báo cáo phân tích cấu trúc màng ghép mạch bức xạ trong pin nhiên liệu dùng phương pháp tán xạ tia x góc nhỏ

Đề tài:PHÂN TÍCH CẤU TRÚC MÀNG GHÉP MẠCH BỨC XẠ CỦA PIN NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP TÁN XẠ TIA X GÓC NHỎ CBHD: TS.. SỰ THAY ĐỔI CẤU TRÚC LAMELLAR THEO QUY TRÌNH CHẾ TẠO MẪU 3.2.. SỰ

Đề tài:

PHÂN TÍCH CẤU TRÚC MÀNG GHÉP MẠCH BỨC XẠ CỦA PIN NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP

TÁN XẠ TIA X GÓC NHỎ

CBHD: TS Trần Duy Tập CBPB : TS Trịnh Hoa Lăng SVTH : Phạm Minh Hiền KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

PIN NHIÊN LIỆU VÀ NGUYÊN LÝ TÁN XẠ TIA X GÓC NHỎ

1

HÀM TƯƠNG QUAN MỘT CHIỀU CỦA CẤU TRÚC LAMELLAR

2

KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CẤU TRÚC LAMELLAR

3

NỘI DUNG

1.1 PIN NHIÊN LIỆU

1.2 VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÀNG DẪN PROTON

1.3 PHƯƠNG PHÁP GHÉP MẠCH BỨC XẠ

2.2 HÀM TƯƠNG QUAN MỘT CHIỀU CỦA CẤU TRÚC LAMELLAR

1.4 CẤU TRÚC LAMELLAR

1.5 NGUYÊN LÝ ĐO TÁN XẠ TIA X GÓC NHỎ

2.1 CÔNG THỨC TÍNH HÀM TƯƠNG QUAN MỘT CHIỀU VÀ INVARIANT Q

2.3 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC CẤU TRÚC LAMELLAR

3.1 SỰ THAY ĐỔI CẤU TRÚC LAMELLAR THEO QUY TRÌNH CHẾ TẠO MẪU

3.2 SỰ THAY ĐỔI CẤU TRÚC LAMELLAR THEO MỨC ĐỘ GHÉP MẠCH BỨC XẠ

3.3 CÁC VẤN ĐỀ VỀ NGOẠI SUY CẬN TÍNH TÍCH PHÂN

1.1 PIN NHIÊN LIỆU

Anode: 2H 2  4H + + 4e

-Cathode: O 2 + 4H + + 4e -  2H 2 O

Tổng hợp: 2H 2 + O 2  2H 2 O + năng lượng (điện)

VẤN ĐỀ TỒN TẠI

 Độ bền cơ học còn thấp

 Tính dẫn proton bị suy giảm

khi nhiệt độ tăng

MÀNG DẪN PROTON

CHẤT THẢI NHIÊN LIỆU

HYDROGEN

DÒNG ĐIỆN

OXYGEN

CÁC PHẢN ỨNG XẢY RA Ở CÁC ĐIỆN CỰC

Tìm kiếm vật liệu mới chế tạo màng dẫn proton

1.2 VẬT LIỆU CHẾ TẠO MÀNG DẪN PROTON

ETFE-PEM

VẬT LIỆU THƯƠNG MẠI

• GIÁ THÀNH CAO

• HOẠT ĐỘNG Ở NHIỆT ĐỘ

GIỚI HẠN (< 80 0 C)

• KHUẾCH TÁN NHIÊN

LIỆU QUA MÀNG CAO

• QUY TRÌNH TỔNG HỢP

KHÓ KHĂN

HẠN CHẾ CỦA NAFION

VẬT LIỆU ĐANG NGHIÊN CỨU

• GIÁ THÀNH RẺ

• ỔN ĐỊNH Ở NHIỆT ĐỘ CAO,

BỀN VỀ MẶT CƠ HỌC

• MÀNG DỄ TỔNG HỢP BẰNG

PHƯƠNG PHÁP GHÉP MẠCH BỨC XẠ

ƯU ĐIỂM CỦA ETFE-PEM

NAFION

1.3 PHƯƠNG PHÁP GHÉP MẠCH BỨC XẠ

CHIẾU XẠ

Tia 

GỐC TỰ DO

GHÉP MẠCH

Styrene monomer

LƯU HUỲNH HÓA

Sulfonic acid (SO3- )

(2)

(3) (1)

 QUY TRÌNH ĐƠN GIẢN

 CHI PHÍ RẺ

 KIỂM SOÁT ĐƯỢC TÍCH CHẤT

VÀ CẤU TRÚC CỦA MÀNG

ƯU ĐIỂM PHƯƠNG PHÁP GHÉP MẠCH BỨC XẠ

1.4 CẤU TRÚC LAMELLAR

CẤU TRÚC

LAMELLAR

• BIẾN ĐỔI THEO QUY TRÌNH CHẾ TẠO MẪU

Nhóm lamellar

O 2

e

-e

-Anode Cathode

H 2

H 2 O

Màng dẫn proton

e

-e

-W

• TÍNH DẪN PROTON

• TÍNH NGẬM NƯỚC

• TÍNH BỀN VỀ NHIỆT, CƠ HỌC

Ảnh hưởng của cấu trúc lamellar lên màng dẫn proton

ETFE-PEM

Lamellar vô định hình Lamellar tinh thể

d

q





 

4 sin





Kin

Kin

Kout

Tia X tới ()

)

Mẫu

2θ

q = Kout -Kin

Vector tán xạ

A

B

C

D

d



BC sin

AC

DC sin

AC

2 sin

BC CD  d 

Khi hiệu quang trình giữa tia tán xạ

và tia tới bằng 1 lần bước sóng:

2 sin

n = 1,2,3,…



2  : Góc tán xạ

d: là khoảng cách Bragg hay còn gọi là khoảng cách tương quan giữa hai cấu trúc gây ra hiện tượng nhiễu xạ

0

2

in

S





2

out

S





Phương pháp tán xạ tia X góc nhỏ có thể nghiên cứu cấu trúc có kích thước từ 1 nm - 1m

Lưu ý rằng: Phương pháp SAXS được thực hiện dựa trên tán xạ đàn hồi của tia X với điện tử

1.5 THỰC NGHIỆM ĐO TÁN XẠ TIA X GÓC NHỎ

S, S0 là các vector đơn vị Góc < 5 0

10-2 10-1 100 101

10-1

100

101

102

103

104

105

106

-1 )

q (nm-1)

10-1

100

101

102

103

104

105

Graft-ETFE (59%) ETFE-PEM (59%)

-1 )

1 10

100 1000

(3)

(1)

(2)

SPring-8

Cr

Mo

NIMS NIMS

NIMS, Cr

Detector Buồng chứa mẫu

Nguồn tia X

SPring-8 Khay chứa mẫu

Detector 2D

MẪU

q = k s -k i

Chùm tia tới |k i| = 2π/λ

2θ

Chùm tia tán xạ đàn hồi |k s | = |k i |

λ

Góc tán xạ

𝒒 = 𝟒𝝅𝒔𝒊𝒏𝜽

𝝀

(1) Phim ETFE ban đầu

(2) Grafted-ETFE

(3) ETFE-PEM

1.5 THỰC NGHIỆM ĐO TÁN XẠ TIA X GÓC NHỎ (2)

GD = 59%

Đỉnh lamellar

Dãy giá trị q = 0,003 – 3,12 nm -1 Kích thước d = 2 – 1600 nm

q = 0,003 – 0,242 nm -1

q = 0,07 – 3,13 nm -1

 

2

0

2

0

( ) cos( )

( )

r

q I q dq









2.1 CÔNG THỨC TÍNH HÀM TƯƠNG QUAN MỘT CHIỀU

 Q được gọi là cường độ tán xạ tổng cộng

 q: Giá trị vector tán xạ (nm-1)

 I(q): Cường độ tán xạ tuyệt đối (cm-1)

 r: Khoảng cách tương quan của phân bố mật độ điện tử

trong không gian(nm)

Q =

0

∞

𝑞2𝐼 𝑞 𝑑𝑞 ∶ 𝒊𝒏𝒗𝒂𝒓𝒊𝒂𝒏𝒕

2.3 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC CỦA CẤU TRÚC LAMELLAR

L= L a + L c = L c0 + L a0 + 2L i

L = 𝐋𝐌𝐜

L c0 L

a0

c

a

Vô định hình

Tinh thể



r Miền chuyển tiếp

𝐋𝐦

3.2 SỰ THAY ĐỔI CẤU TRÚC LAMELLAR THEO QUY TRÌNH CHẾ TẠO MẪU

Ban đầu

Lamellar tinh thể

Lamellar vô định hình

L

L a

L c

3.2 SỰ THAY ĐỔI CẤU TRÚC LAMELLAR THEO MỨC ĐỘ GHÉP MẠCH BỨC XẠ

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

r (nm)

GD = 4,2%

-0.5

0

0.5

1

1.5

r (nm)

GD = 59%

-0.5

0

0.5

1

1.5

GD = 79%

L

L c0

L a0

L tr

Lamellar vô định hình

Miền chuyển tiếp

Đỉnh mới

3.2 SỰ THAY ĐỔI CẤU TRÚC LAMELLAR THEO MỨC ĐỘ GHÉP MẠCH BỨC XẠ (2)

Giảm dần khi

GD = 4,2-59%

Tăng lên Gần như không thay đổi Giảm đột ngột

L

Lamellar vô định hình + PSSA Lamellar tinh thể + PSSA

L a

L a

L c

L

PSSA: Polystyrene Sulfonic acid

Một phần lamellar tinh thể

bị phá hủy và biến thành lamellar vô định hình

3.3 CÁC VẤN ĐỀ VỀ NGOẠI SUY CẬN TÍNH TÍCH PHÂN

• LOẠI TRỪ THĂNG GIÁNG MẬT ĐỘ ĐIỆN TỬ

• NGOẠI SUY CẬN TRÊN

(PHƯƠNG PHÁP VONK)

I net (q) = I(q) - I B (q)

I B(q) = Fl + bq n

I B (q) = 7.10 -5 q 4 + 0,7029

GD = 19%

Giá trị ngoại suy là q = 8 nm -1

 

2 0

2 0

( )

q I q rq dq

r

q I q dq







 



(a) Ngoại suy cận trên

Ngoại suy cận trên không làm thay đổi cấu

trúc lamellar

q : 0,0033,12 nm -1 Thực nghiệm

(b) Ngoại cận dưới

 Ngoại cận tuyến tính

 Ngoại suy theo mô hình Debye-Bueche

(b) Ngoại cận dưới

Việc ngoại suy cận dưới là không phù hợp với mẫu đang nghiên cứu

Phương trình ngoại suy: 𝐈 𝐪 = 𝐀

𝟏+𝐚𝐜𝟐𝐪𝟐 𝟐 , trong đó A, a c là hằng số

KẾT LUẬN

 L, Lc, La, Lc0, Li, Crystallinity hoàn toàn được xác định

 Cấu trúc lamellar biến đổi theo quy trình chế tạo mẫu:

Chỉ có quá trình ghép mạch bức xạ làm thay đổi cấu trúc lamellarKiểm soát cấu trúc lamellar trong màng dẫn proton qua bước ghép mạch.

• Cấu trúc lamellar biến đổi theo mức độ ghép mạch bức xạ:

Pha cấu trúc mới xuất hiện (miền chuyển tiếp)  Lựa chọn một mức độ ghép mạch hợp lý (59%) để kiểm soát được cấu trúc của màng dẫn proton.

 Kết quả ngoại suy cận tính tích phân:

- Thăng giáng mật độ điện tử cũng như việc ngoại suy giá trị cận trên không gây ảnh hưởng tới hàm 

thay đổi thông tin cấu trúc lamellar

KIẾN NGHỊ

 Tính cấu trúc lamellar từ hàm phân bố mặt tiếp xúc (Interfacial distribution

function)

 Khảo sát sự phân bố của lamellar, cấu trúc lamellar tạo thành từ các nhóm

lamellar (lamellar stacks) và ảnh hưởng của cấu trúc này lên tính chất của màng

 Ngoại suy cận dưới theo phương pháp Guinier và Gaussian Sau đó tiến đến lựa chọn mô hình ngoại suy phù hợp và đánh giá sai số của việc làm khớp

pháp khác (phương pháp suy biến Porod) và so sánh các kết quả này với kết quả thu được từ hàm 