Tổng hợp và nghiên cứu tính chất điện hóa và khả năng khử mặn theo công nghệ điện dung của vật liệu composite TiO2/carbon aerogel

Bài viết tập trung tổng hợp vật liệu composite bằng phương pháp sol-gel, khảo sát tính chất của điện cực làm từ vật liệu TiO2/carbon aerogel nhằm góp phần cung cấp thêm những thông tin mới về phương pháp điều chế vật liệu điện cực, nâng cao hiệu quả lọc nước của hệ thống khử ion điện dung và lưu trữ năng lượng.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Tổng hợp và nghiên cứu tính chất điện hóa và khả năng khử mặn theo công nghệ điện dung của vật liệu composite TiO2/carbon aerogel TẠP CHÍ KHOA HỌC HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF EDUCATION TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH JOURNAL OF SCIENCE Tập 21, Số 2 (2024): 199-209 Vol. 21, No. 2 (2024): 199-209 ISSN: Website: https://journal.hcmue.edu.vn https://doi.org/10.54607/hcmue.js.21.2.3945(2024) 2734-9918 Bài báo nghiên cứu1 TỔNG HỢP VÀ NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN HÓA VÀ KHẢ NĂNG KHỬ MẶN THEO CÔNG NGHỆ ĐIỆN DUNG CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE TiO2/CARBON AEROGEL Huỳnh Cẩm Nhung1, Tô Minh Đại2, Huỳnh Lê Thanh Nguyên2, Nguyễn Thái Hoàng2, Nguyễn Thị Thu Trang1* 1 Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam 2 Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam * Tác giả liên hệ: Nguyễn Thị Thu Trang – Email: thutrang@hcmue.edu.vn Ngày nhận bài: 07-9-2023; ngày nhận bài sửa: 29-11-2023; ngày duyệt đăng: 02-12-2023TÓM TẮT Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến năng suất hoạt động của siêu tụ điện và CDI như: điệncực, chất điện li (loại muối và nồng độ muối); hiệu điện thế sử dụng trong quá trình hoạt động...Trong các yếu tố trên, điện cực là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng trực tiếp nên khả năng khử mặncủa công nghệ CDI. Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành chế tạo vật liệu nano compositeTiO2/carbon aerogel, đồng thời nghiên cứu về tính chất điện hoá và khả năng hấp phụ muối của vậtliệu đã tổng hợp. Vật liệu TiO2 đã tổng hợp bằng phương pháp sol-gel có cấu trúc dạng anatase,kích thước tinh thể khoảng 17,7 nm. Hàm lượng TiO2 càng tăng giúp khả năng lưu trữ năng lượngvà khả năng khử mặn theo công nghệ điện dung CDI tăng lên, điện dung riêng cao nhất 154 F.g-1trong dung dịch NaCl 0,5 M. Bên cạnh đó, khả năng hấp phụ muối SAC đạt được 25 mg.g-1 trongdung dịch NaCl 200 ppm ở 1,4 V. Từ khóa: CDI; siêu tụ điện; sol-gel; TiO2/carbon aerogel1. Giới thiệu Sự phát triển nhanh chóng của các ngành công nghiệp đã kéo theo sự tiêu thụ lượnglớn nguyên liệu hóa thạch dẫn đến tình trạng cạn kiệt, kéo theo các vấn đề kinh tế (giá cảbiến động và chuỗi cung ứng không cân bằng), năng lượng sản xuất và lưu trữ, hoạt độngcông nghiệp và vận chuyển. Hơn nữa, việc tiêu thụ khối lượng lớn nhiên liệu hóa thạch trêntoàn thế giới đã ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường (Gonenc & Scholtens, 2017). Do đó,nhiều nghiên cứu đã xem xét cách hạn chế tiêu thụ tài nguyên hóa thạch băng cách chuyểnsang các nguồn năng lượng tái tạo. Hầu hết các năng lượng tái tạo được cung cấp dưới dạngCite this article as: Huynh Cam Nhung, To Minh Dai, Huynh Le Thanh Nguyen, Nguyen Thai Hoang,& Nguyen Thi Thu Trang (2024). Synthesis and investigation of the electrical characteristics and desalinationpotential of composite TiO2/carbon aerogel materials using capacity technology. Ho Chi Minh City Universityof Education Journal of Science, 21(2), 199-209. 199Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM Huỳnh Cẩm Nhung và tgkđiện. Như vậy, có nhu cầu lớn về một nền tảng kĩ thuật đáng tin cậy để lưu trữ điện hóa, baogồm pin, tế bào nhiên liệu và siêu tụ điện hóa. Theo một phân tích của Tổ chức Dân số Quốc tế (PAI), khoảng 8% dân số thế giớihiện đang bị thiếu nước trầm trọng. Đã có nhiều dự đoán rằng 2 phần 3 dân số thế giới sẽ bịkhan hiếm nước ở 2025 (Hadjer et al., 2005). Gần đây, nhiều nhóm nghiên cứu đã và đangphát triển các quy trình khử muối mới để chuẩn bị cho tình trạng thiếu nước. Quy trình khửmuối thông thường rất phức tạp và tốn kém. Các công nghệ thương mại phổ biến như thẩmthấu ngược (RO), thẩm tách điện (ED), chưng cất nhiệt và chưng cất tro đa tầng đã liên tụcđược phát triển để đạt được khả năng khử mặn hiệu quả cao hơn. Tuy nhiên, mức tiêu thụ nănglượng cao của các công nghệ này có thể khiến chúng không thực sự khả thi cho việc khử muốitrong nước ở các nước đang phát triển tại châu Á, châu Mĩ Latinh và châu Phi… Khả năng cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch và tình trạng xâm nhập mặn, cùng việcsử dụng không kiểm soát nguồn nước tự nhiên đã dẫn đến việc nghiên cứu, phát triển cácthiết bị lưu trữ năng lượng và các phương pháp khử mặn. Những năm qua, siêu tụ điện đãphát triển thành thiết bị lưu trữ năng lượng hiệu suất cao vì sự kết hợp ưu điểm của pin và tụđiện như tuổi thọ cao, công suất cao (Song, 2022). Những tiến bộ gần đây trong siêu tụ điện(Supercapacitor-SC) về mặt vật liệu điện cực giữ tiềm năng đáng kể để lấp đầy khoảng trốnggiữa pin và tụ điện hiện có. Trong khi đó, khử ion điện dung (CDI) được coi là một côngnghệ xử lí nước đầy hứa hẹn với độ bền, tiết kiệm năng lượng và tiết kiệm chi phí, an toàn,thân thiện với môi trường, đặc biệt là khử mặn nước lợ (Shao et al., 2018). Điện trở thấp, điện dung cao, độ dẫn điện tốt của điện cực CDI và siêu tụ điện là nhữngyếu tố cực kì quan trọng để có hiệu suất khử mặn cao và lưu trữ năng lượng tốt. Một trongnhững hướng nghiên cứu trọng tâm hiện nay là thiết kế vật liệu điện cực tự hỗ trợ bằng cáchphát triển trực tiếp các vật liệu oxide kim loại chuyển tiếp (Transitional metal oxides –TMOs) hoạt động trên carbon, kết hợp các ưu điểm và giảm thiểu những thiếu sót của cả haithành phần để hình thành một mạng lưới dẫn điện liên tục bên trong vật liệu composite vàgiảm điện trở do hợp chất kim loại tạo ra. Carbon aerogel đang được xem là vật liệu thíchhợp nhất trong các vật liệu carbon cho quá trình CDI vì có ...