Việc nghiên cứu và phát triển nguồn tích trữ năng lượng phục vụ cho các ngành công nghiệp cao như tin học, điện tử là một hướng đi mới và đầy hứa hẹn đối với nhiều nhà khoa học cũng như các nhà sản xuất công nghiệp trên thế giới. Một trong số các nguồn điện đang thu hút được sự chú ý của nhiều nhà khoa học là siêu tụ điện (supercapacitor hay ultracapacitor). Siêu tụ có khả năng tích trữ năng lượng cao hơn rất nhiều so với tụ điện thông thường, đồng thời phóng nạp trong thời gian ngắn hơn hẳn so với các ắc quy thông thường. Trong những năm gần đây, một thuật ngữ mới được dùng để gọi chung các loại siêu tụ đó là “tụ điện điện hóa” hay gọi tắt là tụ điện hóa. Vật liệu đầu tiên được tìm ra và ứng dụng cho siêu tụ là rutini oxide với điện dung riêng lớn (Cs > 700 F g-1), khoảng điện thế làm việc rộng, khoảng 1,4 V. Tuy nhiên, vật liệu này có nhược điểm là giá thành đắt, độc hại với môi trường và con người, mặt khác siêu tụ làm từ rutinin oxide yêu cầu làm việc trong môi trường điện ly acid mạnh nên khó có thể thương mại hóa. Vì vậy việc tìm ra vật liệu thay thế có đặc tính rẻ hơn, an toàn hơn, thân thiện với môi trường hơn mà vẫn đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật là rất cần thiết.

Graphen là vật liệu được ứng dụng rất nhiều trong chế tạo pin nhiên liệu, nguồn điện do các ưu điểm quan trọng như: có thể tổng hợp theo nhiều phương pháp khác nhau, tính dẫn điện, tính chất điện hóa tốt, diện tích bề mặt riêng lớn. Hơn nữa, vật liệu này có thể làm việc trong nhiều môi trường khác nhau, từ trung tính tới acid và kiềm. Do đó, vật liệu graphen đang thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học trên thế giới. Tuy nhiên, graphen lại chưa hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của vật liệu siêu tụ do điện dung riêng và tuổi thọ chưa thật sự cao. Để cải thiện điều này, xu hướng chung là kết hợp graphen với các vật liệu khác như polyme dẫn hoặc oxide kim loại. Ở Việt Nam, đã có một số nghiên cứu tổng hợp vật liệu graphen trong pin nhiên liệu, xử lý môi trường...., song số lượng các công trình nghiên cứu về vật liệu trên cơ sở này ứng dụng trong siêu tụ điện còn rất hạn chế. Chính vì thế, nhóm nghiên do GS.TS. Vũ Thị Thu Hà, Phòng Thí nghiệm trọng điểm Công nghệ lọc, hóa dầu, Viện Hóa học Công nghiệp Việt Nam đã thực hiện nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu phủ điện cực cho siêu tụ điện trên cơ sở graphen” để tạo ra vật liệu trên cơ sở kết hợp 3 thành phần hỗn hợp oxide kim của Co, Fe - graphen - PANI có hoạt tính điện hóa vượt trội so với vật liệu chứa từ 1 đến 2 thành phần kể trên, có khả năng ứng dụng làm điện cực cho siêu tụ điện.

Sau một thời gian triển khai thực hiện (từ tháng 01/2017 đến tháng 12/2018), nhóm Đề tài đã đạt được các kết quả sau:

- Đã xây dựng thành công qui trình chế tạo vật liệu phủ điện cực của siêu tụ điện trên cơ sở graphen và điều chế được hệ vật liệu phủ điện cực của siêu tụ điện trên cơ sở graphen CoFe2O4/rGO/PANI, gồm ba thành phần là oxide kim loại – graphen – polyme, có điện dung riêng (Cs), hiệu suất Coulombic (η) và độ bền nạp xả cao hơn so với các vật liệu chỉ gồm 1 hoặc 2 thành phần, như rGO, CoFe2O4/rGO và rGO/PANI. Tại mật độ dòng I = 1 A g-1 , CoFe2O4/rGO/PANI có Cs đạt 992,5 F g-1 , và η đạt 98,6 %. Kết quả khảo sát độ bền nạp xả của vật liệu CoFe2O4/rGO/PANI, tại I = 5A g-1 , cho thấy sau 3000 chu kỳ nạp xả, giá trị Cs và η giảm tương ứng 15% và 1,4 %;

- Đã nghiên cứu và xây dựng thành công phương pháp phủ vật liệu trên cơ sở graphen lên bề mặt điện cực của siêu tụ điện. Phương pháp phủ có kết quả đáng tin cậy và độ lặp lại cao.

- Đã chế tạo thành công 3 điện cực bằng vải carbon có phủ vật liệu CoFe2O4/rGO/PANI. Kết quả đánh giá hiệu quả của điện cực đã phủ vật liệu cho thấy các điện cực có điện dung riêng lần lượt đạt 208,5 F g-1, 206,6 F g-1 và 207,1 F g-1 tại mật độ dòng 1 A g-1; Tại I = 5A g-1 điện dung riêng của các điện cực là 118 F g-1, 117,1 F g-1 và 116,5 F g-1. Trong phép đo độ bền nạp xả tại I = 5A g-1, sau 1000 chu kỳ, giá trị Cs của điện cực còn duy trì được 84,3 % so với chu kỳ đầu tiên. Ngoài ra, nhóm tác giả đã thử nghiệm chế tạo mô hình siêu tụ điện có thể làm động cơ công suất 0,5W hoạt động trong khoảng 60s, sau khi được nạp trong khoảng 30s, với điện thế 1,5V và dòng 0,4A.

Đặc biệt, trong những nghiên cứu mới nhất, nhóm tác giả đã tổng hợp thành công vật liệu graphen bằng phương pháp hóa học với tác nhân khử “xanh” acid shikimic. Vật liệu graphen tổng hợp được có ít khuyết tật, ít lớp, có diện tích bề mặt riêng lớn, 311,4 m2 g-1. Trong phép đo nạp xả, rGO khử bằng shikimic có Cs đạt 262 F g-1 và η là 81,5 % tại I = 1 A g-1, cao hơn nhiều so với các vật liệu graphen đã tổng hợp trước đó. Những nghiên cứu hệ thống về vật liệu mới này sẽ được thực hiện trong những công trình tiếp theo của nhóm tác giả. Trong một nghiên cứu mới khác cùng về vật liệu graphen, nhóm nghiên cứu đã bước đầu sử dụng graphen chấm lượng tử trong ứng dụng chế tạo điện cực của siêu tụ điện. Tuy các kết quả thu được chưa thực khả quan, song đây là những nghiên cứu bước đầu mở ra hướng triển khai đầy triển vọng trong việc sử dụng vật liệu chấm lượng tử chế tạo siêu tụ điện.

Các kết quả của đề tài được công bố trên tạp chí Journal of Chemical Science and Engineering và tạp chí Xúc tác Hấp phụ. Với các kết quả trên đây, có thể nói Đề tài đã hoàn thành rất tốt mục tiêu, nội dung và các kết quả đã đăng ký. Nhóm nghiên cứu đề nghị được tiếp tục đầu tư dài hạn cho nghiên cứu phát triển các ứng dụng của vật liệu graphen trong siêu tụ điện.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 15569/2018) tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.