Bài báo cáo thực tập công nghệ điện hóa

- Ăn mòn điện hóa học là một hiện tượng xảy ra do sự phá hủy kim loại khi hợp kim tiếp xúc với những dung dịch chất điện li để tạo nên dòng điện.. Thực chất, ăn mòn điện hóa học chính xá

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Bài 1: Xác định điện trở phân cực và tốc độ dòng ăn mòn:

I Ăn mòn điện hóa là gì? Phân loại?

- Ăn mòn điện hóa học là một hiện tượng xảy ra do sự phá hủy kim loại khi hợp kim tiếp xúc với những dung dịch chất điện li để tạo nên dòng điện Thực chất, ăn mòn điện hóa học chính xác là quá trình oxy hóa khử, trong đó các kim loại bị ăn mòn bởi tác dụng của các dung dịch chất điện ly và tạo nên dòng electron chuyển dời từ cực âm sang cực dương

- Còn trên thực tế, hiện tượng ăn mòn điện hóa thường xảy ra khi cặp kim loại hay hợp kim

để bên ngoài không khí ẩm, hoặc chúng được nhúng vào dung dịch axit, dung dịch muỗi hoặc trong nước không nguyên chất

- Phân loại:

Điều kiện xảy ra ăn mòn Thường xảy ra ở những thiết

bị lò đốt hoặc những thiết bị thường xuyên phải tiếp xúc với hơi nước và khí oxi

• Các điện cực cần phải khác nhau về bản chất, có thể là cặp hai kim loại khác nhau hoặc cặp kim loại với phi kim

• Các điện cực cần phải tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp với nhau qua dây dẫn

• Các điện cực cùng tiếp xúc với một dung dịch chất điện li sẽ dẫn đến hiện tượng ăn mòn điện hóa kim loại

hơi nước, khí oxi thường xảy

3Fe + 4H2O →Fe3O4 + 4H2↑

3Fe + 2O2 → Fe3O4

Sự ăn mòn điện hóa một vật bằng gang (hợp kim Fe - C)(hoặc thép) trong môi trường không khí ẩm có hòa tan khí CO2, SO2, O2 sẽ tạo

ra một lớp dung dịch điện li phủ bên ngoài kim loại

- Tinh thế Fe (cực âm), tinh

thể C là cực dương

Ở cực dương: xảy ra phản ứng khử:

Bản chất của ăn mòn Là quá trình oxi hóa - khử,

trong đó các electron của kim loại được chuyển trực tiếp đến các chất trong môi trường, ăn mòn xảy ra chậm

Là sự ăn mòn kim loại do tác dụng của dung dịch chất điện

li và tạo nên dòng điện Mòn điện hóa xảy ra nhanh hơn ăn mòn hóa học

II Thép CT3 và inox 316L

1 Thép CT3

- Thép CT3 là loại thép cacbon thông thường, có hàm lượng cacbon vào khoảng 0.14 – 0.22%

- Ngoài ra trong thành phần của thép CT3 còn có một số thành phần khác là: Si, Mn, Ni, S,

P, Cr, Cu, As, Ac1, Ac3, Ar3, Ar1.Thường được dùng trong chế tạo chi tiết máy, khuôn mẫu

- 50 mL dung dịch H2SO4 10-3 M từ dung dịch H2SO4 95% Dùng pipet tự động rút 2,8

mL dung dịch H2SO4 95% cho vào bình định mức 50 mL rồi định mức lên bằng nước cất

mài điện cực cho nhẵn bóng loại bỏ lớp ăn mòn từ trước để có thể

đánh giá ăn mòn điện cực tốt nhất

- Khối lượng riêng là: 7,85 g/cm3, đường kính là 0.6cm

Hình 3: Thành phần có trong inox 316L

Hình 4: Inox 316L

2.2.2 Điện cực Inox 316L

- Dùng các giấy nhám lần lượt là P120, P400, P600, P800,

P1000 mài điện cực cho nhẵn bóng loại bỏ lớp ăn mòn từ

trước để có thể đánh giá ăn mòn điện cực tốt nhất

- Khối lượng riêng của inox 316L là 7,98 g/cm3, đường kình

là 1cm

2.3 Tiến hành điện phân

2.3.1 Điện cực thép CT3

- Điện cực thép CT3 được lắp đối diện miếng Platin và gắn thêm

điện cực so sánh (Ag/AgCl) (hệ 3 điện cực)

- Điều chỉnh quét thế trong khoảng từ -250mV đến +250mV và

tốc độ quét thế là 1mV/s

2.3.2 Điện cực Inox 316L

- Hệ gồm miếng platin được đặt đối diện so với điện cực inox

316, gắn thêm 1 điện cực so sánh (Ag/AgCl) và tất cả đều ngập

dưới dung dịch H2SO4 1M

- Hệ được chạy để ghi nhận thế ổn định 30 phút, trong thời gian

30 phút ta ghi nhận tín hiệu OCV và lấy giá trị thế ổn định để

set điểm bắt đầu chạy đầu tiên

IV Kết quả và nhận xét

1 Kết quả

• Tốc độ ăn mòn của điện cực thép CT3:

𝑣𝑐𝑜𝑟𝑟 = 3.15 ∗ 𝑖𝑐𝑜𝑟𝑟∗ 𝐸𝑊

𝑑Với:

- 𝑣𝑐𝑜𝑟𝑟− tốc độ ăn mòn (mm year-1)

- icorr – mật độ dòng ăn mòn (mA/cm2)

- EW – đương lượng gram (g/mol) EWCT3=28 g mol-1

- d –khối lượng riêng kim loại (g cm-3) dCT3 = 7.8 g cm -3

E corr (V) Log icorr log 𝑖̅̅̅̅̅̅̅̅̅̅ 𝑐𝑜𝑟𝑟 Icorr (A/cm2) Vcorr

- Còn vùng tái thụ đọng là khi E tăng mà I giảm →sau đó tăng →tăng xong lại giảm trở lại vùng tái thụ động cụ thể ở đồ thị này là khoảng 1.0V tăng nhưng sau đó giảm tức là đi vào vùng tái thụ động

- Có thể dự đoán kết quả này đến chủ yếu từ 2 lý do: (1) do tay nghề của sinh viên còn hạn chế (2) Do sự oxi hóa không đồng đều của các thành phần trong Inox 316L khiến đường cong phân cực có sự sai lệch so với đường cong 316L chuẩn

2 Nhận xét:

- Qua bài thực tập giúp ta thấy khả năng chịu ăn mòn của INOX 316L là tốt nhất

- Tốc độ ăn mòn của Thép CT3 tăng dần từ môi trường nước đến môi trường acid và muối Vì vậy để giảm tốc độ ăn mòn điện hóa cần tạo ra một lớp bao phủ bề mặt vật liệu để giảm thiểu

tối đa khả năng bị ăn mòn

- Từ hình 8, đồ thị Tafel của ionox 316L bị nhiễu phía đường anode do thời gian đợi ổn định

chưa đủ, thành phần inox 316L còn lẫn tạp chất do mài chưa kỹ

Bài 2: Tổng hợp POLYMER dẫn PANi bằng phương pháp CV và đánh giá

tính chất điện hóa

I Giới thiệu pin PANi :

- Polyaniline là một polymer dẫn điển hình nhờ tính dẫn điện cao, bền vững, ổn định, giá thành thấp, dễ kiểm soát hình thái và độ dày mong muốn PANI đóng vai trò quan trọng trong việc

mở rộng khoảng làm việc và nâng cao độ nhạy của đầu dò

- Polyaniline viết tắt là PANi, là một chất cao phân tử được trùng hợp từ nhiều monomer Aniline Polyaniline có độ bền oxi hóa trong môi trường tự nhiên PANi được xếp vào loại polymer dẫn điện tử (n-doping) khi thực hiện doping để trở nên dẫn điện Chúng được ứng dụng trong vật liệu cảm biến khí như ammonia, cồn

II Quy trình tổng hợp pin PANi

Pin Zn – PANi có cấu tạo gồm anot (Zn), catot (Graphit/PANi), chất dẫn điện (ZnCl2,

Tại anot: 2 PANi (Cl)n + 2n e- → 2 PANi + 2n Cl

-Phản ứng tổng quát xảy ra trong pin là:

cho vào dùng nước cất định mức lên 100 mL sau đó lắc đều

- Pha 50 mL dung dịch anilin 0.1 M từ dung dịch anilin có nồng độ là 10.898 M, rút 0.46

mL dung dịch anilin có nồng độ cao cho vào bình định mức rồi định mức lên 50 mL, sau đó lắc đều

- Pha 50 mL dung dịch anilin 0.1 M tương tự như trên rồi cân thêm 0.15 mg graphene cho vào và lắc đều

- Sau khi pha xong 3 dung dịch thì đem cả 3 dung dịch đi đánh siêu âm 10 phút để đánh tan bọt khí và dung dịch hòa tan tốt nhất

2 Chuẩn bị hệ điện cực

- Quét CV các dung dịch aniline với tốc độ 50 mV/s trong vùng thế −1.7 – 1.7 V (vs Ag/AgCl) trong 20 chu kỳ lần lượt với các điện cực không phủ và có phủ đồng

❖ Lưu ý: điều chỉnh OCP trước khi bắt đầu quét Và đối với các điện cực không có phủ

đế đồng ta lấy thêm miếng giấy nhôm để kẹp vào điện cực để tăng độ dẫn

- Sau khi tổng hợp, trên bề mặt điện cực xuất hiện lớp phủ màu xanh lá đậm

- Sau khi phủ PANi xong, tiếp theo sẽ mang điện cực đi rửa qua ethanol và tiếp tục sấy khô dung môi bằng máy sấy Cuối cùng ta sẽ đem đi đánh giá tính chất hoạt tính của điện cực PANi trong dung dịch H2SO4 1M

- Ở chu kỳ đầu xuất hiện peak anode có thể lý giải rằng là do quá trình oxi hóa Cu (0) thành CuO và biến mất ở các chu kỳ tiếp theo chứng tỏ rằng bề mặt của Cu đã bị oxi hóa thành

Hình 10: Anilin không có để đồng Hình 11: Anilin để đồng

Hình 12: Anilin + Graphene không để đồng Hình 13: Anilin + Graphene để đồng

CuO Bên cạnh đó, từ đồ thị có thể thấy với việc thêm graphene gây hạn chế quá trình oxi hóa-khử của Cu

V Thử tính chất điện hóa của pin PANi trong dung dịch H 2 SO 4

2 Tiến hành thử tính chất điện hóa

Hình 15:Anilin phủ đế đồng với với vận tốc 10mV/s → Are=2.372794808

Hình 14: Anilin – Graphene phủ đế đồng với vận tốc 10mV/s → Are=2.373042984

Hình 18: Anilin – Graphene không phủ

đế đồng với vận tốc 10mV/s → Are=0.058875637

Hình 17: Anilin không phủ đế đồng với vận tốc 25mV/s →

Are=0.06034454

x

Hình 19: Anilin – Graphene không phủ

đế đồng với vận tốc 25mV/s → Are=0.059226281

0.827103237 Hình 20: Anilin có phủ đế đồng với vận tốc 25mV/s → Are=1.594546739

❖ Mẫu 1: Anilin không phủ đế đồng với vận tốc 10mV/s

❖ Mẫu 2: Anilin không phủ đế đồng với vận tốc 25mV/s

❖ Mẫu 3: Anilin phủ đế đồng với vận tốc 10mV/s

❖ Mẫu 4: Anilin phủ đế đồng với vận tốc 25mV/s

❖ Mẫu 5: Anilin - graphene không phủ đế đồng với vận tốc 10mV/s

❖ Mẫu 6: Anilin - graphene không phủ đế đồng với vận tốc 25mV/s

❖ Mẫu 7: Anilin - graphene phủ đế đồng với vận tốc 10mV/s

❖ Mẫu 8: Anilin - graphene phủ đế đồng với vận tốc 25mV/s

- Cách tính điện dung mẫu 1:

- Với cùng diện tích điện cực, PANi được tổng hợp từ dung dịch aniline chứa các chất có graphene

hoặc trên điện cực có phủ đồng (Cu) (đây đều là những chất mang tính dẫn điện)→ điện dung

riêng tăng lên rất nhiều

- Khi pha tạp them graphene vào trong quá trình tổng hơp ta mong muốn sẽ tăng được điện dung

nhưng trong thực tế giá trị điện dung lại hầu như không khác so với không có graphene Do cấu

trúc đặc kín của PANi làm cho graphene không vào được bên trong các lỗ trống làm cho không

tăng được điện dung

VI Kết luận:

- Thông qua bài thực tập bằng các cánh tổng hợp polymer dẫn PANi khác nhau, cho thấy khi tổng

hợp polymer dẫn bổ sung thêm các chất dẫn điện giúp gia tăng khả năng tích điện

- Với việc tổng hợp PANi có sự hỗ trợ của lớp phủ Cu cho thấy tiềm năng ứng dụng như một vật

liệu điện cực, và graphene làm gia tăng thời gian sử dụng lớp phủ Cu trên bề mặt điện cực

Bài 3 Tổng hợp MnO2

I Giới thiệu MnO 2

- Mangan (IV) oxit, thường gọi là mangan đioxit là một hợp chất vô cơ có công thức hóa học là MnO2 Hợp chất này là một chất rắn có màu đen hoặc nâu này tồn tại trong tự nhiên dưới dạng khoáng sản pyrolusit, cũng là một quặng chính của kim loại mangan Hợp chất này được sử dụng chủ yếu để chế tạo các loại pin tế bào khô, mà tiêu biểu là pin kiềm vàpin kẽm-cacbon.[1] MnO2 cũng được sử dụng làm chất tạo màu và là tiền thân của các hợp chất mangan khác, chẳng hạn như KMnO4 Nó còn được sử dụng làm chất xúc tác trong tổng hợp hữu cơ, ví dụ, trong quá trình oxy hóa rượu allylic

- Các phản ứng xảy ra ở cathode và anode

• Ở cathode: Mn2+ + H2O → MnO2 + 4H+ + 2e

-• Ở anode: 2H+ + 2e- → H2

II Tiến hành thí nghiệm

1 Chuẩn bị dung dịch điện phân

- 250mL Mn(NO3)2 0.3M (pH=1, sử dụng H2SO4)

- 250mL Mn(NO3)2 0.3M và Na2SO4 0.9M (pH=1)

- Sau đó đem đi đánh siêu âm

2 Chuẩn bị điện cực than diện tích 1cm 2

- Mài nhẵn các bề mặt của than chì bằng giấy nhám P600 để loại bỏ phần đã bị oxi hóa và tạp chất sau đó dùng thướt đo kích thướt sao cho diện tích là 1cm2, sau đó dùng băng keo cách điện dán hết các mặt của than chì trừ phần phần diện tích 1cm2, dán tương tự cho 2 điện cực còn lại Ngoài ra dùng than chì đã được mài nhẵn mà không dán keo cách điện

để làm điện cực đối Sau đó đem đi sấy khô và sau đó đem đi cân lấy khối lượng

Hình 22: Điện cực than chì sau khi được mài và dán keo cách điện

❖ Tiến hành điện phân như hình

❖ Điện phân với các mật độ dòng là 2.5 và 5 mA/cm2

trong 30 phút lần lược trong hai dung dịch Mn(NO3)2

0.3M và Mn(NO3)2 0.3M + Na2SO4 0.9M

❖ Lưu ý sau mỗi lần thay đổi dung dịch phải rửa kỹ điện

cực bằng nước cất 2 lần nhiều lần Và sau khi điện phân xong thì phải đi sấy than chì ở 600C đến khối lượng không đổi rồi đem đi cân để tính hiệu suất phản ứng

❖ Sau đó tiến hành đánh giá tính chất điện cực trong

dung dịch Na2SO4 1M và dùng phương pháp quét thế

CV trong vùng thế từ 0-1V, quét thế với tốc độ lần lượt là 10mV/s và 25mV/s trong 3 chu kì

III Nhận xét và giải thích

1 Xác định điện cực trước và sau phản ứng Hiệu suất phản ứng

1.1 Kết quả và tính toán

• Mẫu 1,2: Mn(NO3)2 0.3M pH=1 (H2SO4)

• Mẫu 3,4: Mn(NO3)2 0.3M trong Na2SO4 0.9 M với pH=1 (H2SO4)

Khối lượng ban đầu

Khối lượng thay

đổi theo lý thuyết

1.2 Nhận xét:

- Từ bảng có thể thấy hiệu suất phản ứng không đồng đều và hợp lý so với lý thuyết (vì trên thực tế mật độ điện dòng tăng thì hiệu suất tăng theo) vì vậy chứng tỏ trong quá trình điện phân do không khuấy nên điện cực không được khuếch tán hoàn toàn và ngoài phản ứng của MnO2 còn xảy ra các quá trình điện phân của H2O và H+ tạo ra khí H2.Thực tế cho thấy trong quá trình điện phân trên bề mặt điện cực xuất hiện các bọt khí (hình 2)

𝟐𝑯++ 𝟐𝒆− → 𝑯𝟐 ↑ ; 𝟐𝑯𝟐𝑶 + 𝟐𝒆−→ 𝑯𝟐↑ +𝟐𝑶𝑯−

- Chính các bọt khí sinh ra bám lên lớp màng được tạo và khí sinh ra liên tục làm lôi cuốn

đi sản phẩm vừa mới tạo thành và làm mất đi sản phẩm và từ đó hiệu suất phản ứng cũng

bị mất đi

- Ngoài ra, có thể quá trình sấy của điện cực chưa đủ để nước bốc hơi hoàn toàn và một lượng nhỏ các muối trong dung dịch điện phân bám lên bề mặt điện cực cũng có thể khiến mất hiệu suất

2 Xét tính chất điện hóa:

Hình 23: Mn(NO 3 ) 2 0.3M pH = 1 với mật độ dòng là 2.5mA/cm 2 , tốc độ quét thế là 10mV/s → Are=

9.71624539

Hình 24: Mn(NO 3 ) 2 0.3M pH = 1 với mật độ dòng là 2.5mA/cm 2 , tốc độ quét thế là 25mV/s → Are=

4.623417724

Hình 25: Mn(NO 3 ) 2 0.3M pH = 1 với mật độ dòng là 5mA/cm 2 , tốc độ quét thế là 10mV/s → Are= 2.160332111

Hình 26: Mn(NO 3 ) 2 0.3M pH = 1 với mật độ dòng là 5mA/cm 2 , tốc độ quét thế là 25mV/s → Are= 1.666509152

Hình 27: Mn(NO 3 ) 2 0.3M trong Na 2 SO 4

0.9M với pH = 1 với mật độ dòng là 2.5mA/cm 2 , tốc độ quét thế là 10mV/s

→ Are= 1.86079042

Hình 28: Mn(NO 3 ) 2 0.3M trong Na 2 SO 4

0.9M với pH = 1 với mật độ dòng là 2.5mA/cm 2 , tốc độ quét thế là 25mV/s

→ Are= 1.619071437

Hình 29: Mn(NO 3 ) 2 0.3M trong Na 2 SO 4

0.9M với pH = 1 với mật độ dòng là 5mA/cm 2 , tốc độ quét thế là 10mV/s → Are= 14.78451372

• m: khối lượng vật liệu hoạt điện (gram)

• ∆E – khoảng quét thế (V)

Mẫu 1: Mn(NO3)2 0.3M pH=1 với mật độ dòng là 2.5 mA/cm2, tốc độ quét thế là 10mV/s

Mẫu 2: Mn(NO3)2 0.3M pH=1 với mật độ dòng là 2.5 mA/cm2, tốc độ quét thế là 25mV/s

Mẫu 3: Mn(NO3)2 0.3M pH=1 với mật độ dòng là 5 mA/cm2, tốc độ quét thế là 10mV/s

Mẫu 4: Mn(NO3)2 0.3M pH=1 với mật độ dòng là 5 mA/cm2, tốc độ quét thế là 25 mV/s

Mẫu 5: Mn(NO3)2 0.3M trong Na2SO4 0.9 M với pH=1 với mật độ dòng là 2.5mA/cm2, tốc độ

quét thế là 10mV/s

Hình 30: Mn(NO 3 ) 2 0.3M trong Na 2 SO 4

0.9M với pH = 1 với mật độ dòng là 5mA/cm 2 , tốc độ quét thế là 25mV/s → Are= 7.325910972

Mẫu 6: Mn(NO3)2 0.3M trong Na2SO4 0.9 M với pH=1 với mật độ dòng là 2.5mA/cm2, tốc độ quét thế là 25mV/s

Mẫu 7: Mn(NO3)2 0.3M trong Na2SO4 0.9 M với pH=1 với mật độ dòng là 5 mA/cm2, tốc độ quét thế là 10mV/s

Mẫu 8: Mn(NO3)2 0.3M trong Na2SO4 0.9 M với pH=1 với mật độ dòng là 5 mA/cm2, tốc độ quét thế là 25mV/s

Trong đó:

• Area: giá trị xác định từ Bước 3

• ν: tốc độ quét thế (V/s)

• m: khối lượng vật liệu hoạt điện (gram)

• ∆E: khoảng quét thế (V)

- Tương tự cho các mẫu còn lại

4 Nhận xét:

- Từ bảng 2 nhận thấy khả năng tích điện hay điện dung riêng của: điện cực 4 (10mV/s > 25mV/s) > điện cực 3 (10mV/s > 25mV/s) > điện cực 2 (10mV/s > 25mV/s) > điện cực 1 (10mV/s > 25mV/s)

- Điều này chứng tỏ khi mật độ dòng càng lớn và tốc độ quét thế càng nhỏ thì khả năng tích điện trên điện cực càng tốt.Với các điều kiện về tốc độ quét thế và mật độ dòng là như nhau thì dung dịch điện phân chứa ion Na+ cho điện dung riêng cao hơn nhiều so với dung dịch chứa H+

- Từ 4 điện cực được đo tổng hợp MnO2 trong cùng điều kiện pH= 1, được quét thế từ 0 đến

1 V với cùng diện tích là 1 cm2 ta thấy tổng hợp được khối lượng MnO2 trong dung dịch Mn(NO3)2 và có sự hiện diện Na2SO4 sẽ tổng hợp được ít MnO2 hơn và điện dung cao hơn của điện cực cao hơn Do điện dung cao hơn nên khả năng truyền điện tử kém hơn dẫn tới khả năng tổng hợp MnO2 sẽ ít hơn

- Trong quá trình điện phân, trên điện cực anode có xuất hiện bọt khí, hiên tượng sinh ra bọ khí là do sự điện phân của nước

IV KẾT LUẬN

- Trong bài thực tập này, MnO2 được tổng hợp bằng phương pháp điện phân từ dung dịch