سنتز نانو کاتالیست Pd/ZrO2-rGO برای تولید سوخت هیدروژن از الکترولیز آب

0

مینا سبک خیز /  فریبا فتحی راد

در کار حاضر نانو کامپوزیت پایه گرافنی پالادیم- زیرکونیوم اکساید با استفاده از روش هیدروترمال سنتز شد. نانو کامپوزیت با استفاده از تکنیک های مختلف شامل FESEM و XRD مشخصه یابی گردید. عملکرد نانو کامپوزیت سنتزی به عنوان کاتالیست در واکنش تکامل هیدروژن با استفاده از ولتامتری روبش خطی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که نانو کاتالیست پیشنهادی بدلیل داشتن مساحت سطح فعال بالا و خصلت فوتوکاتالیستی، چگالی جریان بیشتر و اضافه ولتاژ کمتری را ایجاد می کند. این نانو کاتالیست همچنین بدلیل پایداری در زمان های بالا، می تواند به عنوان یک کاتالیست کارامد در واکنش تکامل هیدروژن معرفی گردد.

 کلمات کليدي: نانو کاتالیست، تکامل هیدروژن، الکترولیز، گرافن اکسید

 مقدمه

امروزه استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر به دلیل نگرانی ها در مورد گرمایش جهانی، رشد جمعیت، مصرف سریع منابع فسیلی و آسیب های زیست محیطی ناشی از سوخت های فسیلی، مورد توجه قرار گرفته است. هیدروژن به عنوان یکی از امیدوار کننده ترین منابع انرژی پاک محسوب می‌شود. اهمیت این گاز به اندازه‌ای است که آن را سوخت قرن آینده می‌دانند. هیدروژن که راندمان احتراق بالایی دارد، برای سوختن تنها به اکسیژن نیازمند بوده و تک محصول آن آب است. لذا زمانی که به عنوان سوخت در موتورها استفاده شود، آلایندگی نداشته و می‌تواند مقدار گاز گلخانه‌ای را کاهش دهد. گاز هیدروژن را می‌توان از دو منبع فسیلی (اکسایش جزئی نفت سنگین، فرایند رفورمینگ گاز طبیعی) و غیر فسیلی تولید کرد. اما منابع فسیلی محدود و تجدید ناپذیرند. با این وجود، درحال حاضر ٩٨ درصد از کل هیدروژن تولید شده در جهان، از سوخت‌های فسیلی به دست می‌آید (Darband و همکاران، 2017). هدف از انجام این کار تولید درجای گاز هیدروژن از منبع غیرفسیلی با استفاده از نانو کاتالیست ها بوده است. در راستای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای، خودروهای مجهز به پیل سوختی، از هیدروژنِ استخراج شده از ابکافت برای تامین انرژی استفاده می‌کنند. تکنولوژی پيل سوختی با توجه به خواص منحصر به فرد خود، از جمله چگالی انرژی بالا و محصولات جانبی نسبتاً تميز، رفع آلودگی ناشی از سوخت های فسیلی و امکان تولید مستقیم برق می تواند يک جايگزين مناسب براي توليد انرژی پاک از منابع تجديد پذير برای هر دو کاربرد نيروگاهی و متحرک و يکی از جنبه های مورد مطالعه در اين زمينه محسوب شود. از آنجایی که به طور معمول نیم واکنش های الکتروشیمیایی در فرایند تولید هیدروژن در دمای پایین به کندی اتفاق می افتد، بنابراین برای افزایش سرعت واکنش از کاتالیست استفاده می شود. در زمينه های تحقيقاتی کاتاليست و الکتروشيمی، ترکيبات تک و چند فلزی شامل فلزات گرانبها (نقره، پلاتين، پالاديم) و فلزات واسطه (روی، کبالت، نيکل، موليبدن) کاربردهاي گوناگوني دارند و تلاش گسترده ای به منظور بررسی آن ها به عنوان کاتاليست آندی در پيل های سوختی انجام شده است. فلزاتی مانند پالاديم و پلاتين به دلیل قيمت بالاي آن ها باعث افزايش هزينه کل کاتاليست می شود.  بر این اساس پیشنهاد نانوکاتالیست هایی با حداکثر راندمان و حداقل آلودگی جهت کاتالیز فرآیند الکترولیز آب ضرورت دارد (Huanhuan 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 گرافن اکسید

جهت سنتز گرافن اکسید از روش اصلاح شده هامر استفاده شد (Hummers و همکاران، 1958). در این روش پودر گرافیت به عنوان ماده اولیه اصلی تولید گرافن اکسید به کار گرفته شد. ابتدا پودر گرافیت و اسید سولفوریک غلیظ در یک بشر 250 میلی لیتری ریخته و هم زده شد. سپس نیترات سدیم به آن اضافه گردید و پس از یک ساعت هم خوردن در حمام آب یخ، دمای محلول تا صفر درجه سانتیگراد پایین آورده شد. پس از آن پرمنگنات پتاسیم به تدریج و در یک دوره زمانی 2 ساعته به آن اضافه شد. پس از اتمام مرحله افزایش پرمنگنات پتاسیم دمای مخلوط واکنش تا 35 درجه سانتی گراد افزایش داده شد و سپس به مدت 2 ساعت در این دما هم زده شد. آب دوبار تقطیر به ظرف واکنش افزوده شد و سپس در دمای 90 درجه سانتی¬گراد و به مدت 30 دقیقه هم زده شد. واکنش با افزودن 16 میلی لیتر آب اکسیژنه 30% متوقف گردید. جهت تک لایه کردن گرافن اکسید، سوسپانسیون حاصل به مدت 30 دقیقه در معرض امواج فراصوت قرار گرفت. گرافن اکسید تولید شده ابتدا با محلول کلریدریک اسید و سپس با آب دوبار تقطیر شست و شو داده شد. سوسپانسیون به دست آمده پس از هربار شست و شو با روش فیلتراسیون صاف گردید. درنهایت رسوب  قهوه ای رنگ حاصل به مدت 24 ساعت در آون خلاء و با دمای 40 درجه سانتی¬گراد قرار گرفت و خشک شد.

 2-3 سنتز نانوکامپوزیت

جهت سنتز نانو کامپوزیت 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.

 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 نانو ذرات 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 عملکرد کاتالیستی در فرایند الکترولیز آب

به منظور بررسی و مقایسه فعالیت الکتروکاتالیستی نانو کامپوزیت های مختلف، از تکنیک ولتامتری روبش خطی استفاده شد. ولتاموگرام ثبت شده مربوط به الکترود پوشش داده شده با نانوکامپوزیت Pd/ZrO2-rGO را در محلول پتاسیم هیدروکسید و در سرعت روبش 10 میلی ولت بر ثانیه در محدوده پتانسیلی مشخص نشان می دهد. در همه اندازه گیری ها پتانسیل نسبت به الکترود مرجع Ag/AgCl سنجیده می شود. همانطور که در شکل مشاهده میشود، پتانسیل شروع تولید هیدروژن در سطح کاتد پوشش داده شده با نانوکامپوزیت، کم و به عبارت دیگر اضافه ولتاژ کمی برای تولید هیدروژن در سطح این کاتالیست مورد نیاز است. علاوه بر این، میزان چگالی جریان در یک پتانسیل ثابت مقدار قابل قبولی می باشد.

شکل 2- ولتاموگرام روبش خطی در سطح کاتد پوشش داده شده با نانوکامپوزیت Pd/ZrO2-rGO

4 نتيجه ­گيري

به طور کلی فعالیت الکتروکاتالیستی یک الکترود را در فرایند الکترولیز آب عملکرد سایت های فعال از طریق عبور الکترون ها تعیین میکند. در نتیجه ممکن است که الکترون به آسانی بین سطح الکترودها و گونه های الکتریکی منتقل شود و در نتیجه چگالی جریان افزایش یابد. پس چنین میتوان اسنتباط کرد که خواص الکتروکاتالیستی الکترود به ماهیت مواد و همچنین مورفولوژی سطح آن بستگی دارد. از سوی دیگر حباب های که در طول واکنش تکامل هیدروژن روی سطح الکترود تشکیل می شود، به دلیل عدم جابجایی و کاهش سطح الکترود منجر به ساخت یک مانع میشود. بر این اساس اضافه ولتاژ افزایش یافته و از فعالیت الکترود کاسته میشود. بر همین اساس پوشش سطح الکترود با کاتالیست های کارا که توانایی کاهش اضافه ولتاژ و افزایش چگالی جریان را داشته باشند، در فرایند الکترولیز آب و تولید هیدروژن بسیار حائز اهمیت است. در کار حاضر نانوکامپوزیت سنتز شده به عنوان کاتالیست پوشش دهنده کاتد در فرایندهای تولید هیدروژن به روش الکتروشیمیایی مورد بررسی و ارزیابی قرار گرفت. نتایج به دست آمده نشان می دهد که این ترکیب چگالی جریان بالایی را در اضافه ولتاژ پایین تولید میکند. پس می توان آن را به عنوان یک کاتالیست کارامد برای فرایند تکامل هیدروژن پیشنهاد کرد.

منابع

Darband G B, Aliofkhazraei M, Rouhaghdam A S, Nickel nanocones as efficient and stable catalyst for electrochemical hydrogen evolution reaction, International Journal of Hydrogen Energy, 2017, 42, 14560-14565.

Huanhuan, L.Yong, W. Can, L. Yinyan, G. Lengyuan, N. Xinjuan, L. Qing, J. Changqing, S. Shiqing, X. (2019), ” Design of Pt/t-ZrO2/g-C3N4 efficient photocatalyst for the hydrogen evolution reaction”, Applied Catalysis B: Environmental, Vol. 251, pp. 305-312.

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

سفارش کتاب مقالات

اشتراک:

درباره نویسنده

نظرات بسته اند

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