ساخت و بررسی الکتروکاتالیست های آندی برپایه نانوذرات پلاتین روی بسترهای مختلف برای کاربرد در پیل های سوختی الکلی مستقیم

نوع: Type: پایان نامه

مقطع: Segment: دکتری

عنوان: Title: ساخت و بررسی الکتروکاتالیست های آندی برپایه نانوذرات پلاتین روی بسترهای مختلف برای کاربرد در پیل های سوختی الکلی مستقیم

ارائه دهنده: Provider: صدیقه امیری نژاد

اساتید راهنما: Supervisors: دکتر جلال بصیری پارسا

اساتید مشاور: Advisory Professors:

اساتید ممتحن یا داور: Examining professors or referees: دکتر جواد صاین - دکتر عبدالله سلیمی - دکتر مسعود رحیمی

زمان و تاریخ ارائه: Time and date of presentation: شنبه 22 مهر 1402 ساعت 10

مکان ارائه: Place of presentation: آمفی تئاتر پروفسور اردشیر خزایی

چکیده: Abstract: هدف این تحقیق، کاهش هزینه، ارتقاء فعالیت کاتالیستی و پایداری الکتروکاتالیست های آندی برپایه نانوذرات پلاتین برای کاربرد در پیل های سوختی الکلی مستقیم بود. در دو کار تحقیقی، الکتروکاتالیست های آندی با استفاده از اکسید فلزات و زیرلایه پارچه کربن تهیه شدند. سپس، آزمایشات فیزیکی و الکتروشیمیایی جهت بررسی عملکرد آن ها در واکنش اکسایش متانول در نیم پیل الکتروشیمیایی و پیل سوختی انجام شد. نتایج بررسی های مورفولوژی و الکتروشیمیایی الکترودهای تهیه شده با الکترود Pt@CC مقایسه شد تا اثر اصلاح عملکرد کاتالیست پلاتین در واکنش اکسایش متانول مشخص شود. در کار تحقیقی اول، آنتیموان (Sb) با درصدهای مولی مختلف (0، 4، 8 و 12%) دوپ شده با اکسید قلع (SnO2) بر روی لایه پشتیبان از پارچه کربن (CC) در بارگذاری پلاتین بسیار کم (04/0 میلی گرم در سانتی متر مربع) تهیه شد. با به کارگیری فرآیندهای سل-ژل و هم رسوبی، به عنوان روش های مناسب و ساده در تهیه الکتروکاتالیست ها، نانوذرات کامپوزیتی برسطح بستر هادی پارچه کربن به خوبی توزیع شدند. نتایج آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نشان داد که دوپینگ SnO2 با Sb باعث کاهش میانگین اندازه ذرات پلاتین در سطحSnO2-CC ، Sb4-SnO2-CC، Sb8-SnO2-CC و Sb12-SnO2-CC به ترتیب به میزان 90، 60، 70 و 80 نانومتر نسبت به سطح CC به مقدار 100 نانومتر شد. همین طور، نتایج طیف پراش پرتو ایکس (XRD) نیز نشان داد که ترکیب نانوذرات Sb و Pt در SnO2 آمیخته شده و ساختار روتیل چهارضلعی آن حفظ شد. همچنین، به منظور کاهش هزینه تهیه الکتروکاتالیست، مقدار بارگذاری پلاتین با توزیع گسترده و مناسب آن بر روی مواد پشتیبان به حداقل رسید. در نتیجه، با افزایش نقاط فعال کاتالیستی در دسترس برای واکنش های الکتروشیمیایی، چگالی جریان در واکنش اکسایش متانول افزایش یافت. بیشترین ناحیه سطح فعال الکتروشیمیایی در الکترودهای تهیه شده مربوط به ترکیب 4 درصدی از Sb به مقدار 4/24 متر مربع بر گرم در محیط اسیدی بود. بیشترین چگالی جریان نیز در پتانسیل 71/0 ولت برای الکترود Pt@Sb4-SnO2-CC به مقدار 5/15 mA cm-2 در اکسایش متانول به دست آمد، در حالی که مقدار آن 2/1 برابر بیشتر از الکترود Pt@CC بود. همچنین، تجزیه و تحلیل نتایج آزمایشات کرونوآمپرومتری و ولتامتری عاری سازی مونوکسیدکربن نشان داد که این الکترود بیشترین مقاومت را در برابر مسمومیت با CO با اکسایش گونه های حد واسط مونوکسیدکربن جذب شده بر سطح کاتالیست داشت. نتایج طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) نیز نشان داد که حداقل مقاومت انتقال بار ( Rct) 6/17 Ω cm2 برای الکترود Pt@Sb4-SnO2-CC به دست آمد. فعالیت الکتروکاتالیستی بیشتر پلاتین منجر به افزایش سرعت واکنش اکسایش متانول در سطح الکترود و کاهش مقدار Rct شد. در آزمایش DMFC فعال، توان و چگالی جریان بالای این الکترود به ترتیب 11 mW cm-2 و 66 mA cm-2 در ولتاژ پیل 2/0 ولت به دست آمد. نتایج آزمایشات الکتروشیمیایی نشان داد که اصلاح فعالیت کاتالیست پلاتین و استفاده از SnO2 دوپ شده با Sb باعث بهبود فعالیت و پایداری الکترودها شد. در کار تحقیقی دوم، الکتروکاتالیست های نانوساختار آندی مختلف با استفاده از پلاتین، آلومینیوم، تیتانیوم، روی و پارچه کربن به صورت Pt@ZnO-CC، Pt@Al-ZnO-CC، Pt@Ti-ZnO-CC وPt@Al-Ti-ZnO-CC آماده گردید. نتایج نشان داد که اصلاح عملکرد کاتالیست پلاتین و استفاده از ZnOدوپ شده با Al و Ti برهم کنش قوی با نانوذرات پلاتین برقرار کرده و موجب افزایش پایداری الکتروشیمیایی این کاتالیست شد. نتایج نشان داد که آمیختن نانوذرات Al، Ti و Pt به ساختار شش ضلعی ورتزیت (wurtzite) ZnOآسیبی وارد نکرد. دوپینگ ZnO با نانوذرات Al و Ti، پراکندگی کاتالیزور پلاتین را بهبود بخشیده و چگالی جریان را 6/1 برابر در مقایسه با الکترود Pt@CC افزایش داد. بیشترین ناحیه سطح فعال الکتروشیمیایی به مقدار 6/98 متر مربع بر گرم، حداقل مقدار Rct 14 Ω cm2، و پایداری خوب در برابر مسمومیت با مونوکسیدکربن برای الکترود Pt@Al-Ti-ZnO-CC به دست آمد. این الکترود در آزمایش DMFC فعال، حداکثر توان و چگالی جریان را به ترتیب 1/15 mW cm-2 و 4/83 mA cm-2 در ولتاژ پبل 2/0 ولت نشان داد. در آزمایش EIS، مقادیر مقاومت انتقال بار در آند (Rct,a)، کاتد (Rct,c)، ظرفیت لایه دوگانه در آند (CPE-a)، کاتد (CPE-c) و مقاومت توده (Rohm) با معادل سازی نتایج با نرم افزار Zview به دست آمد. Rohm مقاومت مربوط به غشا تبادل پروتونی است. مقادیر Rct,a و Rct,c با کاهش ولتاژ سلول از 3/0 به 2/0 ولت به ترتیب 6/11 و 6/26 درصد کاهش نشان داد. با کاهش ولتاژ پیل، انرژی فعال سازی واکنش فراهم شده و مقاومت انتقال بار در سطح الکترودها کاهش یافت.