ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------o0o----------

PHAN MINH TÚ

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU CARBON AEROGEL TỪ
SINH KHỐI ỨNG DỤNG TRONG HẤP PHỤ DẦU
VÀ LƯU TRỮ NĂNG LƯỢNG
SYNTHESIS OF BIOMASS-DERIVED CARBON AEROGEL
FOR OIL ADSORPTION AND STORAGE ENERGY
APPLICATIONS

Chuyên ngành: KỸ THUẬT HÓA HỌC
Mã số: 8.52.03.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2023


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại Học Bách khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Mạnh Tùng
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS Nguyễn Hữu Hiếu
Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS Nguyễn Trường Sơn

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Lữ Thị Mộng Thy
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách khoa – ĐHQG-HCM,
ngày 31 tháng 07 năm 2023
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS Nguyễn Thị Phương Phong

– Chủ tịch Hội đồng;

2. PGS. TS Nguyễn Trường Sơn

– Phản biện 1;

3. TS. Lữ Thị Mộng Thy

– Phản biện 2;

4. PGS. TS Nguyễn Tuấn Anh

– Ủy viên Hội đồng;

5. TS. Tống Thanh Danh

– Thư ký Hội đồng.

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)


NGUYỄN THỊ PHƯƠNG PHONG

i


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: PHAN MINH TÚ
MSHV: 2170758

Ngày, tháng, năm sinh: 22/09/1999

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học

Nơi sinh: Đồng Nai
Mã số: 8520301

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Tên tiếng Việt: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu carbon aerogel từ sinh khối ứng dụng
trong hấp phụ dầu và lưu trữ năng lượng.
Tên tiếng Anh: Synthesis of biomass-derived carbon aerogel for oil adsorption and
storage energy applications.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
2.1. Tổng quan
Sinh khối (thân chuối), aerogel, carbon aerogel (CA), sự cố tràn dầu, phương pháp

giải quyết tràn dầu, cơ chế hấp phụ dầu, yếu tố ảnh hưởng đến dung lượng hấp phụ, vật liệu
chế tạo điện cực trong siêu tụ điện, phương pháp phân tích tính chất điện hóa để đánh giá
khả năng lưu trữ năng lượng, và các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất điện hóa của vật liệu.
2.2. Thực nghiệm
– Tổng hợp CA pha tạp ZnO từ cellulose thân chuối (Zn-BS-CA) bằng chất kết dính
sodium alginate và chất nối mạng Zn2+;
– Phân tích đặc trưng của vật liệu;
– Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ nhiệt phân đến: Dung lượng hấp phụ dầu diesel và khả năng
lưu trữ năng lượng của vật liệu Zn-BS-CA;
– Khảo sát ảnh hưởng các yếu tố (dung dịch điện li, tốc độ qt thế, và mật độ dịng
phóng-nạp) đến tính chất điện hóa của vật liệu Zn-BS-CA phù hợp.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/2023
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/2023
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN MẠNH TÙNG; PGS. TS NGUYỄN HỮU HIẾU
TP. HCM, ngày ….. tháng….. năm 2023
TRƯỞNG PHÒNG PTN TĐ ĐHQG
TP.HCM – CNHH & DK
(Họ tên và chữ ký)

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

TS. NGUYỄN MẠNH TÙNG

PGS. TS NGUYỄN HỮU HIẾU

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
(Họ tên và chữ ký)

ii



LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành luận văn này, đầu tiên tác giả xin chân thành cảm ơn đến người thân,
gia đình, bạn bè vì đã là nguồn động lực to lớn của tác giả, luôn đồng hành, kiên nhẫn
khuyên bảo, giúp đỡ, và tạo điều kiện cho tác giả trong suốt thời gian học tập cũng như
thực hiện luận văn này.
Đặc biệt, tác giả xin trân trọng biết ơn Thầy TS. Nguyễn Mạnh Tùng và Thầy
PGS. TS Nguyễn Hữu Hiếu đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, và tạo điều kiện thuận lợi
cho tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn. Tác giả cũng xin gửi
lời cảm ơn sâu sắc đến quý Thầy, Cô, Cán bộ Khoa Kỹ thuật Hóa học – Trường Đại
học Bách khoa – ĐHQG-HCM đã truyền đạt kiến thức quý báu và dẫn dắt tác giả
trong suốt quá trình học tập tại trường.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các anh/chị nghiên cứu sinh, học viên, nghiên cứu
viên, và các bạn sinh viên ở Phịng Thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM Cơng nghệ
Hóa học & Dầu khí (Key CEPP Lab), Trường Đại Học Bách khoa – ĐHQG-HCM đã
hỗ trợ tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Tác giả
PHAN MINH TÚ

iii


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Trong luận văn này, vật liệu carbon aerogel (CA) được tổng hợp từ cellulose trong
thân chuối với chất kết dính sodium alginate (SA) và chất nối mạng Zn2+. Quá trình
tổng hợp CA gồm ba giai đoạn: Tạo hydrogel bằng phương pháp sol-gel, sấy thăng
hoa hydrogel tạo aerogel (Zn-BS-A), và nhiệt phân Zn-BS-A tạo CA (Zn-doped
banana stem-derived carbon aerogel (Zn-BS-CA)). Nhiệt độ nhiệt phân Zn-BS-A
thành Zn-BS-CA được khảo sát ở ba mức 600, 700, và 800oC tương ứng với

Zn-BS-CA600, Zn-BS-CA700, và Zn-BS-CA800.
Đặc trưng của vật liệu được khảo sát thơng qua các phương pháp: Kính hiển vi điện
tử quét (scanning electron microscope (SEM)), phổ tán xạ năng lượng tia X (Energydispersive X-ray spectroscopy (EDX)), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier
transform infrared spectroscopy (FTIR)), phổ Raman (Raman spectroscopy), nhiễu xạ
tia X (X-ray diffraction (XRD)), và phương pháp hấp phụ-giải hấp đẳng nhiệt
Nitrogen theo phương pháp Brunauer–Emmett–Teller (BET) 77K.
Ảnh hưởng nhiệt độ nhiệt phân đến khả năng hấp phụ dầu diesel của Zn-BS-CA
được khảo sát thông qua dung lượng hấp phụ. Đồng thời, động học quá trình hấp phụ
cũng được đánh giá theo mơ hình giả bậc 1 và bậc 2. Qua đó, tìm được vật liệu
Zn-BS-CA700 là phù hợp cho ứng dụng hấp phụ dầu diesel.
Ngoài ra, ảnh hưởng nhiệt độ nhiệt phân đến khả năng lưu trữ năng lượng được
thể hiện qua tính chất điện hóa (điện dung riêng, điện trở, và độ dẫn điện) của vật liệu
Zn-BS-CA khảo sát bằng phương pháp quét thế vòng tuần hoàn (cyclic voltammetry
(CV)), phổ điện trở kháng (electrochemical impedance spectroscopy (EIS)),
và đường phóng-nạp dịng cố định (galvanostatic charge-discharge (GCD)). Từ đó, tìm
được vật liệu Zn-BS-CA600 là phù hợp cho ứng dụng lưu trữ năng lượng.
Cuối cùng, ảnh hưởng của các yếu tố (dung dịch điện li, tốc độ quét thế, và đường
phóng-nạp dịng cố định) đến tính chất điện hóa của vật liệu Zn-BS-CA600 được
khảo sát.
Nội dung luận văn được tóm tắt ở Hình 1.

iv


Hình 1: Tóm tắt nội dung luận văn

v


ABSTRACT

In this thesis, the carbon aerogel (CA) was successfully fabricated from the
cellulose-derived banana stem with sodium alginate (SA) and Zn2+ as crosslinking
agent. The fabrication procedure of CA was consisted of three steps: Synthesis of
hydrogel via sol-gel method, freeze-drying to obtain the aerogel (Zn-BS-A), and
pyrolysis of Zn-BS-A to obtain CA (Zn-doped banana stem-derived carbon aerogel
(Zn-BS-CA)). The effect of pyrolysis temperature on Zn-BS-A to obtain Zn-BS-CA
was also investigated at 600, 700, and 800oC for Zn-BS-CA600, Zn-BS-CA700, and
Zn-BS-CA800, respectively.
The characterization of the Zn-BS-CA was analyzed by using several advanced
analytical techniques: Scanning electron microscope (SEM), Fourier transform
infrared spectroscopy (FTIR), Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), and
nitrogen adsorption-desorption isotherm 77K according to Brunauer–Emmett–Teller
(BET) .
Besides, the effect of the pyrolysis temperature on the diesel adsorption of the
Zn BS-CA was also assessed through the adsorption capacity. Subsequently, the
adsorption kinetic was also evaluated according to pseudo-first and second-order
models. Thereby, Zn-BS-CA700 was found to be suitable for diesel oil adsorption
application.
Moreover, the effect of pyrolysis temperature on the ability to store energy was
demonstrated through the electrochemical properties (specific capacitance, resistance,
and conductivity) of the Zn-BS-CA investigated by cyclic voltammetry (CV),
electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and galvanostatic charge-discharge
(GCD)). From there, Zn-BS-CA600 was found to be suitable for energy storage
application.
Finally, the effect of factors (electrolyte, scanning rate, and discharge-discharge
current density) on the electrochemical properties of the suitable Zn-BS-CA was also
investigated.

vi



LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan luận văn này là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tác giả và
được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy TS. Nguyễn Mạnh Tùng và Thầy
PGS. TS Nguyễn Hữu Hiếu và tại Phịng Thí nghiệm Trọng điểm ĐHQG-HCM
Cơng nghệ Hóa học và Dầu khí (Key CEPP Lab), Trường Đại học Bách khoa –
ĐHQG-HCM.
Số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hồn tồn trung thực, chưa từng
được cơng bố trong bất cứ một cơng trình nào khác trước đây.
Tác giả xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
Tác giả
Phan Minh Tú

vii


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ............................................................................ ii
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN .............................................................................................. iv
ABSTRACT ................................................................................................................. vi
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH ..................................................................................................... xi
DANH MỤC BẢNG .................................................................................................. xiii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... xiv
ĐẶT VẤN ĐỀ ............................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN........................................................................................ 3
1.1. Sinh khối ................................................................................................................. 3
1.1.1. Giới thiệu .......................................................................................................... 3
1.1.2. Thành phần của sinh khối ................................................................................ 4

1.1.3. Hiện trạng sử dụng sinh khối ở Việt Nam ....................................................... 7
1.1.4. Thân chuối ........................................................................................................ 8
1.2. Aerogel .................................................................................................................... 9
1.2.1. Giới thiệu .......................................................................................................... 9
1.2.2. Phương pháp tổng hợp ................................................................................... 10
1.2.3. Ứng dụng của aerogel .................................................................................... 14
1.3. Carbon aerogel ..................................................................................................... 14
1.3.1. Giới thiệu ........................................................................................................ 14
1.3.2. Phương pháp tổng hợp ................................................................................... 15
1.3.3. Ảnh hưởng của yếu tố tổng hợp ..................................................................... 16
1.3.4. Vật liệu carbon aerogel pha tạp oxit kim loại ................................................ 18
1.3.5. Ứng dụng ........................................................................................................ 21
1.4. Vấn đề tràn dầu ................................................................................................... 22
1.4.1. Phương pháp xử lý ......................................................................................... 22
1.4.2. Cơ chế hấp phụ dầu ........................................................................................ 24
1.4.3. Yếu tố ảnh hưởng đến dung lượng hấp phụ dầu ............................................ 24
1.5. Lưu trữ năng lượng ............................................................................................. 25
1.5.1. Vật liệu chế tạo điện cực ................................................................................ 26
viii


1.5.2. Phương pháp đánh giá tính chất điện hóa để xác định khả năng lưu trữ năng
lượng của vật liệu ..................................................................................................... 27
1.5.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất điện hóa của vật liệu ............................. 30
1.6. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước ....................................................... 32
1.6.1. Trong nước ..................................................................................................... 32
1.6.2. Ngồi nước ..................................................................................................... 32
1.7. Tính cấp thiết, mục tiêu, nội dung, phương pháp nghiên cứu, tính mới, và
đóng góp của luận văn ................................................................................................ 33
1.7.1. Tính cấp thiết.................................................................................................. 33

1.7.2. Mục tiêu.......................................................................................................... 34
1.7.3. Nội dung ......................................................................................................... 34
1.7.4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 34
1.7.5. Tính mới ......................................................................................................... 44
1.7.6. Đóng góp ........................................................................................................ 44
CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM ................................................................................ 45
2.1. Hóa chất, dụng cụ, thiết bị, và địa điểm ............................................................ 45
2.1.1. Nguyên liệu .................................................................................................... 45
2.1.2. Hóa chất.......................................................................................................... 45
2.1.3. Dụng cụ và thiết bị ......................................................................................... 46
2.1.4. Địa điểm thực hiện luận văn .......................................................................... 47
2.2. Thí nghiệm............................................................................................................ 48
2.2.1. Tổng hợp carbon aerogel pha tạp ZnO từ cellulose thân chuối (Zn-BS-CA) 48
2.2.2. Phân tích đặc trưng của Zn-BS-CA ............................................................... 49
2.2.3. Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ nhiệt phân đến dung lượng hấp phụ dầu diesel
của vật liệu Zn-BS-CA ............................................................................................. 50
2.2.4. Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nhiệt phân đến tính chất điện hóa của vật
liệu Zn-BS-CA ......................................................................................................... 51
2.2.5. Khảo sát ảnh hưởng dung dịch điện li, tốc độ qt thế, và mật độ dịng phóngnạp đến tính chất điện hóa của vật liệu Zn-BS-CA phù hợp ................................... 51
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ............................................................... 52
3.1. Đặc trưng của vật liệu Zn-BS-CA ...................................................................... 52
3.1.1. Kết quả SEM .................................................................................................. 52
ix


3.1.2. Kết quả FTIR .................................................................................................. 54
3.1.3. Phổ Raman ..................................................................................................... 55
3.1.4. Giản đồ XRD .................................................................................................. 56
3.1.5. Kết quả EDX .................................................................................................. 57
3.1.6. Góc thấm ướt .................................................................................................. 59

3.1.7. Hấp phụ-giải hấp N2 ....................................................................................... 59
3.2. Ảnh hưởng nhiệt độ nhiệt phân đến dung lượng hấp phụ dầu diesel của vật
liệu Zn-BS-CA ............................................................................................................. 60
3.3. Ảnh hưởng nhiệt độ nhiệt phân đến tính chất điện hóa của vật liệu
Zn-BS-CA .................................................................................................................... 63
3.4. Ảnh hưởng dung dịch điện li, tốc độ qt thế, và mật độ dịng phóng-nạp đến
tính chất điện hóa của vật liệu Zn-BS-CA600.......................................................... 65
3.4.1. Dung dịch điện li ............................................................................................ 65
3.4.2. Tốc độ quét thế ............................................................................................... 66
3.4.3. Mật độ dịng phóng-nạp ................................................................................. 67
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................ 69
4.1. Kết luận ................................................................................................................ 69
4.2. Kiến nghị .............................................................................................................. 69
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ................................................... 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 102
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 113
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ..................................................................................... 130

x


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Chỉ số sản xuất nơng nghiệp giai đoạn 2018-2021 .........................................3
Hình 1.2: Cấu trúc của lignocellulose .............................................................................5
Hình 1.3: Cấu trúc của cellulose.....................................................................................5
Hình 1.4: Cấu trúc của hemicellulose..............................................................................6
Hình 1.5: Cấu trúc của ligin ............................................................................................7
Hình 1.6: Tái sử dụng thân chuối ....................................................................................9
Hình 1.7: Lịch sử phát triển của vật liệu aerogel ..........................................................10
Hình 1.8: Quy trình tạo hydrogel bằng phương pháp thủy nhiệt ..................................11

Hình 1.9: Liên kết ngang (a) PVA và (b) SA ................................................................12
Hình 1.10: Nguyên tắc sấy siêu tới hạn và thăng hoa ...................................................13
Hình 1.11: Tạo aerogel bằng phương pháp sấy thăng hoa hydrogel .............................13
Hình 1.12: Vật liệu carbon aerogel từ cellulose vỏ dừa nước được tổng hợp tại Key
CEPP Lab ......................................................................................................................15
Hình 1.13: Quá trình tạo CA pha tạp oxit kim loại từ cellulose ...................................20
Hình 1.14: Ứng dụng của vật liệu CA ...........................................................................21
Hình 1.15: Hình ảnh sự cố tràn dầu ...............................................................................22
Hình 1.16: Cơ chế hấp phụ dầu của carbon aerogel ......................................................24
Hình 1.17: Hệ ba điện cực .............................................................................................27
Hình 1.18: Tín hiệu dịng điện hình sin trong một hệ thống tuyến tính ở hệ ba điện cực
.......................................................................................................................................29
Hình 1.19: Đường phóng-nạp dịng cố định của hệ siêu tụ điện làm từ vật liệu carbon
xốp với dung dịch điện li Na2SO4 pH 7 .........................................................................30
Hình 1.20: Cấu tạo thiết bị SEM ...................................................................................36
Hình 1.21: Nguyên tắc phổ tán xạ tia X ........................................................................37
Hình 1.22: Cấu tạo kính hiển vi điện tử qt phát xạ trường ........................................37
Hình 1.23: Nguyên lý hoạt động của thiết bị đo phổ FTIR ...........................................38
Hình 1.24: Cấu tạo máy đo phổ Raman ........................................................................39
Hình 1.25: Sơ đồ chùm tia tới và chùm tia nhiễu xạ trên tinh thể .................................40
Hình 1.26: Nguyên lý đo hấp phụ giải hấp N2 ..............................................................41
Hình 1.27: Sơ đồ phân tích góc thấm ướt ......................................................................42
xi


Hình 2.1: Hình ảnh của thân chuối ................................................................................45
Hình 2.2: Quy trình tổng hợp carbon aerogel pha tạp ZnO từ cellulose thân chuối .....49
Hình 2.3: Khảo sát hấp phụ dầu ....................................................................................51
Hình 3.1: Ảnh SEM của (a, b) Zn-BS-A và (c, d) Zn-BS-CA700 ................................53
Hình 3.2: Ảnh SEM của Zn-BS-CA600 (a, b) và Zn-BS-CA800 (c, d) .......................54

Hình 3.3: Phổ FTIR của BS, BS-cell, Zn-BS-A, và Zn-BS-CA ...................................55
Hình 3.4: Phổ Raman của (a) Zn-BS-A và (b) Zn-BS-CA700 .....................................56
Hình 3.5: Giản đồ XRD của Zn-BS-CA ........................................................................57
Hình 3.6: Ảnh mapping của (a) Zn-BS-A, (b) Zn-BS-CA600, (c) Zn-BS-CA700, và
(d) Zn-BS-CA800 ..........................................................................................................58
Hình 3.7: Góc thấm ướt của (a) Zn-BS-CA600, (b) Zn-BS-CA700 và (c) Zn-BSCA800 ............................................................................................................................59
Hình 3.8: Đường hấp phụ giải hấp N2 của Zn-BS-CA700 ............................................60
Hình 3.9: (a) Dung lượng hấp phụ dầu diesel của Zn-BS-CA; (b) Quá trình hấp phụ
dầu của mẫu Zn-BS-CA ................................................................................................61
Hình 3.10: Dung lượng hấp phụ dầu của mẫu Zn-BS-CA trong 60 giây ......................62
Hình 3.11: Đồ thị theo mơ hình động học giả (a) bậc 1 và (b) bậc 2 của Zn-BS-CA ...62
Hình 3.12: (a) Đường cong CV mẫu Zn-BS-CA với tốc độ quét thế 100 mV/s; (b)
Đường cong GCD mẫu Zn-BS-CA; và (c) Kết quả EIS của Zn-BS-CA ở các điều kiện
nhiệt phân khác nhau .....................................................................................................64
Hình 3.13: Đồ thị Nyquist của mẫu Zn-BS-CA600 trong dung dịch điện li khác nhau
.......................................................................................................................................65
Hình 3.14: Đường cong CV của mẫu Zn-BS-CA600 với tốc độ quét thế 5-100 mV/s 66
Hình 3.15: (a) Đường cong GCD của mẫu Zn-BS-CA600 ở mật độ dòng 0,1; 2; và 4
A/g, (b) Đường cong GCD của hệ ba điện cực từ Zn-BS-CA600 qua 500 chu kỳ .......68

xii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Thống kê một số phụ phẩm nơng nghiệp ở Việt Nam ....................................4
Bảng 1.2: Thành phần hóa học của một số loại sinh khối ...............................................8
Bảng 1.3: Nghiên cứu về CA pha tạp oxit kim loại ......................................................20
Bảng 1.4: Một số nghiên cứu trong nước về carbon aerogel ........................................32
Bảng 1.5: Một số nghiên cứu ngoài nước về carbon aerogel ........................................33
Bảng 1.6: Các phương pháp đánh giá tính chất điện hóa ..............................................43

Bảng 1.7: Thơng số khảo sát ảnh hưởng yếu tố điện hóa đến khả năng lưu trữ năng
lượng ..............................................................................................................................44
Bảng 2.1: Hóa chất sử dụng trong luận văn ..................................................................45
Bảng 2.2: Thiết bị sử dụng trong luận văn ....................................................................46
Bảng 3.1: Phần trăm khối lượng của nguyên tố C, O, Zn trong Zn-BS-A và Zn-BS-CA
.......................................................................................................................................57
Bảng 3.2: Thơng số mơ hình động học giả bậc 1 và 2 của Zn-BS-CA .........................62
Bảng 3.3: Kết quả khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ nhiệt phân đến tính chất điện hóa của
Zn-BS-CA ......................................................................................................................64
Bảng 3.4: Giá trị điện trở và độ dẫn điện ......................................................................65
Bảng 3.5: Điện dung riêng của hệ ba điện cực từ Zn-BS-CA600 ở tốc độ quét thế
5-100 mV/s ....................................................................................................................67
Bảng 3.6: Một số nghiên cứu về vật liệu carbonứng dụng trong hấp phụ dầu và lưu trữ
năng lượng .....................................................................................................................68

xiii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

BET

Brunauer−Emnet−Teller

Diện tích bề mặt riêng


CA

Carbon aerogel

Carbon aerogel

EDS

X−ray energy−dispersive
spectroscopy

Phổ tán xạ năng lượng
tia X

FTIR

Fourier Transform Infrared

Phổ hồng ngoại biến đổi
Fourier

SA

Sodium alginate

PVA

Poly(vinyl alcohol)


SEM

Scanning Electron
Microscope

Kính hiển vi điện tử quét

XRD

X−ray diffraction

Nhiễu xạ tia X

CV

Cylic voltametry

Qt thế vịng tuần hồn

GCD

Galvanostatic charge
discharge

Đường cong phóng-nạp
dịng cố định

EIS

Electrochemical

impedance spectroscopy

Phổ trở kháng điện hóa

BS

Banana stem

Thân chuối

BS-cell

Banana stem-derived
cellulose

Cellulose từ thân chuối

Zn-BS-A

Zn-doped banana stemderived aerogel

Aerogel pha tạp Zn từ thân
chuối

Zn-BS-CA

ZnO-doped banana stemderived carbon aerogel

Carbon aerogel pha tạp
ZnO từ thân chuối


xiv


ĐẶT VẤN ĐỀ
Việt Nam có nguồn sinh khối đa dạng với nền nơng nghiệp phát triển, tuy nhiên
trong q trình sản xuất công-nông nghiệp, phụ phẩm sinh khối thải ra với số lượng
lớn gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng lớn đến sức khỏe con người. Do đó,
vấn đề đưa ra phương án xử lý hay tận dụng phụ phẩm sinh khối đang được
quan tâm. Trong đó, thân chuối là phụ phẩm có số lượng lớn và chưa có ứng dụng
cụ thể. Nhờ hàm lượng cellulose cao, thân chuối trở thành nguồn celluose để
tổng hợp vật liệu carbon như: Carbon dạng ống, carbon hoạt tính, CA, v.v. CA có cấu
trúc khối ba chiều, diện tích bề mặt riêng lớn, độ xốp cao, và khối lượng riêng thấp.
Ngoài ra, CA có độ tương thích hóa học cao nên dễ biến tính hoặc pha tạp các oxit kim
loại như: ZnO, Fe2O3, v.v. để mở rộng ứng dụng của CA trong lĩnh vưc hấp phụ dầu
tràn và chế tạo điện cực sử dụng trong siêu tụ điện, có khả năng dự trữ năng lượng với
điện dung cao, khả năng tái sử dụng lên đến hơn 500 chu kỳ, và thời gian phóng-nạp
nhanh.
Vấn đề tràn dầu trong quá trình vận chuyển bằng đường thủy được đánh giá là
ngun nhân chính gây ơ nhiễm môi trường biển, để xử lý vấn đề này các
phương pháp được sử dụng đa dạng từ vật lý, sinh học, hóa học như: Phao quay dầu,
đốt, chất phân tán dầu, enzyme phân hủy dầu, vật liệu hấp phụ, v.v. Trong đó, đa số
các phương pháp đều có q trình sản xuất phức tạp, sử dụng nhiều hóa chất gây
ơ nhiễm thứ cấp, v.v. Do đó, vật liệu hấp phụ được sử dụng phổ biến với quy trình
tổng hợp đơn giản, khả năng hấp phụ dầu cao, dễ xử lý, và tái sử dụng qua nhiều
chu kỳ. Vật liệu hấp phụ được sử dụng hiện nay là các vật liệu mao quản công nghiệp
với giá thành cao. Nhờ đặc trưng cấu trúc ba chiều, độ xốp cao, giá thành thấp,
và quy trình chế tạo đơn giản, CA được kỳ vọng thay thế các vật liệu hấp phụ,
giải quyết vấn đề mơi trường hiện nay.
Ngồi ra, trong thời kỳ phát triển cơng nghiệp hóa–hiện đại hóa dẫn đến nhu cầu

sử dụng thiết bị điện tử trong sản xuất và cuộc sống của con người ngày càng trở nên
cần thiết. Do đó, vấn đề cấp thiết là phát triển hệ thống lưu trữ và chuyển đổi năng
lượng bền vững công suất cao như pin và siêu tụ điện cho các ứng dụng khác nhau.
Với những tính chất như: Điện dung riêng lớn, hoạt động ổn định, tuổi thọ cao, v.v.
siêu tụ điện được xem là thiết bị tiềm năng cho bài toán lưu trữ năng lượng này.
1


Một trong các thách thức khi phát triển sản xuất siêu tụ điện là vật liệu chế tạo điện
cực thường cần quy trình tổng hợp phức tạp, tốn nhiều thời gian, chi phí, v.v. Với
đặc trưng nổi bật, CA được xem là vật liệu tiềm năng chế tạo điện cực trong
siêu tụ.
Vì vậy, luận văn này được thực hiện với tiêu đề “Tổng hợp vật liệu
carbon aerogel từ sinh khối ứng dụng trong hấp phụ dầu và lưu trữ năng lượng”.

2


1.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Sinh khối
1.1.1. Giới thiệu
Sinh khối là dạng vật liệu sinh học từ sự sống hay sinh vật sống, đa số từ
cây trồng hoặc vật liệu có nguồn gốc thực vật như: Cây thân gỗ, tảo biển, rau, củ, quả,
rơm rạ, v.v. Sinh khối được xem là nguồn năng lượng tái tạo có thể dùng
trực tiếp, gián tiếp một lần hay chuyển thành dạng năng lượng khác như: Nhiên liệu
sinh học thông qua nhiều phương pháp đốt, tái sử dụng, v.v. [1]. Việt Nam là một
nước nông nghiệp phát triển với các mặt hàng xuất khẩu chủ đạo là sản phẩm từ nông

nghiệp. Chỉ số sản xuất nông nghiệp (crop production index (CPI)) trong
giai đoạn năm 2018-2021 được thể hiện ở Hình 1.1 cho thấy nơng nghiệp phát triển
mạnh qua từng năm [2,3].

Hình 1.1: Chỉ số sản xuất nông nghiệp giai đoạn 2018-2021 [2,3]
Sản lượng nông sản tăng nhanh do nhu cầu sản xuất và chế biến lương thực
thực phẩm quá trình này thải một lượng lớn phụ phẩm nông nghiệp. Đây được xem là
nguồn sinh khối dồi dào có thể được tái sử dụng nhằm ứng dụng vào nhiều
lĩnh vực trong đời sống. Phụ phẩm nông nghiệp là các chất thải phát sinh trong
quá trình sản xuất như: Rơm rạ, bã mía, thân cây ngơ, xơ dừa, vỏ dưa hấu,
thân chuối, v.v. Phụ phẩm luôn đi kèm với sản xuất nông nghiệp, tăng khi nhu cầu
3


phát triển ngành nông nghiệp tăng. Một số phụ phẩm nơng nghiệp phổ biến ở
nước ta được trình bày ở Bảng 1.1 [4,5].
Bảng 1.1:Thống kê một số phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam [4,5]
Loại nông sản

Loại phụ phẩm

Tổng lượng phụ phẩm (Tấn/năm)

Lúa

Trấu

35.766.728

Ngơ


Thân, lá, lõi ngơ

16.147.141

Mía

Bã, lá mía

1.842.331

Đậu phộng

Thân, vỏ đậu
phộng

1.040.245

Đậu nành

Thân cây đậu

13.293

Khoai mì

Thân cây mì

3.246.617


Cây lâu năm

Củi

1.831.488

Cây ăn quả

Củi

1.548

Chuối

Thân chuối

61.318

Từ Bảng 1.1 thể hiện phụ phẩm nông nghiệp là nguồn sinh khối với số lượng lớn và
chưa có nhiều nghiên cứu ứng dụng. Sinh khối với thành phần là carbohydrate,
cellulose, hemicellulose, v.v. cho thấy tiềm năng để ứng dụng trong nhiều lĩnh vực
như: Năng lượng, sản xuất vật liệu, v.v. [6,7].
1.1.2. Thành phần của sinh khối
Thành phần chính của sinh khối là lignocellulose, đây là chất cấu tạo nên thành
tế bào của các loài thực vật. Cấu tạo lignocellulose bao gồm: Carbohydrate (cellulose,
hemicellulose),

lignin,

và


các

hợp

chất

khác

(protein,

lipid,

các

chất

vô cơ, v.v.). Cấu trúc của lignocellulose như được thể hiện ở Hình 1.2. Trong đó,
cellulose, hemicellulose, và ligin là thành phần chính với nhiều ứng dụng trong
lĩnh vực chế tạo vật liệu và chuyển hóa năng lượng [8,9].

4


Cellulose

Sinh khối

Hemicellulose


Ligin

Hình 1.2: Cấu trúc của lignocellulose [5]
❖ Cellulose
Cellulose là hợp chất hữu cơ có các phân tử glucose liên kết với nhau thành
chuỗi dài. Cấu trúc của cellulose là một polymer mạch thẳng được cấu tạo từ các
liên kết của các mắt xích β-D-glucose (C6H10O50)n bằng liên kết 1,4-β-D-glycosidic tại
vị trí carbon 1 (C-1) và 4 (C-4). Độ polymer hóa (degree of polymerization (DP))
khoảng 10000 với khối lượng phân tử trung bình 162,14 g/mol. Cellulose bền trong
mơi trường kiềm nhưng dễ bị thủy phân trong môi trường axit thành các phân tử
đường hòa tan [10,11]. Cellulose tương đối bền với các tác nhân oxy hóa và cấu trúc
được thể hiện ở Hình 1.3.

Hình 1.3: Cấu trúc của cellulose [6]
5


❖ Hemicellulose
Hemicellulose là thành phần chiếm hàm lượng nhiều thứ hai sau cellulose, khoảng
20-35 % trong cấu trúc lignocellulose. Hemicellulose có chứa nhóm polysaccharide là
sự kết hợp của các polymer phân nhánh của các vòng đường C-5 và C-6. Đặc biệt
hemicellulose có chứa xylose, arabinose (đường C-5), galactose, glucose, manose
(đường C-6), methlyglucoronic, và axit galacturonic. Trong khi cellulose là tinh thể,
khó thủy phân thì hemicellulose có cấu trúc vơ định hình, khơng bền, và dễ thủy phân
trong mơi trường axit hay base cũng như đa số các enzyme hemicellulast [12].
Cấu trúc của hemicellulose như được thể hiện ở Hình 1.4. Ngồi ra, trong sinh khối
cịn có lượng lớn ligin.

Hình 1.4: Cấu trúc của hemicellulose [12]
❖ Ligin

Ligin là thành phần phổ biến trong sinh khối sau hemicellulose, chiếm khoảng
30 % lignocellulose. Ligin được hình thành từ các axit amin thơm, phenylalamin, và
tyrosin, những thành phần này được trùng hợp để tạo thành các đơn vị phenypropan là
monolignos. Ligin là một cao phân tử có cấu trúc vơ định hình. Một trong những
cấu trúc của lignin được thể hiện ở Hình 1.5 [13,14]. Về cơ bản, trong phân tử của
ligin có chứa các nhóm hydroxyl (–OH), methoxyl (–OCH3), và vịng benzen (C6H6).
Ligin khơng bị thủy phân trong mơi trường axit, nhưng hịa tan trong mơi trường kiềm
nóng, dễ bị oxy hóa, và tạo tủa với phenol.
Mặc dù có thành phần giàu carbohydrate (đây là thành phần cần thiết trong nhiều
lĩnh vực) nhưng hầu hết sinh khối chưa có ứng dụng cụ thể và thải bỏ ra môi trường
với số lượng lớn.

6


Hình 1.5: Cấu trúc của ligin
1.1.3. Hiện trạng sử dụng sinh khối ở Việt Nam
Sinh khối ở nước ta rất đa dạng, tuy nhiên phần sử dụng khá ít và phần phụ phẩm
chiếm tỷ phần lớn. Do đó, phương pháp xử lý được đưa ra nhằm giải quyết
phụ phẩm nông nghiệp tránh ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người như:
Phương pháp đốt, sinh học, nhiệt phân, v.v. Bên cạnh đó, việc tận dụng nguồn
phụ phẩm nơng nghiệp để sản xuất nhiên liệu sinh học đang nhận được sự thu hút của
nhiều quốc gia, đặc biệt là các nước có nền nơng nghiệp phát triển. Nhiên liệu sinh học
đang được nghiên cứu phổ biến là ethanol sinh học. Ethanol sinh học được
sản xuất bằng cách lên men các phụ phẩm nơng nghiệp như: Mía, ngơ, khoai, sắn, v.v.
Sau quá trình lên men được pha trộn với xăng dùng trong các động cơ. Ngoài ra, nhiều
nghiên cứu đã tập trung ứng dụng phụ phẩm nông nghiệp để sản xuất thuốc kháng
sinh, chống oxy hóa, enzyme, v.v. [15,16].
Ngày nay, các nhà khoa học đang hướng đến sử dụng phụ phẩm nông nghiệp để
chế tạo ra vật liệu như: Aerogel, carbon aerogel (CA), than sinh học, v.v. với ứng dụng

trong lĩnh vực vật liệu cách âm, cách nhiệt, hấp phụ chất ô nhiễm, và chế tạo điện cực
trong siêu tụ điện. Với phương pháp tận dụng nguồn phụ phẩm nông nghiệp để tổng
hợp vật liệu sẽ góp phần giảm bớt gánh nặng về chất thải đối với môi trường và đưa ra
nguyên liệu xanh cho nền khoa học vật liệu.
Một số phụ phẩm với sản lượng thải bỏ lớn được kể đến như: Rơm, lõi ngô, vỏ dưa
hấu, thân chuối, v.v. Trong đó, thân chuối được chọn là nguyên liệu để tổng hợp
vật liệu CA trong luận văn này.

7


1.1.4. Thân chuối
Chuối (Musa paradise) là loại cây thân thảo, mọng nước, được trồng nhiều ở các
nước có khí hậu nhiệt đới như: Việt Nam, Thái Lan, Lào, v.v. Cây chuối có cấu tạo
bao gồm: Rễ, thân, lá, hoa, bắp, và quả chuối. Trong đó, phần bắp chuối và quả chuối
được sử dụng làm lương thực, còn phần thân và lá sau khi thu hoạch hầu như khơng có
ứng dụng cụ thể. Một lượng nhỏ thân và lá chuối thường được tái sử dụng làm
vật trang trí, thức ăn cho gia súc, gia cầm, v.v. như được thể hiện ở Hình 1.7. Do đó,
thân chuối (Banana stem (BS)) là phụ phẩm nông nghiệp, nguồn sinh khối tiềm năng
với hàm lượng cellulose cao chiếm đến 60-70 %, dễ kiếm, và giá thành thu mua thấp.
Thành phần hóa học một số sinh khối có ở Việt Nam được trình bày ở Bảng 1.2.
Từ đó, cho thấy BS có hàm lượng cellulose cao hơn so với nhiều loại sinh khối khác
(gần 70 %).
Bảng 1.2: Thành phần hóa học của một số loại sinh khối [17–19]

STT

Thành phần hóa học (%)

Nguồn sinh khối


Cellulose

Hemicellulose

Lignin

1

Vỏ thốt nốt

53,4

29,6

17

3

Thân chuối

70

18

12

4

Lõi ngơ


40

35

15

5

Rơm

35

25

12

6

Mùn cưa

40

28

32

7

Bã mía


41

24

25

Thân chuối có khoảng gần 70 % cellulose và cellulose liên kết với các hợp chất hữu
cơ, ligin, và hemicellulose thơng qua liên kết 1,4-β-D-glycosidic. Do đó, để tách
cellulose từ nền sinh khối thì liên kết giữa cellulose và nền carbohydrate cần được
cắt đứt. Một số nghiên cứu đã đưa ra các phương pháp tách cellulose từ sinh khối
bao gồm: Vật lý, sinh học, và hóa học. Đối với phương pháp vật lý, sinh khối được
nghiền nhỏ bằng tác động cơ học, sau đó sử dụng tác động vi sóng, sóng siêu âm, v.v.
làm giảm độ bền liên kết giữa cellulose và sinh khối, từ đó tách được cellulose.
Phương pháp sinh học sử dụng vi khuẩn (pectinase, cellulast, v.v.) giúp phá hủy các
8


liên kết và tách celullose từ nền sinh khối [17–19]. Tuy nhiên, hai phương pháp
vật lý và sinh học đều có hiệu suất tách cellulose thấp, thời gian dài, độ chọn lọc kém,
và cellulose thu được cịn lẫn tạp chất.

Hình 1.6: Tái sử dụng thân chuối
Do đó, phương pháp hóa học được sử dụng trong luận văn này với hiệu suất tách
cellulose cao. BS được xử lý thông qua môi trường kiềm và axit để cắt hoàn toàn liên
kết giữa cellulose và nền sinh khối, từ đó thu được BS-cell. Từ BS-cell, hydrogel được
tổng hợp thông qua tạo liên kết ngang. Sau đó, hydrogel được sấy thăng hoa tạo
aerogel.
1.2. Aerogel
1.2.1. Giới thiệu

Vào năm 1931, vật liệu aerogel đầu tiên trên thế giới được tổng hợp bởi Samuel
Stephens Kistler, có tên gọi là silica aerogel thông qua phương pháp sấy siêu tới hạn
để loại bỏ hơi nước có trong hệ gel, tạo thành vật liệu có cấu trúc xốp và kích thước
vẫn được giữ nguyên so với hệ gel ban đầu [20]. Đến đầu năm 2000, aerogel được
định nghĩa là hệ gel khơ (khơng chứa dung mơi), có lượng lớn lỗ xốp (khơng khí
chiếm hơn 90 %), và khối lượng nhẹ, nên cịn được gọi là “khói băng” hay
“khói rắn” [21]. Cùng với sự phát triển của công nghệ sấy, nhiều loại vật liệu aerogel
được ra đời như: Aerogel hữu cơ (resorcinol-formaldehyde (RF), polyurethane,
9


polyimide, và polystyrene), carbon aerogel (cacbon, carbon nanotube, và graphene
aerogel). Lịch sử phát triển aerogel như thể hiện ở Hình 1.7.

2010

Graphene
aerogel

2012

TMD và BN
aerogel

2015

TMO
aerogel

2017


Aerogel tâm
nano kim loại

2018

MXene
aerogel

Hình 1.7: Lịch sử phát triển của vật liệu aerogel
Aerogel là một chất rắn có cấu trúc ba chiều hình thành từ các hạt nano liên kết
chặt chẽ với nhau (thông qua liên kết cộng hóa trị, Van-der-waals), từ đó tạo thành
vật liệu có độ xốp cao (> 98 %), khối lượng riêng thấp (< 1 g/cm3), diện tích
bề mặt riêng lớn (100-1000 m2/g), khả năng cách nhiệt tốt, và độ bền tốt, có thể chịu
lực nén gấp 500-4000 lần khối lượng vật liệu [22].
1.2.2. Phương pháp tổng hợp
Aerogel được tổng hợp thông qua phương pháp sấy hydrogel. Hệ gel thường được
hình thành thơng qua phản ứng polymer hóa từ tiền chất ban đầu, xảy ra tương tác hóa
học, tạo liên kết ngang, và hình thành hệ gel. Q trình gel hóa giúp tăng cường
khả năng liên kết giữa phân tử. Cuối cùng, quá trình sấy giúp loại dung mơi và hình
thành lỗ xốp với cấu trúc dạng khối [23]. Sự hình thành các lỗ xốp được quyết định
thơng qua q trình tổng hợp, tùy vào tiền chất, chất tạo liên kết ngang, v.v.
sẽ ảnh hưởng đến đặc trưng của aerogel. Aerogel được tổng hợp thông qua hai giai
đoạn: Tạo hydrogel và sấy tạo aerogel.
1.2.2.1. Tổng hợp hydrogel
Hydrogel tổng hợp từ polymer ưa nước, có thể trương nở trong nước, và có
khả năng giữ một lượng nước (ít nhất 10 % tổng trọng lượng hoặc thể tích vật liệu)
nhưng vẫn bảo tồn cấu trúc của vật liệu. Nhờ có sự tham gia của các liên kết
hóa học tạo thành bởi các chuỗi polymer, hydrogel có khả năng duy trì kết cấu hệ gel
nhờ các gốc chức như: −COOH, −OH, −CONH2, −CONH−, và –SO3HC−. Để


10