عنوان

ساخت الکتروکاتالیست بر پایه کربید تیتانیوم و بررسی خواص آن

۴۹۳۵پ

فارسی

ساخت الکتروکاتالیست بر پایه کربید تیتانیوم و بررسی خواص آن

[پایان نامه]

زهرا ایمانی

صنعتی سهند

۱۴۰۱

۷۳ص.

مصور، جدول، نمودار

CD

کارشناسی ارشد

فیزیک- ماده چگال

۱۴۰۱/۰۶/۰۱

در سال‌های اخیر، انرژی هیدروژن به دلیل ردپای کربن صفر و چگالی انرژی بالا، به عنوان منبع انرژی تجدیدپذیر و پاک شناخته شده است. هیدروژن در هیدروکربن‌ها و آب وجود دارد و می‌تواند از الکترولیز آب بدون تولید آلودگی تولید شود. پیش نیاز واکنش تولید هیدروژن در تجزیه آب، کاتالیست مناسب و کارآمد با پتانسیل مازاد کم است. اخیراً مواد کاتالیست جدیدی مانند کربیدها و یا نیتریدهای فلزات واسطه در واکنش تولید هیدروژن معرفی شده‌اند. در این تحقیق، پودر بالک کربید تیتانیوم از طریق اچ لایه‌های آلومینیوم در سه دمای 45، 65 و °C 85 از فاز مکس آن، ساخته شد. نتایج حاصل شده از آنالیز پراش اشعه ایکس و طیف‌سنجی پراش انرژی اشعه ایکس، نشان داد که میزان لایه‌برداری لایه‌های آلومینیوم از کربید آلومینیوم تیتانیوم و در نتیجه فاصله صفحات با افزایش دما، افزایش می‌یابد. سپس، سوسپانسیون نانوصفحات کربید تیتانیوم در این سه دما، با به کارگیری امواج فراصوت به دست آمد. در مرحله نخست، با توجه به اهمیت زیرلایه مورد استفاده در فرایند تولید الکتروکاتالیستی هیدروژن، سوسپانسیون نانوصفحات کربید تیتانیوم بر روی زیرلایه‌های فوم نیکل، مش مس و مش استیل لایه‌نشانی شد. آنالیزهای الکتروشیمیایی از الکترودهای حاصل نشان داد که الکتروکاتالیست بر روی زیرلایه فوم نیکل با پتانسیل مازاد mV 207 در چگالی جریان mA.cm-2 10-، فعالیت الکتروکاتالیستی بهتری نسبت به زیرلایههای دیگر دارد. این برتری ناشی از خاصیت الکتروکاتالیستی عنصر نیکل و مساحت سطح بالای آن می‌باشد. در مرحله بعد، سوسپانسیون‌های نانوصفحات کربید تیتانیوم ساخته شده در دماهای مختلف، بر روی فوم نیکل لایه‌نشانی شد. براساس نتایج، نانوصفحات کربید تیتانیوم حاصل در دمای °C 45 با پتانسیل مازاد mV 207 در چگالی جریان mA.cm-2 10-، به عنوان دمای مناسب تعیین گردید که ناشی از مقدار کم گروه‌های عاملی حاوی اکسیژن در سطح لایه‌های کربید تیتانیوم نسبت به دماهای دیگر بود. با افزایش گروه‌های عاملی حاوی اکسیژن، رسانندگی و فعالیت الکتروکاتالیستی کربید تیتانیوم کاهش یافت. در مرحله نهایی، با لایه‌نشانی لایه لایه نانوصفحات کربید تیتانیوم ساخته شده در دمای °C 45 و نانوصفحات دی‌سولفید مولیبدن بر روی زیرلایه فوم نیکل، الکترودی با فعالیت الکتروکاتالیستی مناسب و پتانسیل مازاد mV 160 در چگالی جریان mA.cm-2 10- حاصل گردید. در واقع، هم‌افزایی مساحت سطح زیاد، خاصیت رسانندگی نانوصفحات کربید تیتانیوم، لبه‌های فعال سولفور در نانوصفحات دی‌سولفید مولیبدن و خاصیت الکتروکاتالیستی عنصر نیکل در این الکترود به فعالیت الکتروکاتالیستی بالا منجر گردید.

In recent years, hydrogen energy has been recognized as a renewable and clean energy source due to its zero carbon footprint and high energy density. Hydrogen is present in hydrocarbons and water and can be produced from electrolysis of water without pollution production. A prerequisite for the hydrogen evolution reaction in water splitting is a suitable and efficient catalyst with a low overpotential. Recently, new catalyst materials such as carbides or/and transition metal nitrides have been introduced in the hydrogen evolution reaction. In this research, bulk titanium carbide powder was synthesized by etching aluminum layers at three temperatures of 45, 65 and 85 °C from its Max phase. The results obtained from X-ray diffraction analysis and X-ray energy diffraction spectroscopy showed that the exfoliation rate of aluminum layers from titanium aluminum carbide and as a result the distance between the plates increases with increasing temperature. Then, the suspension of titanium carbide nanosheets at these three temperatures was obtained by using ultrasonic waves. In the first step, considering the importance of the used substrate in the electrocatalytic hydrogen evolution process, the suspension of titanium carbide nanosheets was deposited on nickel foam, copper mesh and steel mesh substrates. Electrochemical analysis of the resulted electrodes showed that the electrocatalyst on nickel foam substrate with an overpotential of 207 mV at a current density of -10 mA.cm-2 has better electrocatalytic activity than the other substrates. This superiority is resulted from the electrocatalytic properties of the nickel element and its a high surface area. In the next step, the synthesized titanium carbide nanosheet suspensions at different temperatures were deposited on nickel foam. Based on the results, the obtained titanium carbide nanosheets at temperature of 45 °C with an overpotential of 207 mV at a current density of -10 mA.cm-2 was determined as appropriate temperature, due to the low amount of oxygen containing functional groups on the surface of the titanium carbide layers compared to other temperatures. With the increase of oxygen containing functional groups, the conductivity and then the electrocatalytic activity of titanium carbide decreased. In the final step, with layer by layer deposition of the synthesized titanium carbide nanosheets at 45 °C and molybdenum disulfide nanosheets on the nickel foam substrate, an electrode with a suitable electrocatalytic activity and an overpotential of 160 mV at a current density of -10 mA.cm-2 was obtained. In fact, the synergy of high surface area, conductivity of titanium carbide nanosheets, sulfur active edges in molybdenum disulfide nanosheets and electrocatalytic property of nickel element in this electrode led to high electrocatalytic activity.

Synthesis of electrocatalyst based on titanium carbide and investigation of its properties

کربید تیتانیوم

پتانسیل مازاد

واکنش تولید هیدروژن

کربید تیتانیوم، اچ، پتانسیل مازاد، واکنش تولید هیدروژن

Titanium carbide, Etching, Overpotential, Hydrogen evolution reaction

ایمانی، زهرا

یوسف‌زاده

، سمیرا

استاد راهنما

صنعتی سهند

ایران

دانشگاه صنعتی سهند

فیزیک، ۹۰۲۰۸، ۱۴۰۱

p

TF

92029

a

Y