بهینه سازی عملکرد کاتد دپلاریزه اکسیژن، لایه نفوذی گازی، تثبیت نانو کاتالیست های مناسب بر روی آنها و بررسی عملکرد آنها در سل طراحی و ساخته شده
First Statement of Responsibility
/پریسا زرداری
.PUBLICATION, DISTRIBUTION, ETC
Name of Publisher, Distributor, etc.
: شیمی
Date of Publication, Distribution, etc.
، ۱۳۹۵
Name of Manufacturer
، راشدی
NOTES PERTAINING TO PUBLICATION, DISTRIBUTION, ETC.
Text of Note
الکترونیکی
DISSERTATION (THESIS) NOTE
Dissertation or thesis details and type of degree
کارشناسی ارشد
Discipline of degree
شیمی فیزیک
Date of degree
۱۳۹۵/۰۴/۰۲
Body granting the degree
تبریز
SUMMARY OR ABSTRACT
Text of Note
در سالهای اخیر به منظور کاهش مصرف برق در صنعت کلرو-قلیا، استفاده از کاتدهای دپلاریزه کننده اکسیژنی (ODC) به جای کاتدهای تولید کننده هیدروژنی (HER) پیشنهاد شده است .واکنش احیای اکسیژن (ORR) در کاتد دپلاریزه کننده اکسیژنی صنعت کلرو-قلیای پیشرفته، واکنش الکتروشیمیایی با سنتیک کند است و استفاده از نانوکاتالیست های فلزی به منظور اجرای این واکنش امری ضروری می باشد .بدین منظور در بخش اول کار پژوهشی، با استفاده از روش ترسیب شیمیایی، نانوکاتالیست های تک فلزی و آلیاژی دو فلزی با استفاده از فلزات پلاتین، روتنیوم، نیکل و قلع بر روی دو بستر کربنی متفاوت کربن ولکان و نانو تیوپ های کربنی چند دیواره (MWCNTs) لایه نشانی و سنتز شدند .نتایج حاصل از مطالعات الکتروشیمیایی سه الکترودی بر روی نانوکاتالیست های سنتز شده، بیانگر عملکرد بهتر نانوکاتالیست های آلیاژی دو فلزی بود .همچنین نانوکاتالیست های سنتز شده بر روی بستر MWCNTs رفتار الکتروکاتالیستی مناسب تری را نسبت به بستر کربن ولکان نشان دادند .در بین نانو کاتالیست های سنتز شده،Ru/MWCNTs - Ptبهترین رفتار الکتروکاتالیستی را داشت که به علت تاثیر هم افزایی فلزات پلاتین و روتنیوم در این نانوکاتالیست سنتزی می باشد .در بخش دوم کار پژوهشی، ابتدا طراحی و ساخت تمام اجزای سل کلرو-قلیایی غشایی و همچنین مرطوب ساز گاز اکسیژن در آزمایشگاه انجام گردید .کاتد دپلاریزه کننده اکسیژنی بر پایه نانوکاتالیست Pt/C ساخته شده و عملکرد آن در سل ساخته شده بررسی شد .نتایج نشان داد که ولتاژ سل کلروقلیایی غشایی با کاتد دپلاریزه کننده اکسیژنی به جای کاتد HER به میزان ۳۳/۱ ولت کمتر شده و در نتیجه مقدار مصرف برق کاهش یافته است .همچنین عملکرد سه لایه نفوذی گازی مختلف با درصد وزنی کربن به پلی تترا فلورو اتیلن (PTFE) متفاوت، در سل کلرو-قلیایی غشایی پیشرفته با کاتد دپلاریزه کننده اکسیژنی Pt/C بررسی گشته و نتایج نشان دهنده ولتاژ کمتر سل با لایه نفوذی گازی کربن به PTFE برابر ۷۰ به ۳۰ درصد وزنی می باشد .در بخش سوم کار پژوهشی، با توجه به نتایج مطالعات سه الکترودی بر روی نانوکاتالیست های سنتز شده، بهترین نانوکاتالیستRu/MWCNTs) - (Ptبرای ساخت کاتد دپلاریزه کننده اکسیژنی انتخاب شده و با لایه نفوذی گازی بهینه در سل کلرو-قلیایی غشایی پیشرفته بررسی شد .تاثیر پارامترهای عملیاتی همچون غلظت آنولیت، دمای سل، pH و دانسیته جریان اعمالی ر روی عملکرد سل کلرو-قلیایی غشایی پیشرفته مورد نظر با استفاده از طراحی آزمایش به روش رویه پاسخ (RSM) مورد مطالعه قرار گرفت .شرایط بهینه عملیاتی برای کارکرد سل مورد نظر به صورت غلظت آنولیتg/L ۳۲۰ ، دمای۰C ۸۰ ، pH برابر ۷/۳ و دانسیته جریان اعمالی kA/m۲ ۱ مشخص گردید .در بخش نهایی، کارکرد سل کلرو-قلیای غشایی پیشرفته با کاتد دپلاریزه کننده اکسیژنیRu/MWCNTs - Ptتحت شرایط بهینه بدست آمده از مطالعات RSM بررسی گردید .ولتاژ سل و بازده جریان سود در دانسیته جریان kA/m۲ ۵ به ترتیب برابر با ۲۷/۲ ولت و ۹۰/۸۹ درصد بدست آمد که قابل مقایسه با سایر نتایج چاپ شده در این زمینه می باشد
Text of Note
In the last decades, application of oxygen depolarized cathode (ODC) instead of hydrogen evolving reaction (HER) cathodes is proposed in chlor-alkali industry because of energy consumption reduction. Oxygen reduction reaction (ORR) in oxygen depolarized cathode of advanced chlor-alkali industry is an electrochemical reaction with sluggish kinetics and using of metallic nano-catalyst is necessary for doing this reaction. For this reason, in the first step, single and bimetallic alloying nano-catalysts were synthesized by chemical reduction of platinum, ruthenium, nickel and tin on different carbon supports like Vulcan carbon and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). The results of different three electrode electrochemical methods of synthesized nano-catalysts showed the best performance of bimetallic alloying nano-catalysts. Also, the nano-catalysts supported on MWCNTs indicated better catalytic activity than Vulcan carbon. The Pt-Ru/MWCNT catalyst activity was the best among all of the catalysts which can be related to the synergistic effect of platinum and ruthenium in this synthesized nano-catalyst. In the second step of this thesis, the design and fabrication of membrane chlor-alkali cell instrument and oxygen humidifier were done in the laboratory. The oxygen depolarized cathode with Pt/C as nano-catalyst was made and its performance was investigated in the cell. The results showed that the membrane chlor-alkali cell voltage is declined by 1.33 V in the comparison of HER commercial cathode. So, the energy consumption is reduced. Also, the performance of three different gas diffusion layer, synthesized by different carbon to polytetrafluoroethylene (PTFE) weight percent, was studied in advanced membrane chlor-alkali cell by the use of Pt/C as oxygen depolarized cathode. The lower cell voltage was obtained by the gas diffusion layer synthesized from carbon: PTFE (70:30 weight percent). In the third step, according to the electrochemical studies on the synthesized nano-catalysts, the best nano-catalyst (Pt-Ru/MWCNTs) and optimum gas diffusion layer were used in oxygen depolarized cathode and studied in the advanced membrane chlor-alkali cell. The effect of process conditions like anolyte concentration, cell temperature, pH and applied current densities on the advanced membrane chlor-alkali cell performance was investigated by the response surface methodology (RSM). The optimum conditions of cell performance were achieved at the anolyte concentration of 320 g/L, cell temperature of 80 0C, pH 3.7 and current density 1 kA/m2. Finally, the advanced chlor-alkali membrane cell performance by the use of Pt-Ru/MWCNTs as oxygen depolarized cathode is studied under optimal conditions of RSM. The cell voltage and caustic current efficiency were 2.27 V and 89.90 at 5 kA/m2, respectively, which is comparable with other published works