عنوان

سنتز جوهرهاي کاتالیستی بر پایۀ نانو ذرات برخی از فلزات واسطه با پایه آلیاژ نیکل بر روي بستر فوم نیکل وبررسی رفتار آنها در عملکرد پیل سوختی با غشاي پلیمري

پ۲۹۶۱۳

per

سنتز جوهرهاي کاتالیستی بر پایۀ نانو ذرات برخی از فلزات واسطه با پایه آلیاژ نیکل بر روي بستر فوم نیکل وبررسی رفتار آنها در عملکرد پیل سوختی با غشاي پلیمري

طاهره محمدی

شیمی

۱۴۰۲

۱۷۶ص.

سی دی

دکتری

شیمی تجزیه

۱۴۰۲/۰۶/۲۲

سوخت های فسیلی منابع انرژی رو به زوالی هستند که جامعه رو به توسعه انسانی را در آینده ای نه چندان دور دچار کمبود سوخت می سازند. بنابراین ضرورت انتخاب جایگزین مناسب، ارزان قیمت و تمیز برای سوخت های فسیلی آشکار است. از جمله انرژی های مطرح، انرژی الکتریکی تولید شده بوسیله پیل های سوختی است، که به دلیل بازدهی بسیار بالا و عدم آلایندگی محیط زیست، درحال حاضر راه حل مناسبی جهت عبور از تنگنای انرژی و آلودگی محیط زیست می باشد. هدف از تحقیق حاضر، سنتز انواع الکتروکاتالیست های آندی با فعالیت کاتالیستی بالا و پایداری خوب بر پایه ی آلیاژ نیکل با نانو ذرات فلزی مانند کبالت و روتنیوم بر روی بستر فوم نیکل (NF) و فوم نیکل پوشش داده شده توسط گرافن اکسید احیا شده (rGO) و ارزیابی عملکرد آنها در پیل های سوختی غشای الکترولیت پلیمری است. در بخش اول رساله الکترود های NF، rGO/NF، Ni-Co/NF، Ni-Co/rGO/NF، Ru-Ni/NF، Ru-Ni/rGO/NF و Ru/NF با نسبت های گوناگون از فلزات نیکل، کبالت و روتنیوم سنتز گردید. شناسایی فیزیکی این الکترودها با استفاده از تکنیک های میکروسکوپ الکترونی روبشی نشر میدانی (FE-SEM)، طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (FT-IR)، طیف بینی پراکندگی رامان (Raman)، پراش سنجی پرتو ایکس (XRD) و طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس (XPS) انجام گردید. در بخش دوم رساله، فعالیت الکتروشیمیایی الکتروکاتالیست های سنتز شده در الکترواکسیداسیون سدیم بورهیدرید و هیدرازین بررسی گردید. بر اساس نتایج بدست آمده اثر بخشی rGO ثابت گردید و مشخص شد که الکتروکاتالیست های سنتز شده با حضور rGO دارای چگالی جریان بالاتر، پایداری بیشتر، اضافه ولتاژ کمتر و مقاومت انتقال بار کوچکتر می با شند. در بخش سوم رساله، کاتالیست های بهینه به عنوان آند در پیل سوختی سدیم بورهیدرید-هیدروژن پراکسید و پیل سوختی هیدرازین-هیدروژن پراکسید مورد استفاده قرار گرفت. همچنین در بخشی دیگر از این رساله سعی شد تا در بخش کاتدی پیل سوختی اصلاحاتی انجام گیرد و بجای نشاندن الکتروکاتالیست کاتدی Pt/C بر روی غشا پلیمری نفیون از الکتروکاتالیست مخلوط اکسیدهای فلزی مانند IrO2-Ta2O5-SiO2/Ti استفاده گردد. نتایج نشان داد که اگرچه چگالی توان در برخی موارد زیاد بالا نیست اما مشکلات مربوط به ریخته شدن کاتالیست از روی غشا، چروکیده شدن غشا و نیز توزیع غیریکسان کاتالیست بر روی غشا حذف خواهد شد. بنابراین این الکتروکاتالیست نسبتا ارزان می تواند جایگزین خوبی برای الکتروکاتالیست تجاری Pt/C باشد. حداکثر چگالی توان در پیل سوختی با الکتروکاتالیست آندی Ni-Co/rGO/NF و الکتروکاتالیست کاتدی IrO2-Ta2O5-SiO2/Ti برای سوخت سدیم بورهیدرید mW cm-2 337 و برای سوخت هیدرازین mW cm-2 187 بدست آمد.

Fossil fuels are depleting energy sources that will make developing human society suffer from fuel shortage in the not too distant future. Therefore, the need to choose a suitable, cheap and clean alternative to fossil fuels is obvious. Among the mentioned energies is the electric energy produced by fuel cells, which due to its very high efficiency and lack of environmental pollution, is currently a suitable solution to overcome the energy shortage and environmental pollution. The aim of this research is to synthesize a variety of anodic electrocatalysts with high catalytic activity and good stability base on nickel alloy with metal nanoparticles such as cobalt and ruthenium on nickel foam substrate and nickel foam substrate by reduced graphene oxide (rGO) and evaluating their performance in polymer electrolyte membrane fuel cells. In the first part of the treatise, NF, rGO/NF, Ni-Co/NF, Ni-Co/rGO/NF, Ru-Ni/NF, Ru-Ni/rGO/NF and Ru/NF electrodes with various ratios of nickel, cobalt and ruthenium metals were synthesized. Physical identification of these electrodes was done using FE-SEM, FT-IR, Raman, XRD and XPS techniques. In the second part of the treatise, the electrochemical activity of the synthesized electrocatalysts in the electrooxidation of sodium borohydride and hydrazine was investigated. Base on the obtained results, the effectiveness of reduced graphene oxide was proved and it was found that the electrocatalysts synthesized with the presence of rGO have higher current density, more stability, lower overvoltage and smaller charge transfer resistance. In the third part of the thesis, the optimal catalysts were used as anodes in sodium borohydride-hydrogen peroxide fuel cell and hydrazine-hydrogen peroxide fuel cell. In addition, in another part of this treatise, an attempt was made to make improvements in the cathode part of the fuel cell, and instead of placing the Pt/C cathode electrocatalyst on the Nafion polymer membrane, a mixed metal oxide electrocatalyst such as IrO2-Ta2O5-SiO2/Ti was used. The results showed that although the power density is not very high in some cases, the problems related to the spilling of the catalyst from the membrane, the wrinkling of the membrane, and the uneven distribution of the catalyst on the membrane will be eliminated. Therefore, this relatively cheap electrocatalyst can be a good alternative to commercial Pt/C electrocatalyst. The maximum power density in the fuel cell with anode electrocatalyst Ni-Co/rGO/NF and cathode electrocatalyst IrO2-Ta2O5-SiO2/Ti was obtained for sodium borohydride fuel 337 mW cm-2 and for hydrazine fuel 187 mW cm-2.

Synthesis of catalyst inks based on nanoparticles of some transition metals with Nickel Alloys on Nickel foam substrate and investigation of their performance in polymer electrolyte membrane fuel Cell

‏محمدی،

طاهره‏

تهیه کننده

‏اسدپور زینالی،

مجیدی،

حسینی،

کریم ‏

میررضا‏

میرقاسم‏

استاد راهنما

استاد راهنما

استاد مشاور

‏تبریز