Nghiên cứu quá trình điện hóa theo thời gian thực bằng thí nghiệm “In Situ” và “Operando” tán xạ tia X

Tại trường Đại học Pennsylvania, thiết bị tán xạ tia X có nguồn bức xạ tia X kép Cu / Mo, đa đầu dò, model: Xeuss 2.0 của hãng Xenocs-Pháp với khả năng phân tích đồng thời tia X góc nhỏ đến góc rộng (SAXS và WAXS) được dùng mô tả đặc tính vật liệu tiên tiến và cho việc giảng dạy, đào tạo. [1] Ở đây, mục tiêu của nghiên cứu là sử dụng thiết lập SAXS / WAXS quy mô phòng thí nghiệm để kết hợp với các thí nghiệm điện hóa In-Situ và Operando* nghiên cứu các quá trình điện hóa theo thời gian thực, chẳng hạn như:

• Cơ chế hình thành nanoporous trong quá trình điện phân ăn mòn chọn lọc hợp kim (electrolytic dealloying)
• Tạo ra mô hình cấu trúc vật liệu biểu diễn sự phát triển hình dạng mặt cong của lỗ rỗng (curvature) trong mô hình 3D vật liệu kim loại có độ xốp nano trong quá trình thô hóa (coarsening) và sự phát triển hình thái các điện cực của pin trong quá trình sạc và xả.

Dưới đây là một số ví dụ về các dự án đang thực hiện trong Phòng thí nghiệm 3DAFSN do các nghiên cứu sinh (NCS) trường Penn thực hiện chính: [1] Tham khảo: S.S. Welborn and E. Detsi, Nanoscale Horizons, 2019. DOI10.1039 / C9NH00347A

1. Các nghiên cứu In-Situ SAXS và WAXS về sự tiến hóa hình thái 3D của vật liệu mao quản nano (nanoporous) kim loại trong quá trình điện phân ăn mòn chọn lọc hợp kim (electrolytic dealloying)

• Sử dụng SAXS để khảo sát khoảng cách lỗ rỗng-lỗ rỗng, và đo đặc trưng kích thước cấu trúc của vật liệu nanoporous kim loại. Mẫu màu vàng trong Hình 2a đại diện cho dữ liệu SAXS điển hình thu được từ nanoporous Au, trong đó đỉnh tập trung ở giá trị q ~ 0,11 tương ứng với khoảng cách lỗ-lỗ là ~ 55 nm trong không gian thực.
• Xác định các mô hình phù hợp để fit với các đường cong này, như thể hiện trong Hình 2a cho mô hình Debye (màu đỏ gạch ngang), mô hình Berk (màu xanh lá cây gạch ngang) và Teubner-Strey (màu xanh lá cây gạch ngang). Họ đã tham khảo bài viết gần đây của chính họ trên Nanoscale Horizons để tổng hợp các mô hình này [1].
• Sử dụng các mô hình này để tạo ra các cấu trúc thực tế của nanoporous Au (Hình 2b) để nghiên cứu hình dạng mặt cong của lỗ rỗng (curvature) của chúng (Hình 2c) và các đặc tính khác như diện tích bề mặt riêng.
• Sử dụng kỹ thuật tán xạ tia X để khám phá sự tiến hóa hình thái của vật liệu nanoporous Au theo thời gian thực trong quá trình hình thành của nó bằng cách loại bỏ bạc có chọn lọc khỏi các hợp kim mẹ là Au-Ag [2].

 

 

3. Nghiên cứu In-Situ SAXS về sự tiến hóa hình thái của nanoporus 3D của kim loại trong quá trình thô hóa (coarsening) nhiệt và điện hóa

  Các kim loại nanoporus 3D đã được xử lý trải qua quá trình làm thô cấu trúc do nhiệt và điện gây ra về mặt hóa học. Các nhà khoa học nghiên cứu sự tiến hóa về hình thái (kích thước lỗ rỗng và hình thái mặt cong của lỗ rỗng) trong thời gian thực trong quá trình làm thô bằng cách sử dụng tán xạ tia X. Các đường cong tán xạ điển hình từ trước và sau quá trình thô hóa bằng nhiệt được thể hiện trong Hình 4a cùng với các hình ảnh SEM tương ứng của chúng trong Hình 4b-c, xác nhận kích thước cấu trúc đặc trưng thu được từ SAXS. Họ sử dụng một mô hình phân hủy spinodal để tái tạo lại hình thái nanoporous Au từ dữ liệu tán xạ tia X trước (Hình 4d) và sau khi làm thô (Hình 4e).

Tham khảo: S.S. Welborn, S. van der Meer, J.S. Corsi, J.T.M. De Hosson và E. Detsi (In preparation).  

*Chú thích:

• In-situ (tiếng Latin In-situ có nghĩa là “tại chỗ”), mô tả tập hợp các hành vi của vật liệu trong cùng điều kiện liên quan đến hoạt động thực tế.
• Ex-situ ngược lại với In-situ, là bên ngoài, nghiên cứu riêng biệt từng phần
• Operando kết hợp các phép đo cấu trúc và hoạt động của vật liệu trong một thử nghiệm duy nhất, sử dụng một tế bào phản ứng đáp ứng các yêu cầu cho cả hai: lò phản ứng và một tế bào in situ

Nguyễn Tiến Dũng tổng hợp và dịch