đóng
Chọn nơi Mạng
Toàn
Phúc lợi xã hội
Số Duyệt:2361 CỦA:trang web biên tập đăng: 2026-11-09 Nguồn:Site
Chất hoạt động bề mặt có thể thay đổi hình thái tinh thể của oxit kim loại, ức chế sự tiến hóa hydro, ngăn chặn sự phát triển dendrite, giảm ăn mòn và trì hoãn quá trình thụ động điện cực. Nhũ tương được điều chế bằng chất hoạt động bề mặt có thể hoạt động như 'chất phản ứng vi mô' và ngăn chặn sự kết tụ của các hạt nano.
Bài viết này đánh giá tiến độ nghiên cứu liên quan đến việc sử dụng chất hoạt động bề mặt trong việc chuẩn bị vật liệu pin và tái chế pin đã qua sử dụng. Với tình trạng cạn kiệt nguồn năng lượng toàn cầu và suy thoái môi trường, việc phát triển năng lượng mới thân thiện với môi trường đã thu hút được sự chú ý rộng rãi, trong đó các vật liệu năng lượng mới đóng vai trò hướng dẫn và hỗ trợ thiết yếu. Vật liệu pin chủ yếu bao gồm cực âm, cực dương, chất điện phân và chất phân tách, là những thành phần quan trọng để lưu trữ và cung cấp năng lượng điện.
Hiện nay, vật liệu pin đang có xu hướng có kích thước nano. Vật liệu nano có hình thái vi mô độc đáo, khả năng xen kẽ lithium cao, mật độ năng lượng cao và vòng đời dài. Tuy nhiên, những thách thức quan trọng—chẳng hạn như kiểm soát sự kết tụ và kích thước hạt nano, cải thiện diện tích tiếp xúc hạn chế giữa vật liệu điện cực và chất điện phân, cũng như tăng cường khả năng ức chế ăn mòn chất điện phân—tất cả đều yêu cầu sử dụng chất hoạt động bề mặt.
Các phân tử chất hoạt động bề mặt bao gồm các nhóm kỵ nước và ưa nước. Trong dung dịch, chúng có thể tự lắp ráp thành các tập hợp có trật tự như mixen, mixen đảo ngược và túi, đóng vai trò là 'lò phản ứng vi mô' để điều chế các hạt nano. Chất hoạt động bề mặt cũng có thể tạo ra sự liên kết định hướng trên các chất mang, ngăn chặn sự kết tụ của hạt nano, kiểm soát kích thước hạt và cải thiện hiệu suất điện hóa của điện cực. Chất hoạt động bề mặt đã chứng tỏ tính hữu ích quan trọng trong việc chế tạo chất xúc tác pin, tổng hợp vật liệu điện cực, hoạt động như chất ức chế ăn mòn và tái chế pin đã qua sử dụng.
Chất hoạt động bề mặt đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo chất xúc tác cho pin nhiên liệu màng trao đổi ion, chủ yếu thông qua phương pháp vi nhũ. Hệ thống vi nhũ tương được chia thành hệ thống mixen thông thường và hệ thống mixen đảo ngược:
Hệ thống vi nhũ tương Micellar thông thường : Hạn chế chính của chúng là khó tách và tinh chế các hạt khỏi vi nhũ tương và tiêu tốn nhiều thuốc thử trong quá trình xử lý.
Phương pháp mixen ngược : Khi được sử dụng để điều chế chất xúc tác điện cho pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC), các hạt được tổng hợp bằng phương pháp này ít bị kết tụ hơn, có kích thước có thể kiểm soát được và có khả năng phân tán tốt so với các phương pháp hóa học khác. Với thiết bị đơn giản và yêu cầu xử lý, đây là một phương pháp đầy hứa hẹn để điều chế hạt nano.
Chức năng chính của chất hoạt động bề mặt trong điều chế hạt nano thông qua phương pháp mixen đảo bao gồm:
Hình thành hệ thống mixen đảo ngược để kiểm soát kích thước hạt;
Giảm sự kết tụ hạt;
Kiểm soát hình dạng hạt, hình thái tinh thể và các tính chất liên quan.
Các chất hoạt động bề mặt hiện được sử dụng để điều chế vật liệu điện cực chủ yếu bao gồm CTAB, natri 2-ethylhexyl sulfosuccinate, nonylphenol ethoxylate (NPE), ethylene oxit (EO) và propylene oxit (PO) triblock copolyme EO100PO70EO100, P123 (EO20PO70EO20 EO 20PO 70EO 20) , PEO600, Tween-80, Span, Triton X-100, sorbitan monooleate, SDBS, SDS, cyclohexane, muối amoni bậc bốn fluoroalkyl, axit oleic và natri 4-styrenesulfonate.
Các kỹ thuật chuẩn bị phổ biến bao gồm phương pháp chuyển pha, kết tủa, tự lắp ráp, tạo khuôn và sol-gel.
Sử dụng SDBS, CTAB, Triton X-100 và Brij56 [C16H33(OCH2CH2)8H C 16H 33( OCH 2CH 2) 8 H ], MnO2 MnO 2 với các cấu trúc và tính chất điện hóa khác nhau có thể được tổng hợp:
MnO2 MnO 2 được điều chế bằng SDBS làm mẫu cản trở hiệu suất hoạt động của pin;
CTAB chỉ tăng cường một chút hiệu suất đạp xe;
Triton X-100 cung cấp khả năng xả thuận lợi và độ ổn định khi đạp xe;
Sử dụng Brij56 làm chất phụ gia điện phân trong quá trình lắng đọng điện sẽ tạo ra vật liệu catốt MnO2 MnO có kích thước nano 2 với hiệu suất chu kỳ tuyệt vời và khả năng phóng điện cao.
Mỗi loại P123, natri 4-styrenesulfonate, CTAB và hỗn hợp nóng chảy axit oleic/dầu hỏa có thể được sử dụng để điều chế vật liệu làm cực âm của pin lithium:
Mẫu P123 : Các điện cực LiCoO2 LiCoO 2 được điều chế bằng phương pháp sol-gel thể hiện hiệu suất đạp xe tốt với quy trình xử lý đơn giản và chi phí thấp.
Mẫu natri 4-styrenesulfonate : Sử dụng FeCl3 FeCl 3 làm chất oxy hóa tạo ra vật liệu tổng hợp lưu huỳnh-polypyrrole (S-PPy). Khi được sử dụng làm cực âm trong pin Li/S-PPy, khả năng phóng điện và hiệu suất đạp xe được cải thiện đáng kể.
Mẫu CTAB : Vật liệu cực âm LiFePO4 LiFePO được điều chế bằng thủy nhiệt 4 cho thấy khả năng phóng điện tăng lên, giảm chi phí và độc tính thấp hơn.
Hỗn hợp nóng chảy axit oleic và dầu hỏa : LiFePO4 LiFePO 4 kết hợp với hỗn hợp TiO2 TiO 2/ graphit có kích thước nano tạo thành điện cực tổng hợp LiFePO4/TiO2 LiFePO 4/ TiO 2 . So với pin lithium thông thường, nó có mật độ năng lượng thấp hơn nhưng hầu như không bị giảm công suất sau 700 chu kỳ, đạt hiệu suất dòng điện lên tới 100% và mang lại độ bền, chi phí thấp và độ an toàn cao.
Những kết quả này chỉ ra rằng chất hoạt động bề mặt đóng một vai trò quan trọng trong việc điều chế vật liệu catốt, với hệ thống chất hoạt động bề mặt hỗn hợp nóng chảy axit oleic và dầu hỏa mang lại hiệu suất điện cực tổng hợp LiFePO4/TiO2 LiFePO 4/ TiO đặc biệt mạnh 2 .
Chất hoạt động bề mặt không chỉ kiểm soát kích thước hạt và thúc đẩy sự sắp xếp tinh thể có trật tự mà còn điều chỉnh độ xốp, từ đó tăng cường tính chất điện của các điện cực thu được:
Ulagappan và cộng sự. lần đầu tiên tổng hợp các vật liệu xốp dựa trên thiếc (đường kính lỗ rỗng 3,2 nm) bằng cách sử dụng chất hoạt động bề mặt cation natri 2-ethylhexyl sulfosuccinate làm mẫu.
Bề mặt CuO CuO được biến tính bởi chất hoạt động bề mặt CTAB có cấu trúc tinh thể hình kim có trật tự, làm tăng diện tích tiếp xúc giữa CuO CuO và chất điện phân. Việc điều chỉnh liều lượng CTAB có thể kiểm soát độ xốp của vật liệu thiếc-phốt phát và cải thiện hiệu suất hoạt động của pin.
Chất hoạt động bề mặt tổng hợp mang lại tác dụng ức chế ăn mòn tổng hợp. Kiểm soát kích thước hạt Cu-Sn thông qua tỷ lệ Triton X-100 và n-hexanol tạo ra các hạt nano Cu-Sn, khi được lắp ráp vào cực dương của pin lithium-ion, thể hiện khả năng đạp xe cao hơn và công suất riêng có thể đảo ngược.
Việc kết hợp các chất hoạt động bề mặt không ion có chứa nhóm polyoxyethylene với các chất phụ gia indi hydroxit sẽ ngăn chặn đáng kể hiện tượng tự phóng điện của pin đồng thời cải thiện hiệu suất điện hóa của pin kẽm-mangan kiềm có thể sạc lại.
Vật liệu tổng hợp thiếc dioxide/cacbon có kích thước nano và vật liệu tổng hợp oxit/cacbon dựa trên thiếc được điều chế trong dung dịch P123-etanol thể hiện hiệu suất đạp xe vượt trội so với các vật liệu dựa trên thiếc có kích thước nano thông thường khi được sử dụng làm cực dương của pin lithium-ion.
Việc tự phóng điện của điện cực kẽm trong pin kẽm-mangan kiềm là yếu tố chính hạn chế tuổi thọ của pin. Theo truyền thống, thủy ngân hoặc muối thủy ngân được sử dụng để ngăn chặn sự tự phóng điện. Tuy nhiên, thủy ngân có độc tính cao, nguy hiểm cho môi trường và làm tăng tốc độ biến dạng điện cực kẽm. Vì vậy, việc loại bỏ hoặc thay thế thủy ngân độc hại là điều cần thiết.
Các sáng kiến không chứa thủy ngân hiện nay trong pin kẽm-mangan kiềm tập trung vào hai phương pháp: thêm chất ức chế ăn mòn vào chất điện phân hoặc kết hợp chúng trực tiếp vào cực dương kẽm. Các chất phụ gia được đánh giá bao gồm các chất ức chế vô cơ và các chất ức chế thay thế thủy ngân hữu cơ, với các chất thay thế hữu cơ chủ yếu bao gồm các chất hoạt động bề mặt chống ăn mòn:
Đánh giá 6 chất hoạt động bề mặt có chuỗi ưa nước khác nhau về hiệu suất ức chế kẽm trong dung dịch KOH cho thấy kali decyl (octa)oxyethylene ether phosphate làm giảm 70,6% sự phát triển hydro của bột kẽm, đạt hiệu suất ức chế 78,7%.
Bởi vì các chất phụ gia đơn lẻ hiếm khi mang lại những cải tiến điện hóa tổng thể đáng kể nên nghiên cứu tập trung vào hỗn hợp chất hoạt động bề mặt hiệu quả cao:
So sánh các chất phụ gia hữu cơ YLZX (alkyl trimethyl ammonium bromide với chuỗi C12–C16 C 12– C 16 alkyl ), YZ (hỗn hợp của alkylphenol ethoxylate và alkyl ethoxy sulfate với chuỗi C10–C17 C 10– C 17 alkyl ), lauryl Alcohol ethoxylate trộn với alkyl ethoxy sulfate, PEO400, SDS và Tween-20 cho thấy YLZX và YZ ức chế đáng kể sự tiến hóa hydro và hình thành dendrite mà không ảnh hưởng đến hiệu suất phóng điện của điện cực kẽm.
Hệ thống hỗn hợp SDBS và Tween-20 thể hiện khả năng ức chế ăn mòn tuyệt vời, thụ động chậm và sức mạnh tổng hợp rõ ràng, tăng đáng kể khả năng phóng điện điện cực kẽm và đạt hiệu suất ức chế 83,26% theo tỷ lệ pha trộn tối ưu.
Trong khi hầu hết các nghiên cứu tập trung vào việc bổ sung chất ức chế vào chất điện giải thì ít nghiên cứu bổ sung trực tiếp vào vật liệu điện cực. Các nghiên cứu hiện tại về việc thêm SDBS và CTAB vào bột kẽm cho thấy rằng việc bổ sung đồng thời sẽ cải thiện hiệu suất sạc-xả pin, duy trì công suất và tuổi thọ của chu kỳ. Tuy nhiên, trong khi các chất ức chế hữu cơ được thêm vào cực dương làm giảm khả năng tự phóng điện của pin kẽm-niken thì chúng vẫn chưa đáp ứng đầy đủ các yêu cầu thương mại.
Chất hoạt động bề mặt tạo thành nhũ tương giúp cải thiện tốc độ vận chuyển của các kim loại cụ thể:
Một màng chất lỏng nhũ tương bao gồm dầu hỏa, chất hoạt động bề mặt (Span-80), chất mang và dung dịch amoniac bên trong được sử dụng để tách và cô đặc các ion cadmium từ pin niken-cadmium đã qua sử dụng. Trong thí nghiệm mở rộng quy mô lò phản ứng 100 L, tỷ lệ di chuyển cadmium đạt 93,3%, trong khi tỷ lệ di chuyển niken chỉ là 14,6%, đạt được hiệu quả phân tách các ion cadmium và niken.
Chất hoạt động bề mặt cũng có thể làm giảm năng lượng kích hoạt của các phản ứng bề mặt giữa cacbon và mangan oxit, ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ khử. Sau khi pin đã qua sử dụng được phân loại, nghiền nát và sàng lọc, mangan dioxide được tạo thành dạng viên với chất khử cacbon, thiêu kết và khử trong lò cảm ứng để sản xuất thép mangan. Kết quả thực nghiệm cho thấy quá trình này có thể được áp dụng trực tiếp trong sản xuất thép đúc để xử lý pin đã qua sử dụng.
Chất hoạt động bề mặt phục vụ các chức năng quan trọng trong hệ thống pin: thay đổi hình thái tinh thể của oxit kim loại, ức chế sự tiến hóa hydro và sự phát triển dendrite, cung cấp khả năng ức chế ăn mòn và hình thành nhũ tương hoạt động như "lò phản ứng vi mô" để ngăn chặn sự kết tụ. Các chất hoạt động bề mặt được sử dụng bao gồm các chất hoạt động bề mặt anion, cation, không ion và đặc biệt trên pin nhiên liệu màng trao đổi proton, pin lithium-ion, kẽm-mangan kiềm, kẽm-không khí và niken-cadmium. Điện cực tổng hợp được điều chế bằng cách sử dụng hệ thống chất hoạt động bề mặt hỗn hợp nóng chảy axit oleic và dầu hỏa là một lộ trình thuận lợi. Cực dương của pin nano lithium-ion được điều chế từ dung dịch ethanol chứa P123 cho thấy hiệu suất đạp xe vượt trội, mặc dù vẫn còn những thách thức kỹ thuật.
Mặc dù các chất hoạt động bề mặt cải thiện hiệu suất chu kỳ điện cực và hiệu suất phóng điện, nhưng vẫn còn những khoảng trống trước khi triển khai thực tế đầy đủ; ví dụ, hiệu suất phóng điện của nhiều điện cực không vượt quá 99,5%. Trong tái chế pin, việc sử dụng chất hoạt động bề mặt vẫn còn hạn chế. Các chất hoạt động bề mặt vốn có thể hoạt động như chất thu gom, chất ức chế và chất tạo bọt, nghĩa là kỹ thuật tuyển nổi hoàn toàn khả thi để tách kim loại trong quá trình tái chế pin—một lĩnh vực mà chất hoạt động bề mặt có thể đóng vai trò lớn hơn.
Hơn nữa, các nghiên cứu hiện tại chủ yếu dựa vào các chất hoạt động bề mặt thông thường với chi phí tương đối cao, trong khi nghiên cứu về các chất hoạt động bề mặt mới vẫn chưa đầy đủ. Hiệu suất điện hóa của các chất hoạt động bề mặt sinh học, dựa trên polycarboxylate, naphthalene và mới có đặc tính phân tán mạnh trong vật liệu pin vẫn chưa được khám phá phần lớn.
