạo thành lớp vỏ của nguyên tử carbon nên chỉ có 4 điện tử phân bố ở trạng thái 2s và 2p đóng vai trò quan trọng trong việc liên kết hóa học giữa các nguyên tử với nhau. Các trạng thái 2s và 2p của nguyên tử carbon lai hóa

N

với nhau tạo thành 3 trạng thái sp định hướng trong một mặt phẳng hướng ra 3

H

Ơ

phương tạo với nhau một góc 120o.

U Y

N

Mỗi trạng thái sp của nguyên tử carbon này xen phủ với một trạng thái sp

TP

.Q

vững. Chính các liên kết sigma này quy định cấu trúc mạng tinh thể graphene dưới

ẠO

dạng hình tổ ong và lý giải vì sao graphene rất bền vững về mặt hóa học và trơ về

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

mặt hóa học. Ngoài liên kết sigma, giữa hai nguyên tử carbon lân cận tồn tại một

G

Đ

liên kết pi kém bền vững được hình thành do sự xen phủ của các obital px không bị

H Ư

N

lai hóa với các obital s. Do liên kết pi này yếu và có định hướng không gian vuông góc với các obital sp nên các điện tử tham gia liên kết này rất linh động và quy định

TR ẦN

tính chất điện và quang của graphene [13].

Chế tạo thành công vật liệu hai chiều (2D) là graphene đã bổ xung đầy đủ

10 00

B

hơn về các dạng thù hình tồn tại trước đó của carbon là graphite (3D), ống nano carbon (1D) và fulleurene (0D). Tuy nhiên vật liệu graphene mới tìm ra này lại có

A

những tính chất cơ , nhiệt, quang đặc biệt tốt hơn hẳn các dạng thù hình khác, điều

H

Ó

này mở ra những hướng nghiên cứu đầy tiềm năng hứa hẹn trong tương lai như

Í-

công nghiệp điện tử như tăng tốc chip điện tử, sử dụng trong các vật liệu bán dẫn,

ÁN

-L

vật liệu siêu dẫn,… đặc biệt là trong chế tạo siêu tụ điện.

Graphene được xem là cấu trúc cơ bản của các dạng thù hình khác nhau của

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

carbon như: than chì, ống carbon, fellurene.

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

của nguyên tử carbon khác hình thành một liên kết cộng hóa trị dạng sigma bền

17 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

B

Hình 1.9: Quá trình tạo các dạng thù hình của carbon từ graphene. b) Fellurene

c) Ống carbon

d) Graphite

A

10 00

a) Graphene

H

Ó

I.2.1.3.2. Tính chất của Graphene

-L

Í-

Tính chất điện – điện tử

ÁN

Graphene có độ lịnh động điện tử cao ~ 15.000 cm2/V.s ở nhiệt độ phòng,

TO

trong khi Si ~ 1400 cm2/V.s, ống nano carbon ~ 10.000 cm2/V.s, bán dẫn hữu cơ

D

IỄ N

Đ

ÀN

(polyme, oligomer) < 10 cm2/V.s.

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

Luận Văn Tốt Nghiệp

Điện trở suất của graphene ~ 106 Ω.cm, thấp hơn điện trở suất của bạc (Ag),

là vật chất có điện trở suất thấp nhất ở nhiệt độ phòng [14].

Tính chất nhiệt Độ dẫn nhiệt của vật liệu graphene được đo ở nhiệt độ phòng ~ 5000 W/mK cao hơn các dạng cấu trúc khác của carbon là ống nano carbon, than chì và kim cương. Graphene dẫn nhiệt theo các hướng là như nhau. Khi mà các thiết bị điện tử 18 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

ngày càng được thu nhỏ và mật độ mạch tích hợp ngày càng tăng lên thì yêu cầu tản nhiệt cho các linh kiện ngày càng quan trọng. Với khả năng dẫn nhiệt tốt, graphene hứa hẹn sẽ là một vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng tương lai [15].

Thép

50,2

Nước ở 20oC

0,6

Sợi thủy tinh

0,04

Ơ

TR ẦN

Sắt

79.5

B

Tính chất cơ

10 00

Vật liệu graphene rất cứng, hơn kim cương và cứng hơn 300 lần so với thép.

A

Trong khi tỷ trọng của graphene tương đối nhỏ 0,77 mg/m2.

H

Ó

Tính trong suốt quang học

-L

Í-

Graphene trên thực tế là trong suốt. Trong vùng quang học, nó hấp thụ chỉ 2,3% ánh sáng. Trái với các hệ 2D nhiệt độ thấp xây dựng trên chất bán dẫn,

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

graphene vẫn duy trì các tính chất 2D của nó ở nhiệt độ phòng.

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

205

N

Nhôm

U Y

314

.Q

Vàng

TP

406

ẠO

Bạc

Đ

1000

G

Kim cương

N

5000

H Ư

Graphene

H

Độ dẫn nhiệt (W/mK)

Vật liệu

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

N

Bảng I.1: Thông số về tính dẫn nhiệt của một số vật liệu:

19 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

I.2.1.3.3. Ứng dụng của Graphene Graphene được ứng dụng rộng rãi nhờ trong hầu hết mọi lĩnh vực

Ơ

N

nhờ các tính chất đặc biệt của nó

N

H

trong các lĩnh vực [16]: máy tính

Đ

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

Hình 1.10: Ứng dụng của graphene

N

G

I.2.1.3.4. Phƣơng pháp tổng hợp graphene

H Ư

I.2.1.3.4.1. Phƣơng pháp cơ học:

TR ẦN

Nguyên tắc của phương pháp này là phá hủy lực liên kết Van Der Waals

10 00

carbon ta sẽ thu được graphene.

B

tương đối yếu giữa các lớp graphite để tách thành các lớp mỏng một vài đơn lớp

Để thu được vật liệu graphene, tấm graphite được nghiền thành những mảng

A

nhỏ, sau đó được gắn lên một băng dính, việc này được lặp đi lặp lại nhiều lần

H

Ó

nhằm mục đích chia mỏng những lớp graphite còn lại vài lớp chính là cấu trúc

Í-

graphene. Sau đó những lớp này được chuyển lên bề mặt SiO2 để có thể tiến hành

-L

một số phương pháp xác định độ dày các mảng graphene thông qua độ tương phản

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

của hình ảnh quang học.

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

ẠO

TP

.Q

điện thoại di động,..

U Y

bản, đồng hồ điện tử, pin mặt trời,

20 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

ẠO

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

Hình 1.11: Tách graphene bằng phương pháp cơ học a) Gắn băng dính lên graphite

G

Đ

b) Lớp graphene

H Ư

N

c,d) Lớp graphene trên bề mặt SiO2

TR ẦN

Phương pháp này tồn tại một hạn chế đó là chất lượng màng không đồng đều nên ảnh hưởng đến tính chất điện tử của màng, đồng thời không phù hợp cho yêu

B

cầu tạo những màng graphene diện tích lớn [15].

10 00

I.2.1.3.4.2. Phƣơng pháp hóa học thông qua GO

A

Tổng hợp graphene thông qua Graphene Oxide (GO) đã và đang được chú ý

H

Ó

vì khả năng có thể sản xuất trên quy mô công nghiệp và hiệu quả kinh tế của chúng

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

mang lại. Quá trình này có thể biểu diện bởi sơ đồ sau:

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

Luận Văn Tốt Nghiệp

Sơ đồ 1.1: Quy trình tổng quát tổng hợp graphene Trong nghiên cứu này, chúng tôi không tổng hợp graphene mà chỉ dừng lại ở công đoạn tổng hợp GO và sau đó thực hiện việc loại bỏ các nhóm chức chứa oxy trên bề mặt GO (rGO: reduce Graphene Oxide) với kết hợp oxit kim loại chuyển tiếp để tổng hợp composite là vật liệu để chế tạo điện cực cho siêu tụ điện.

21 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

I.2.1.3.5. Than chì (Graphite) Than chì hay graphite là một dạng thù hình của carbon, là sự sắp xếp của các tấm graphene với nhau. Không giống như kim cương, graphite là một chất dẫn

N

điện và có thể sử dụng, ví dụ như là vật liệu để làm các điện cực của đèn hồ quang,

H

Ơ

tụ điện, siêu tụ.. Trong cấu trúc tinh thể của graphite, mỗi nguyên tử carbon chiếm

U Y

N

hữu một obitan lai hóa sp2. Các obitan lai hóa này liên kết với nhau tạo thành những

TP

.Q

nhau. Các điện tử pi obitan phân bố ngang qua cấu trúc lục giác của nguyên tử carbon góp phần vào tính dẫn điện của graphite. Trong một tấm graphite định

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

hướng, suất dẫn điện theo hướng song song với các tấm này lớn hơn so với suất dẫn

G

Đ

điện theo hướng vuông góc với chúng [10]. Trên cấu trúc của graphite, mỗi lớp

H Ư

N

được gọi là graphene, đây là một dạng thù huỳnh của carbon có cấu trúc 2D.

a

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

b

b) Quặng than chì

ÁN

Hình 1.11: a) Mẫu than chì

TO

Than chì là tập hợp của những lớp graphene và từ lâu người ta đã biết cấu

trúc lớp của nó. Những lớp này giống mạng lưới hình tổ ong được nối với nhau bởi

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

vòng lục giác (tương tự như benzen), chúng gắn kết tạo thành các lớp xếp chồng lền

D

IỄ N

Đ

ÀN

liên kết yếu khiến cho nó có thể trượt lên nhau và tách ra khi có một ngoại lực tác động. Khoảng cách giữa hai lớp graphene trong than chì là 0,34 nm, như vạy cứ 1 mm than chì ta có 3 triệu lớp graphene chồng bám lên nhau. Con người dùng bút

chì đã có vài trăm năm nhưng không ai nghĩ ra động tác viết lên giấy là dùng sức để phá vỡ những liên kết giữa các lớp graphite.

22 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

H Ư

N

Hình 1.12 : Cấu tạo than chì (graphite) Sự liên kết lỏng lẻo giữa các tấm trong graphite đóng góp vào một thuộc tính

TR ẦN

quan trọng trong công nghiệp khác - bột graphite được sử dụng như chất bôi trơn dạng khô. Các nghiên cứu gần đây cho rằng hiệu ứng gọi là siêu nhớt có thể cũng

B

được tính cho hiệu ứng này. Nó thông thường không được sử dụng trong dạng

10 00

nguyên chất như là vật liệu có cấu trúc vì tính dễ vỡ của nó, nhưng các thuộc tính cơ

H

Ó

graphite trong chúng.

A

học của các composite sợi carbon và gang đúc xám chịu ảnh hưởng rất mạnh của

Í-

Graphite cũng được sử dụng như là vỏ bọc (khuôn) và phần điều tiết trong

-L

các lò phản ứng nguyên tử. Thuộc tính cho nơtron đi qua rất ít theo mặt cắt ngang

ÁN

làm cho nó cũng được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân.

TO

Về thuộc tính: Các khoáng chất tự nhiên chứa graphite bao gồm: thạch

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

G

Đ

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

Luận Văn Tốt Nghiệp

D

IỄ N

Đ

ÀN

anh, calcit, mica, thiên thạch chứa sắt và tuamalin.

Các đặc trưng khác: các lớp mỏng graphite là dẻo nhưng không đàn hồi,

khoáng chất này có thể để lại dấu vết màu đen trên tay và giấy, dẫn điện và có độ nhớt cao.

Các khoáng vật thường đi kèm với than chì như thạch anh, canxit, mica, sắt, meterotit và tourmalin. Trung Quốc là một trong những nước sản xuất than chì lớn 23 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

trên thế giới, đứng sau là Ấn Độ và Brazil. Graphit có phổ biến ở New York và Texas (Mỹ).

Ơ

chất bôi trơn, tự bôi trơn và khô của chúng. Tính chất bôi trơn của graphite chỉ là do

N

Về ứng dụng: Graphite có giá trị trong các ứng dụng công nghiệp cho tính

N

H

sự liên kết giữa các lớp mỏng trong cấu trúc. Tuy nhiên, nó đã được chỉ ra rằng

U Y

trong môi trường chân không (như trong công nghệ sử dụng trong không gian),

TP

thuyết rằng sự bôi trơn là do sự hiện diện chất lỏng giữa các lớp, chẳng hạn như

ẠO

không khí và nước, được hấp thụ tự nhiên từ môi trường. Giả thuyết này đã bị bác

Đ

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

bỏ bởi các nghiên cứu cho thấy không khí và nước không bị hấp thụ. Việc sử dụng

G

graphite bị hạn chế bởi khuynh hướng tạo ra sự ăn mòn rỗ trong một số thép không

H Ư

N

gỉ và để thúc đẩy sự ăn mòn điện giữa các kim loại khác nhau (do độ dẫn điện của nó). Nó cũng ăn mòn với nhôm khi có sự ẩm ướt. Vì lý do này. Không lực Hoa Kỳ

TR ẦN

đã cấm sử dụng nó như một chất bôi trơn trong máy bay nhôm và không khuyến khích sử dụng nó trong các vũ khí tự động chứa nhôm. Ngay cả bút chì graphite

10 00

B

đánh dấu trên các bộ phận bằng nhôm cũng có thể gây ăn mòn. Một chất bôi trơn boron lục giác lục giác có độ nhớt cao khác, có cùng cấu trúc phân tử như graphite.

Ó

A

Nó đôi khi được gọi là graphite trắng, do tính chất tương tự của nó [11].

H

Khi một số lượng lớn tinh thể khuyết tật kết nối các mặt phẳng này lại với

-L

Í-

nhau, than chì sẽ mất đi tính chất bôi trơn và trở thành than chì pyrolytic. Nó cũng

ÁN

rất đẳng hướng, và có độ từ, do đó nó sẽ ở giữa không khí phía trên một nam châm

TO

mạnh. Nếu nó được làm ở tầng sôi ở nhiệt độ 1000-1300 ° C, nó được sử dụng trong các thiết bị tiếp xúc với máu như van tim cơ học và được gọi là carbon

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

.Q

graphite tính bôi trơn giảm, do điều kiện thiếu oxy. Nghiên cứu này đã dẫn đến giả

D

IỄ N

Đ

ÀN

pyrolytic, và không có từ trường. Graphite Pyrelytic và Pyrelytic Carbon thường bị lẫn lộn nhưng là những vật liệu rất khác nhau.

Các graphite tự nhiên và tinh thể thường không được sử dụng ở dạng tinh khiết như các vật liệu cấu trúc, do máy cắt, tính dòn và các tính chất cơ học không nhất quán.

I.2.1.3.6. Vật liệu Graphene oxide (GO) 24 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

I.2.1.3.6.1 Tính chất của Graphene Oxide GO là sản phẩm oxy hóa bằng các tác nhân oxy hóa mạnh, qua đó gắn các nhóm chức có oxy lên trên bề mặt các tấm graphene nằm trong cấu trúc graphite

N

như: carbonyl, carboxyl, hydroxi,… Các nhóm chức này giúp GO dễ dàng phân tán

H

Ơ

trong nước do có các nhóm phân cực dễ dàng tạo liên kết hydro với nước và làm gia

U Y

N

tăng khoảng cách giữa các lớp GO. Đây là một lợi ích lớn khi kết hợp vật liệu với

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

TP

chất của chúng.

Hình 1.13 : Cấu tạo của graphene oxide

Ó

A

Đối với độ dẫn điện, GO hoạt động như một chất cách điện, do sự xáo trộn

H

của các mạng liên kết sp2. Điều quan trọng là phải loại bỏ các nhóm chức chứa oxy

-L

Í-

(giảm cấp) của graphene oxide để phục hồi mạng lưới lục giác graphene có tổ ong,

ÁN

nhằm khôi phục độ dẫn điện.

TO

Sau khi một số lượng lớn các nhóm chức oxy đã được loại bỏ, không dễ để

ÀN

phân tán các rGO, bởi vì vật liệu này có xu hướng dễ tập hợp lại với nhau thành

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

.Q

ma trận polymer hoặc gốm hoặc tạo vật liệu tổ hợp (composite) để tăng cường tính

D

IỄ N

Đ

khối.

Graphene oxide có thể được sử dụng như một chất trung gian trong việc sản

xuất tấm graphene lớp đơn hoặc vài lớp graphene. Để đạt được điều này, cần phải phát triển quá trình oxy hoá và giảm cấp có thể cô lập các lớp carbon và tách ra mà không thay đổi cấu trúc [17].

I.2.1.3.6.2. Tổng hợp Graphene Oxide (GO) 25 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

GO được tổng hợp bằng cách dùng tác nhân oxy hóa thường là sử dụng H2SO4, HNO3 và KMnO4 oxy hóa bột graphite theo ba phương pháp sau: phương pháp Schafhaeutl (1840), phương pháp Brodie (1859), và cuối cùng là phương pháp

N

Hummers (1958) [16].

H

Ơ

- Phương pháp Schalhaeutl: Nhà khoa học người Đức, Schafhaeut đã dùng

U Y

N

axit hoặc bazơ chen vào giữa các lớp của graphite, sau đó tách chúng ra bằng H2SO4

TP

Kali (và các kim loại kiềm khác), các loại muối fluoride, các kim loại chuyển tiếp và các hợp chất hữu cơ khác nhau. Kết quả của quá trình này là cấu trúc xếp chồng

Đ

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

các lớp của graphite vẫn được giữ lại, nhưng số lớp đã giảm đi đáng kể trong một

G

khối.

H Ư

N

- Phương pháp Brodie: Nhà hóa học người Anh đã biến đổi phương pháp của Schafhaeutl trong nỗ lực xác định trọng lượng phân tử của graphite bằng axit mạnh

TR ẦN

(H2SO4 và HNO3) cúng như chất oxi hóa mạnh (KClO3). Kết quả đáng bất ngờ, không chỉ chen tách các lớp graphite mà còn oxy hóa bề mặt chúng tạo thành GO.

10 00

B

Phương pháp đã tạo một bước ngoặc tạo ra nhiều giá trị khác nhau bao gồm việc chuẩn bị GO và các vật liệu tương tự, cũng như việc chuẩn bị rGO.. là chất oxy hóa

Ó

A

trong phản ứng tổng hợp.

H

- Phương pháp Hummer: Năm 1958 Hummer và các cộng sự đã tìm ra một

-L

Í-

phương pháp mới dựa trên những ý tưởng trên giúp oxi hóa mạnh graphite hiệu quả

ÁN

hơn. KMnO4 phản ứng với H2SO4 đậm đặc tạo thành Mn2O7 là một chất oxi hóa mạnh hoạt tính cao, và sự oxi hóa có tính chọn lọc hơn, điều này quan trọng đối với

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

cấu trúc graphite và các phản ứng xảy ra suốt quá trinh oxi hóa.

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

.Q

và HNO3. Từ đó, đã có nhiều tác nhân chen và tách graphite được sử dụng như:

Trong phương pháp Hummers được dụng khá phổ biến tuy nhiên việc sử

dụng cũng gặp một số hạn chế là sự phóng thích khí NO2 gây độc hại nên đã có nghiên cứu tổng hợp GO bằng việc sử dụng hổn hợp H3PO4 và H2SO4 và cũng là phương pháp được dùng trong nghiên cứu này. Kết quả nghiên cứu cho thấy GO tổng hợp từ phương pháp này có độ oxi hóa và cấu trúc tương tự GO tổng hợp từ phương pháp Hummer cổ điển.

26 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

I.2.1.3.7. Reduced Graphene Oxide (rGO) rGO là là sản phẩm quá trình loại bỏ các nhóm chứa oxy trên bề mặt của GO (giảm cấp) nhằm mục đích thay đổi tính chất của GO và khôi phục bề mặt của

H

Ơ

N

graphene bởi tác nhân nhiệt độ trong các lò vi sóng phá mẫu.

H Ư

N

Tính chất của rGO được đánh giá gần với graphene như: có khả năng dẫn

TR ẦN

điện, dẫn nhiệt, phân tán kém trong nước và là nguyên liệu ứng dụng trong cho siêu tụ điện.

B

I.2.2. Oxit/hydroxit kim loại

10 00

Để cải thiện điện dung đặc trưng và mật độ năng lượng, các oxit/hydroxit

A

kim loại chuyển tiếp đang được nghiên cứu như là vật liệu thay thế cho các điện cực

Ó

tụ siêu. Các oxit/hydroxit kim loại điều tra bao gồm Ni(OH)2, NiO, Co(OH)2,

Í-

H

Co2O3, vv. Đặc biệt, một số oxit kim loại cho giả điện dung tuyệt vời. Không giống

-L

như một pin lithium, trong đó các ion được làm tăng lên rất nhiều trong lưới vật

ÁN

liệu, giả điện dung là có nguồn gốc từ các ion bề mặt yếu gắn liền. Các nhóm chức

TO

năng bề mặt, các khiếm khuyết và các ranh giới hạt như là các trung tâm oxy hóa –

D

IỄ N

Đ

ÀN

khử cho các phản ứng lưu trữ điện tích [18]

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

G

Hình 1.14: Quá trình giảm cấp GO

Đ

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

TP

.Q

U Y

N

GO

Khi tăng tốc độ điện thế quét lên điện cực oxit kim loại, chỉ có 23% điện

dung được giữ lại. Do đó, oxit/hydroxit kim loại có thể không được sử dụng một mình như các điện cực của siêu tụ, do những hạn chế sau đây: - Độ dẫn điện của hầu hết các oxit kim loại trừ RuO2 rất thấp. Điện trở suất cao của các oxit kim loại làm tăng cả điện trở của tấm và điện trở truyền tải của điện

27 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

cực và đặc biệt gây ra sự mất nhiệt lớn ở mật độ dòng cao. Do đó mật độ năng lượng gây cản trở việc ứng dụng thực tế.

- Sức căng trong oxit/hydroxit kim loại tinh khiết trong quá trình xả nạp gây

Ơ

N

ra sự nứt của điện cực, dẫn đến sự ổn định lâu dài kém.

N

H

- Khu vực bề mặt, sự phân bố của lỗ rỗng cũng như kích thước lỗ rỗng rất

.Q

Từ đó, phát triển một điện cực composite chứa cả carbon và oxit kim loại

TP

chuyển tiếp như là điện cực siêu tụ điện, kết hợp các giá trị và giảm thiểu những

ẠO

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

thiếu sót của cả hai thành phần.

G

Đ

I.2.3. Polymer dẫn điện

H Ư

N

Polymer dẫn điện là hợp chất hữu cơ có phân tử được cấu tạo từ các vòng

TR ẦN

benzen, trong đó các liên kết đơn C-C và đôi C=C của các nguyên tử carbon luân phiên tiếp nhau. Các tính chất cơ bản trong đó có khả năng dẫn điện của polymer dẫn đều có nguồn gốc từ những liên kết đôi (liên kết π). Về phân loại, polymer dẫn

10 00

B

được chia thành:

- Các polymer dẫn điện tử: Polymer dẫn điện tử tồn tại mạch carbon có nối

Ó

A

đôi liên hợp nằm dọc theo chuỗi polymer và quá trình dẫn điện ở đây là sự chuyển

Í-

H

động dọc theo chuỗi polymer nhờ tính linh động của điện tử π, hoặc điện tử có thể Một số polymer dẫn

-L

chuyển từ chuỗi polymer này sang chuỗi polymer khác.

ÁN

điện tử như: Polyacetylene (PA), Polypyrrole (PPy), Polythiophene (PT),

TO

Polyaniline (PAn), Polypara-phenylene (PPP),…

ÀN

- Các polymer trao đổi ion: Polymer trao đổi ion là polymer chứa các cấu tử

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

U Y

khó để điều chỉnh trong oxit/hydroxit kim loại.

D

IỄ N

Đ

có hoạt tính oxy hóa khử liên kết với màng polymer dẫn ion, trong trường hợp này cấu tử có hoạt tính có điện tích trái dấu với màng polymer.

Với tính chất đặc biệt của các polymer dẫn, lĩnh vực nghiên cứu về polymer

dẫn điện đã thu hút nhiều nhà nghiên cứu ở nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt trong lĩnh vực năng lượng, sự kết hợp các polymer với nhau hoặc kết hợp giữa polymer

28 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

với các vật liệu khác nhau tạo thành các composite để tạo vật liệu có hoạt tính cao hơn được ứng dụng như vật liệu tiềm năng cho siêu tụ điện [19].

I.2.4. Vật liệu tổ hợp (composite) nền graphene

Ơ

N

Trong thập niên vừa qua, nhiều cực điện cực oxit kim loại carbon đã được

N

H

phát triển bằng cách tích hợp các oxit kim loại vào các cấu trúc nano carbon khác

U Y

nhau bao gồm các hạt nano carbon không biến đổi, các cấu trúc nano một chiều

TP

cũng như kiến trúc nano carbon xốp ba chiều.

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

Trong nghiên cứu này, tổng hợp composite nề graphene giữa rGO và các oxit

Đ

kim loại là vấn đề trọng tâm. Tận dụng tính chất điện tuyệt vời của graphene, việc

N

G

kết hợp gắn các oxit kim loại trên GO tạo thành vật liệu composite làm cho tính

H Ư

chất vật liệu tăng lên nhiều lần: Khả năng lưu trữ điện tích của graphene cũng như

TR ẦN

tạo các điện tích mang điện của oxit kim loại làm cho điện dung siêu tụ tăng lên

B

nhiều lần.

Hình 1.15: Quá trình tạo composite

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

ion kim loại

TO

Trong số các oxit kim loại chuyển tiếp, oxit NiO và Co2O3 dường như là các

ÀN

oxit kim loại đặc biệt hứa hẹn cho ứng dụng trong các tụ siêu tụ vì điện dung lý

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

.Q

(ống nano carbon và nano carbon), hai chiều (graphene và graphene oxide giảm )

D

IỄ N

Đ

thuyết cao và quá trình oxy hóa xảy ra dễ dàng [18,19].

Trong nghiên cứu này tổng hợp 3 loại composite chính: - rGO/Co2O3,NiO - rGO/Co2O3 - rGO/NiO

29 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial

www.twitter.com/daykemquynhon https://plus.google.com/+DạyKèmQuyNhơn

www.facebook.com/daykem.quynhon www.daykemquynhon.blogspot.com

Luận Văn Tốt Nghiệp

GVHD: Nguyễn Văn Hòa

Diễn đàn hỗ trợ giáo dục : Đ/C 1000B Trần Hưng Đạo Tp Quy Nhơn Người sáng lập : Nguyễn Thanh Tuấn - Chủ quản tài nguyên : Nguyễn Thanh Tú

D

IỄ N

Đ

ÀN

TO

ÁN

-L

Í-

H

Ó

A

10 00

B

TR ẦN

H Ư

N

G

Đ

www.daykemquynhon.ucoz.com MailBox : nguyenthanhtuteacher@hotmail.com

ẠO

TP

.Q

U Y

N

H

Ơ

N

Các vật liệu composite này hứa hẹn là vật liệu phù hợp cho các siêu tụ điện.

30 | P a g e

SVTH: Võ Xuân Đại

Giới thiệu trích đoạn bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

55134259

www.facebook.com/daykemquynhonofficial www.facebook.com/boiduonghoahocquynhonofficial