Xem mẫu
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8
SỰ LAI HÓA CỦA GRAPHENE VÀ HKUST-1 (MOF):
ĐIỆN CỰC CHO SIÊU TỤ ĐIỆN HIỆU NĂNG CAO
Ngô Văn Trúc
Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy lợi, email: ngotruc@tlu.edu.vn
1. GIỚI THIỆU CHUNG kết hợp vật liệu graphene với vật liệu khung
hữu cơ kim loại (MOF) để tạo ra một cấu trúc
Sự phát triển của các thiết bị điện tử dự trữ không gian ba chiều, rỗng cao như trong hình 1
năng lượng hiệu quả hơn, nhẹ và linh hoạt, và gồm hai quá trình cơ bản như sau. Quá trình 1:
có thể mặc được đã và đang trở thành một nhu Nghiền cơ học của MOF (HKUST-1) dạng
cầu ngày càng tăng đối với cuộc sống của con kim cương trong graphene oxit (GO- graphene
người. Các siêu tụ điện (supercapacitors) với oxit là dạng dẫn xuất của graphene) - để tạo ra
mật độ công suất cao, tốc độ nạp - xả nhanh, các thanh HKUST-1, đan xen giữa các tấm
độ ổn định cao với tuổi thọ bền đang ngày GO và tạo thành cấu trúc ba chiều. Quá trình
càng thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà 2: Để có thể tạo thành cấu trúc rỗng, năng
khoa học như một dạng thiết bị hữu hiệu thay lượng laser CO2 được sử dụng để chuyển hóa
thế cho các pin truyền thống. Siêu tụ điện dự GO thành graphene với độ dẫn điện tăng lên
trữ năng lượng theo cơ chế hai lớp điện hóa và cấu trúc rỗng cao - tạm gọi là L-rGO, đồng
(EDLs), có ưu điểm là mật độ công suất cao và thời các thanh HKUST-1 đã bị cácbon hóa
thời gian sạc-xả điện tích trội hơn hẳn pin, loại (tạm gọi là C-MOF).
thiết bị hoạt động dựa trên các phản ứng quá
trình ôxy hóa-khử (Faradaic) và được thiết kế
để cung cung mật độ năng lượng cao hơn [1].
Graphene (màng mỏng cấu trúc lục giác
của các bon với kiểu lai hóa sp2) đang rất
được quan cho các ứng dụng làm điện cực
trong các siêu tụ điện, do những tính chất ưu
Hình 1. Sơ đồ các bước thí nghiệm
việt của nó bao gồm độ dẫn điện, nhiệt cao, độ
bền cơ học cao, và khả năng linh động rất cao 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
của các điện tử [2]. Tuy nhiên, sự bám dính
khó tách rời của các tấm graphene do ảnh + Chuẩn bị hóa chất và vật liệu nguồn
hưởng của tương tác π-π giữa các tấm này + Chuẩn bị oxit graphene (GO).
+ Chuẩn bị mẫu GO@HKUST-1 và xử lý
khiến chúng tạo thành cấu trúc giống với than
bằng CO2 laser, làm điện cực siêu tụ điện
(graphite), dẫn đến diện tích bề mặt, giảm độ
+ Các phương pháp đo đạc, kiểm tra tính
rỗng của lớp graphene và do đó làm giảm các chất của vật liệu.
kênh dẫn ion bên trong cấu trúc của chúng, và
khả năng thẩm thấu, sự khuếch tán của các ion 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
chất chất điện ly, và cuối cùng làm chậm các
phản ứng oxy hóa - khử của chất điện ly với 3.1. Cấu trúc và đặc trưng màng
vật liệu hoạt hóa của điện cực [3]. L-rGO-C-MOF tổ hợp ứng dụng làm điện
cực của siêu tụ điện
Trong bài báo này, tác giả đưa ra một
phương pháp đơn giản và có thể giải quyết Hình 2a, b (ảnh từ trên xuống và ảnh mặt cắt
được sự bám dính của các lớp graphene, đó là ngang) của bề mặt màng tổ hợp L-rGO-C-MOF
292
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8
sau khi được xử lý bằng laser có sự thay đổi
đáng kể. Các thanh HKUST-1 bị các bon hóa
và hình thái chuyển từ dạng thanh thành các
hạt cỡ nanomet tạo thành cấu trúc mạng 3
chiều cùng với L-rGO (hình 2b).
Hình 3. Phổ nhiễu xạ tia Rơn ghen, (b) phổ
Raman, (c) phân tích nhiệt L-rGO và L-rGO-
C-MOF và (d) EDAX của L-rGO-C-MOF với
ảnh bên trong là EDAX cuae GO@HKUST-1
Hình 4 tóm tắt các đặc trưng điện hóa của
L-rGO và L-rGO-C-MOF dưới dạng điện
Hình 2. Ảnh SEM của màng tổ hợp L-rGO- dung, đồ thị sạc-xả và tuổi thọ của điện cực.
C-MOF sau khi xử lý bằng laser (a,b) ảnh từ Đường cong CV (cyclic voltammetry) (hình
trên xuống, và (c,d) ảnh mặt cắt ngang của 4a) của L-rGO cho thấy có dạng hình chữ
bề mặt nhật, chỉ ra rằng hành vi điện dung hai lớp lý
Hình 4a cho thấy phổ Rơnghen của L-rGO tưởng (EDLs). Trong khi đó L-rGO-C-MOF
(đường a) với đỉnh nhiễu xạ mạnh ở tại với Cu2O trong cấu trúc giữa các tấm
25,72º, khảng định sự phục hồi của cấu trúc graphene, dự trữ điện tích qua các phản ứng
lai hóa C-sp2 của graphene từ C-sp3 của GO, ôxy hóa khử Faradaic nhanh và thuận nghịch
và sự loại bỏ các nhóm chức chứa ôxy của [4]. Điện cực L-rGO-C-MOF biểu hiện hành
GO dưới tác dụng của năng lượng laser. Một vi điện dung có thể tái lặp và ổn định với tốc
đỉnh nhiễu xạ tại 26,08º trong phổ của độ quét từ 5 tới 100 mV/s như thấy trong
L-rGO-C-MOF cũng khảng định sự phục hồi (hình 4b). Đường cong sạc-xả (CD) của
của cấu trúc graphene từ GO. Ngoài ra, đỉnh L-rGO và L-rGO-C-MOF tại 1 A/g được
nhiễu xạ tại 43,39º và 74,11º khảng định sự minh họa trên (hình 4c), tương ứng. Màng tổ
có mặt cuả Cu2O. hợp L-rGO-C-MOF biểu thị một sự chệnh đi
Kết quả phổ Raman (hình 3b) và phân tích từ hành vi tuyến tính và thời gian sạc-xả lâu
nhiệt (hình 3c), khảng định GO và HKUST-1 hơn so với L-rGO. Lý do có thể là do đóng
sau khi xử lý bằng laser đã được khử và các góp của bản chất của “sự lưu điện hóa” của
bon hóa, và khử thành graphene tương ứng. Cu2O và cấu trúc rỗng của L-rGO-C-MOF.
Phổ EDAX của L-rGO-C-MOF (hình 4d) cho Như thấy từ (hình 4e), điện dung riêng của cả
thấy sự có mặt của ba nguyên tố chính L-rGO và L-rGO-C-MOF đều giảm đáng kể
C (80,75%), O (5,92%) và Cu (13,33%), cho khi tốc độ quét tăng. Điều này xảy ra là do
thấy hiệu quả của việc khử các nhóm chức sự khuếch tán của ion chất điện ly bị cản trở
chứa ôxy của GO và sự phục hồi của cấu tới bề mặt của điện cực từ các lớp kém điện
trúc graphene. hóa ổn định ở tốc độ quét cao.
293
- Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2020. ISBN: 978-604-82-3869-8
4. KẾT LUẬN
Trong nghiên cứu này, tác giả đã trình bày
một phương pháp mới, là sự kết hợp của
MOF (HKUST-1) và graphene để tạo ra cấu
trúc ba chiều ứng dụng cho siêu tụ điện.
Màng tổ hợp cấu trúc 3 chiều được xử lý
bằng CO2 laser đồng thời khử GO thành
graphene và các bon hóa thanh HKUST-1,
dẫn tới diện tích bề mặt riêng, độ dẫn điện, và
độ rỗng cao. Kết quả đạt được từ phép đo
điện hóa, với điện dung đạt giá trị 390F/g tại
tốc độ quét 5mV/s, độ ổn định sạc-xả tại mật
độ dòng diện 10 A/g sau 5000 chu kỳ với
điện dung còn lại rất cao, 97,8%. Hơn nữa,
mật độ năng lượng đạt được 22,3 Wh/kg tại
công suất riêng cao, 8037,5 W/kg.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] C. Hu et al. (2015), Tailored graphene
Hình 4. (a) So sánh đường CV của L-rGO và systems for unconventional applications in
L-rGO-C-MOF, (b) CV của L-rGO-C-MOF energy conversion and storage devices,
Energy Eviron. Sci. 8, pp31-54.
ở các tốc độ quét khác nhau, (c) hành vi sạc-
[2] Y. Zhu et al. (2010), Graphene and
xả của L-rGO-C-MOF và L-rGO tại 1 A/g, graphene oxide: synthesis, properties, and
(d) hành vi sạc-xả của L-rGO-C-MOF ở các applications, Adv. Mater. 22, pp 3906-3924.
mật độ dòng điện khác nhau, (e) so sánh điện [3] T. Kim et al. (2013), Activated graphene-
dung riêng của L-rGO-C-MOF và L-rGO ở based carbons as supercapacitor electrodes
các tốc độ quét khác nhau, và (f) thử độ ổn with macro- and mesopores, ACS Nano 7,
định chu kỳ của điện dung của L-rGO-C- pp 6899-6905.
MOF sau 5000 chu kỳ sạc-xả [4] D, P. et al. (2010), Fabrication of copper
oxide multilayer nanosheets for
Cuối cùng, sự ổn định chu kỳ của điện cực supercapacitors applications, J. Alloy.
L-rGO-C-MOF được thử nghiệm sạc-xả ở Comp 492, pp 26-30.
mật độ dòng điện 10 A/g (hình 4f) cho thấy
độ bền sạc-xả cao với khả năng duy trì 97,8%
sau 5000 chu kỳ.
294
nguon tai.lieu . vn
