بهبود راندمان تولید الکتریسیته در پیل های سوختی با استفاده از نانوکاتالیست آندی چند جزئی

0

 مینا سبک خیز / فریبا فتحی راد

پیل در کار تحقیقاتی حاضر نانوساختار دوجزئی پالادیم- زیرکونیوم اکساید به صورت هتروژن بر روی بستر گرافنی سنتز شد و پس از مشخصه یابی ساختار توسط تکنیک های مختلف شامل FESEM و XRD فعاليت و پايداري آن به عنوان کاتالیست آندی پيل سوختي، براي الکترواکسيداسيون متانول توسط ولتامتری چرخه ای مورد بررسي قرار گرفت و با ترکيب تک فلزي پالاديم مقايسه شد. نتایج بدست آمده نشان داد که نانوساختار دو فلزی سنتز شده نسبت به ترکیب تک فلزی پالادیم عملکرد بهتری دارد. این کاتالیست دو جزئی، علاوه بر این که میزان چگالی جریان را افزایش می دهد، باعث کاهش اضافه ولتاژ فرایند می شود. براین اساس، نانوساختار دو فلزی پیشنهادی می تواند به خوبی به عنوان الکتروکاتالیست آندی در پیل های سوختی الکلی مورد استفاده قرار گیرد.

کلمات کليدي: نانوساختار دوجزئی، پیل سوختی، الکترواکسیداسیون، متانول

 مقدمه

يک نياز فوري در قرن بيست و يکم، توليد انرژي همراه با حفاظت محيط زيست است. نيازي که پژوهش هاي گسترده اي را در تکنولوژي تبديل انرژي، مانند پيل هاي سوختي به فعاليت واداشته است. يکي از شيوه هاي اساسي که تکنولوژي آن در دهه اخير به سرعت توسعه يافته است، استفاده از پيل‌هاي سوختي جهت تأمين همزمان الکتريسيته و حرارت به روش الکتروشيميايي مي‌باشد. تلاش ها به سوي تجاري سازي مقرون به صرفه پيل هاي سوختي مبتني بر کاهش وابستگي به نفت و کاهش آلودگي، اختصاص داده شده است.  پيل‌هاي سوختي يک جايگزين براي توليد انرژي پاک از منابع تجديد پذير براي هر دوي کاربردهاي نيروگاهي و متحرک هستند. در پيل‌هاي سوختي، الکتريسيته و آب از هيدروژن يا سوخت غني از هيدروژن و اکسيژن در يک واکنش الکتروشيميايي، همراه با آزاد شدن گرما، توليد مي‌شود. يک واحد پيل شامل آند، الکتروليت و کاتد است و توسط يک صفحه جدا‌کننده دو قطبي از پيل مجاور جدا شده است. فن آوري‌ پيل سوختي برحسب نوع الکتروليت به‌کاربرده شده در آن نام گذاري مي‌شود. پنج نوع مشخص از پيل‌هاي سوختي توسعه يافته‌اند. پيل‌سوختي غشا تبادل پروتوني يا پيل‌سوختي غشا الکتروليت پليمري، پيل الکترو‌شيميايي است که از نقطه‌ نظر طراحي و كاركرد يكي از جذاب ترين انواع پيل ‌سوختي است و به طور مداوم مي‌تواند انرژي شيميايي سوخت و اکسيدان را به برق تبديل کند. اين نوع پيل‌سوختي پيل‌ سوختي پليمري داراي الكتروليت پليمري به شكل يك ورقه نازك منعطف است كه رساناي يون هيدروژن (پروتون) مي‌باشد و بين دو الكترود متخلخل قرار مي‌گيرد. سوخت مصرفي در پيل‌ سوختي پليمري نيازمند هيدروژن خالص است،  باتوجه به این که انتقال هیدروژن خالص به پیل سوختی مشکل است لذا به يک مبدل در خارج پيل‌ سوختي جهت تبديل سوخت‌هاي متانول و يا بنزين به هيدروژن نياز است.یکی از انواع پیل های سوختی غشا تبادل پروتونی پيل هاي سوختي الکلي مستقيم است که از (متانول، اتانول، اتيلن گليکول، گليسرول و…)به عنوان منبع تامین هیدروژن استفاده میکند. به منظور تسهیل واکنشهای شیمیایی از طریق پایین آوردن پتانسیل اضافی و تسریع سرعت و برای به حداکثر رساندن چنین تحولاتی، معمولاً یک کاتالیست در سطح الکترودها به کار برده میشود (Halim و همکاران، 2019، Siwal و همکاران، 2019(

  • بخش تجربی

2-1 مواد و دستگاه ها

پالاديم استات (Pd(CH3COO)2) با درجه خلوص 98 درصد، زیرکونیوم سولفات (Zr(SO4)2·xH2O) با درجه خلوص بالاي 98 درصد خريداري شده از شرکت سيگما آلدريچ . پتاسیم پرمنگنات (KMnO4)، سولفوریک اسید (H2SO4)، کلریدریک اسید (HCl)، استیک اسید (CH3COOH)، آب اکسیژنه (H2O2)، سدیم هیدرواکسید (NaOH) ، اتانول (CH3CH2OH)، و متانول(CH3OH)، خریداری شده از شرکت مرک آلمان. پودر گرافیت خریداری شده از شرکت ازمیران کشور ایران.

ترازوي ديجيتال مدل210  LIBROR AEU- با دقت 0001/0 گرم، ساخت شرکت شيمادزو کشور ژاپن، رآکتور شيميايي مدل FK-200 ساخت شرکت فن آوران کيميا آزما کشور ايران، حمام فراصوت مدل EASY 30 H ساخت کشور آلمان، آون ممرت ساخت کشور آلمان، دستگاه سانتریفیوژ سهند مدل T.A ساخت کشور ایران، هیتر مجهز به همزن مغناطیسی مدل 34532 ساخت Ceno Instrumentenb.v  کشور هلند، pH متر ديجيتالي، مدل 827 متروهم با الکترود ترکيبي کالومل- شيشه، ساخت کشور سوئيس، آون خلأ مدل YVO 500-32 ساخت شرکت ياران بهگزين پارسا کشور ايران، دستگاه پتانسيواستات/گالوانواستات مدل PGSTAT101 ساخت شرکت Autolab کشور هلند، مجهز به ريز پردازنده کامپيوتري و داراي يک سل سه الکترودي ساخت شرکت متروهم  کشور سوئيس، شامل الکترود کار (کربن شيشه به قطر 2 ميلي متر)، الکترود مرجع Ag/AgCl و الکترود کمکي پلاتين.

  • سنتز نانوساختار دوجزئی بر پایه گرافن

جهت سنتز گرافن اکسید از روش اصلاح شده هامر استفاده شد (Hummers و همکاران، 1958). پس از سنتز گرافن اکسید و به منظور سنتز نانوکامپوزیت پایه گرافنی پالادیم- زیرکونیوم اکسید از روش هیدروترمال استفاده شد. در این روش محلول محتوی مقادیر مشخصی از نمک پالادیم، زیرکونیوم و سدیم سیترات به مقدار معینی از اتیلن گلیکول اضافه شد. پس از تنظیم pH روی 9، گرافن اکسید اضافه شد و سوسپانسیون حاصل به مدت 30 دقیقه در حمام سونیک قرار گرفت. سپس مخلوط به یک راکتور شیمیایی منتقل شد و به مدت 5 ساعت در دمای 150 درجه سانتی¬گراد قرار گرفت. پس از خنک شدن در دمای محیط، رسوب سیاه رنگ حاصل چندین مرتبه با اتانول و آب مقطر شست و شو داده شد و در دمای 80 درجه سانتی¬گراد خشک گردید.

 2-3 آماده سازی آند پوشش داده شده با کاتالیست

جهت سنجش عملکرد نانوساختار سنتز شده به عنوان کاتاليست واکنش اکسايش متانول، از الکترود کربن شيشه اي به قطر 2 ميلي متر به عنوان آند در فرايند هاي الکترواکسيداسيون استفاده شد. جهت پوشش دادن سطح آند، 5 ميلي¬گرم از کاتاليست با به کارگیری حمام فراصوت، در مخلوط 1 ميلي¬ليتر اتانول محتوی 10 ميکروليتر نافيون 5 درصد وزني به مدت 15 دقيقه پراکنده شد. 5 ميکروليتر از سوسپانسيون به دست آمده روي سطح آند قرار گرفت و تا خشک شدن کامل در مجاورت هوا قرار داده شد. بررسي هاي ولتامتري چرخه اي، در محلول قليايي 1 مولار پتاسيم هيدروکسيد محتوي مقادير مناسب از متانول و تحت سرعت روبش 10 ميلي¬ولت بر ثانيه و در دماي 1±22 درجه سانتي گراد صورت گرفت.

 

  • نتایج

3-1  بررسی ساختار و مورفولوژی نانوکاتالیست

ساختار کريستالي و خلوص فازي ترکيبات سنتز شده با استفاده از XRD بررسي شد (شکل 1- سمت راست). همه پیک ها کاملاً قابل تشخیص از یکدیگرند و به خوبی تشکیل فاز کریستالی پالادیم و زیرکونیوم اکسید را بر روی بستر کربنی تأیید می کند.

جهت تعيين مورفولوژي از ميکروسکوپ الکتروني روبشي استفاده شد (شکل 1- سمت چپ). نقاط مشاهده شده روي زمينه گرافن اکسید نشان دهنده نانوذرات سنتز شده با مورفولوژي يکنواخت، شکل کروي و ساختار متخلخل می باشد.

شکل 1 الگوی XRD (سمت راست) و تصویر FESEM (سمت چپ) نانوکامپوزیت Pd/ZrO2-rGO

3-2 بررسی فعالیت کاتالیتیکی نانو¬کاتالیست در اکسایش متانول

فعاليت کاتاليستي نانوساختار سنتز شده و کاتاليست متداول Pd/VC در واکنش اکسايش الکتروکاتاليستي اتیلن متانول توسط ولتامتري چرخه اي در محلول 0/1 مولار پتاسيم و 1 مولار متانول و در سرعت روبش 50 ميلي ولت بر ثانيه بررسی شد. مقادیر دانسيته جريان براي اين کاتالیست در شکل2 نشان داده شده است. پيک جريان موجود در ناحيه پتانسيلي حدود 2/0- ولت، مربوط به اکسايش متانول روي سطح نانوکاتالیست است. مکانيسم اکسيداسيون متانول شامل دو نيم واکنش اکسايش و کاهش در سطح آند و کاتد است به شرح زیر است:

CH3OH + H2O ==> CO2 + 6H+ + 6e                                          واکنش آند

3/2 O2 + 6 H+ + 6e ==> 3 H2O                                                 واکنش کاتد

CH3OH + 3/2 O2 ==> CO2 + 2H2O واکنش کلي در پيل سوختي

شکل 2- ولتاموگرام هاي چرخه ای کاتالیست تک جزئی پالادیم و دو جزئی ، در محلول 0/1 مولار پتاسيم هيدروکسيد و 1 مولار متانول

4 نتيجه­ گيري

در پيل هاي سوختي مسأله اصلي در هزينه پيل، قيمت تمام شده غشاي مورد استفاده است. همچنين الكتروكاتاليست هايي كه در الكترودهاي آند و كاتد پيل هاي سوختي مورد استفاده قرار مي گيرند، از چالش های اساسی فناوری پیل سوختی محسوب می شوند. این الکتروکاتالیست ها به طور عمده از جنس فلزات گران بهايي هستند كه باز هم هزينه بالايي را برای این فناوری ايجاد مي كنند. در این کار، نانوساختار دوجزئی پالادیم- زیرکونیوم اکساید به صورت هتروژن بر روی بستر گرافنی سنتز شد. عملکرد این ترکیب به عنوان کاتالیست آندی پیل سوختی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج بدست آمده نشان داد که افزايش زیرکونیم اکسید به کاتاليست تک فلزي پالاديم، قادر است تا فعاليت کاتاليتيکي و پایداری را براي الکترواکسيداسيون متانول به مقدار قابل توجهی ارتقا دهد. براین اساس، نانوساختار دو فلزی پیشنهادی می تواند به خوبی به عنوان الکتروکاتالیست آندی در پیل های سوختی الکلی مورد استفاده قرار گیرد.

منابع

Halim, El M. Miloud, E. Hubert, Perrot, O. Sel, Kh. Lafdic, M, El Rhazi. (2019) “Synthesis of carbon nanofibers/poly(para-phenylenediamine)/nickel particles nanocomposite for enhanced methanol electrooxidation”, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 44, pp. 24534

Siwal, S. S. Thakur, S. Zhang,Q. B. Thakur, V. K. (2019) ” Electrocatalysts for electrooxidation of direct alcohol fuel cell: chemistry and applications”, Materials Today Chemistry, Vol. 14, pp. 100182.

Hummers, Jr W.S. and Offeman, R.E. (1958). “Preparation of graphitic oxide”, Journal of the american chemical society, Vol. 80(6), pp. 1339.

مقاله مرتبط

ماهنامه زیست بان

اشتراک:

درباره نویسنده

نظرات بسته اند

برچسب‌ها : % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % %
Call Now Button