عنوان

تهیه ی الکترودهای اصلاح شده با نانوساختارها و کاربردهای آن ها برای مطالعه ی اکسیداسیون و احیای آب با روش های الکتروشیمیایی

Number

پ۲۷۸۶۶

.Language of Text, Soundtrack etc

per

Title Proper

تهیه ی الکترودهای اصلاح شده با نانوساختارها و کاربردهای آن ها برای مطالعه ی اکسیداسیون و احیای آب با روش های الکتروشیمیایی

First Statement of Responsibility

الهامه محمدپور قورچی

Name of Publisher, Distributor, etc.

شیمی

Date of Publication, Distribution, etc.

۱۴۰۰

Specific Material Designation and Extent of Item

۱۴۴ص.

Accompanying Material

سی دی

Dissertation or thesis details and type of degree

دکتری

Discipline of degree

شیمی-گرایش تجزیه

Date of degree

۱۴۰۰/۱۱/۱۷

Text of Note

شکافت آب یکی از انرژی¬های پاک و تجدیدپذیر است که شامل تولید هیدروژن و اکسیژن می¬باشد. در حالی¬که واکنش تولید هیدروژن (HER) از طریق یک مکانیسم دو الکترونی انجام می¬شود، واکنش تولید اکسیژن (OER) یک فرایند چند مرحله¬ای و پیچیده بر اساس واکنش چهار الکترونی است. از آن¬جایی¬که واکنش شکافت آب در مقیاس بزرگ تا حد زیادی تحت تاثیر سینتیک کند واکنش تولید اکسیژن است، بنابراین استفاده از الکتروکاتالیست¬های کارآمد و کم هزینه در این فرایند بسیار مهم است. در بخش نخست کار پژوهشی حاضر، الکترود کربن شیشه¬ای اصلاح شده با نانوساختار α-Fe2O3@MoS2 با استفاده از روش هیدروترمال تهیه شد. سطح الکترود اصلاح شده با استفاده از تکنیک¬های پراش اشعه¬ی ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (FE-SEM)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، طیف سنجی FT-IR، طیف سنجی رامان (Raman)، طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس (EDS)، آنالیز تخلخل سنجی (BET) و طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) مورد مطالعه قرار گرفت. الکترود کربن شیشه¬ای اصلاح شده با نانوساختار α-Fe2O3@MoS2 به¬منظور بررسی فرایند اکسیداسیون آب در محلول قلیایی به¬کار برده شد. عملکرد الکتروشیمیایی الکتروکاتالیزور با استفاده از ولتامتری روبش خطی (LSV) مطالعه شد. الکترود α-Fe2O3@MoS2/GC به¬عنوان کاتد ولتاژ آغازین V 55/1 را برای OER نشان داد. منحنی تافل نیز برای بررسی سینتیک کاتالیزوری در فرایند OER استفاده گردید. مقدار شیب تافل کم mV.dec-1 28 برای نانوساختار α-Fe2O3@MoS2 در OER به¬دست آمد. علاوه بر این، پایداری الکترود اصلاح شده در محیط قلیایی در طول فرایند OER با تکنیک کرونوآمپرومتری و روش ولتامتری روبش خطی پیوسته بررسی شد. در بخش دوم، برای اولین بار سنتز نانوکامپوزیت ZnFe2S4@ZnFe2O4 با استفاده از روش هیدروترمال دو مرحله¬ای گزارش شد. نانوصفحه¬های ZnFe2S4@ZnFe2O4 با موفقیت روی بستر فوم نیکل با یک فرایند جدید و ساده برای واکنش تولید اکسیژن (OER) سنتز شد. کاتالیزور در دمای ⸰C 400 کلسینه شد و ویژگی¬های آن با استفاده از تکنیک¬های XRD، FE-SEM، TEM، Raman، EDS، تصویربرداری MAP، BET و EIS مورد بررسی قرار گرفت. الکترود مبتنی بر فلز ساخته شده از ZnFe2S4@ZnFe2O4 به¬دلیل هدایت الکتریکی و فعالیت کاتالیزوری بالا برای واکنش الکتروشیمیایی اکسیداسیون آب بسیار کارآمد بود. رفتار الکتروشیمیایی کاتالیزور با روش LSV در سیستم سه الکترودی در محلول 0/1 مولار KOH بررسی شد. کاتالیزور سنتز شده برای رسیدن به چگالی جریان mA.cm-2 5 در واکنش تولید اکسیژن تنها به mV 222 فوق پتانسیل نیاز دارد. منحنی تافل برای پیش بینی سینتیک کاتالیزوری OER استفاده شد. شیب تافل نانوساختار ZnFe2S4@ZnFe2O4 مقدار mV.dec-1 2/73 است. برای درک بهتر اثر فعالیت کاتالیزور در فرایند OER، اثر فعالیت الکتروشیمیایی سطح (ECSA) با استفاده از ظرفیت لایه¬ی دوگانه (Cdl) پیش بینی شد. برای این منظور،ولتاموگرام¬های چرخه¬ای ثبت شدند. مقدار Cdl برای ZnFe2S4@ZnFe2O4 در شرایط قلیایی mF.cm-2 3/31 است. منحنی کرونوآمپرومتری الکترود ZnFe2S4@ZnFe2O4/NF برای ارزیابی پایداری کاتالیزور ثبت گردید. به¬طور هم¬زمان، پایداری کاتالیزور با روش ولتامتری روبش خطی پس از 500 چرخه¬ی پیوسته آزمایش شد. در بخش سوم، ترکیب نانوکامپوزیتی متشکل از Ni3S2@NiCo2O4 بر روی سطح فوم نیکل به¬عنوان یک فلز غیرنجیب با استفاده از یک روش شیمیایی مناسب آماده شد. کاتالیزور با استفاده از تکنیک¬های مختلف مانند تکنیک¬های XRD، FE-SEM، TEM، FT-IR، Raman، EDS، تصویربرداری MAP، BET و EIS مطالعه شد. فعالیت سیستم کاتالیزوری در فرایند HER با روش ولتامتری روبش خطی در محلول¬های 0/1 مولار KOH و 5/0 مولار H2SO4 مطالعه شد. الکترود تهیه شده برای دست¬یابی به چگالی جریان mA.cm-2 10 به فوق پتانسیل mV 5/184 در محلول قلیایی و mV 140 در شرایط اسیدی نیاز دارد. منحنی¬های تافل، که مکانیسم غالب HER را منعکس می¬کند، برای ارزیابی سرعت واکنش HER استفاده شد. شیب تافل Ni3S2@NiCo2O4 در محلول قلیایی mV.dec-1 97 و در شرایط اسیدی mV.dec-1 6/53 می¬باشد. ظرفیت لایه¬ی دوگانه (Cdl) می¬تواند سطح فعال الکتروشیمیایی (ECSA) را منعکس کند. Cdl در HER از طریق اندازه¬گیری ولتامتری چرخه¬ای (CV) ارزیابی شد. مقدار Cdl برای Ni3S2@NiCo2O4 در شرایط قلیایی و اسیدی به¬ترتیب mF.cm-2 7/25 و mF.cm-2 3/26 است. دوام طولانی مدت کاتالیزور تهیه شده نیز با آزمایش کرونوآمپرومتری برای حدود 14 ساعت در هر دو محلول قلیایی و اسیدی مورد مطالعه قرار گرفت. علاوه بر این، پایداری زیاد نانوساختار Ni3S2@NiCo2O4 بعد از 500 چرخه¬ی پیوسته¬ی LSV در محلول¬های 0/1 مولار KOH و 5/0 مولار H2SO4 به¬دست آمد. در بخش پایانی این کار تحقیقاتی، اکسیداسیون آب در محیط قلیایی و احیای آب در محلول¬های قلیایی و اسیدی بر روی الکترود فوم نیکل اصلاح شده با نانوکامپوزیت NiWO4@MnCo2O4 گزارش شد. خصوصیات نانوساختار سنتز شده با استفاده از تکنیک¬های XRD، FE-SEM، TEM، FT-IR، Raman، EDS، تصویربرداری MAP، BET، طیف بینی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS) و EIS مورد بررسی قرار گرفت. عملکرد نانوساختار به-عنوان الکتروکاتالیست دو منظوره برای HER در محلول قلیایی و اسیدی و برای OER در محیط قلیایی ارزیابی شد. نانوکامپوزیت NiWO4@MnCo2O4 فعالیت بسیار خوبی را با فوق پتانسیل کم mV 184 در محیط قلیایی و mV 105 در محیط اسیدی برای HER در چگالی جریان mA.cm-2 10 و 290 میلی ولت برای OER در چگالی جریان mA.cm-2 50 نشان داد. هم¬چنین، مقادیر شیب تافل کم mV.dec-1 8/77 و 9/36 برای HER و mV.dec-1 8/51 برای OER در سطح الکترود NiWO4@MnCo2O4/NF به¬دست آمد. هم¬چنین، اثر فعالیت الکتروشیمیایی سطح (ECSA) نیز با استفاده از ظرفیت لایه¬ی دوگانه (Cdl) پیش بینی شد. مقدار Cdl برای NiWO4@MnCo2O4 برای HER در شرایط قلیایی و اسیدی به¬ترتیب mF.cm-2 3/20 و mF.cm-2 3/21 است و مقدار Cdl برای OER مقدار mF.cm-2 8/29 می¬باشد. علاوه بر این، کاتالیزور NiWO4@MnCo2O4 پایداری عالی برای OER و HER دارد

Text of Note

Abstract: Water splitting is one of the clean and renewable energies that includes the production of hydrogen and oxygen. While, the reaction of hydrogen evolution (HER) is accomplished through a two electron mechanism, the reaction of oxygen evolution (OER) is a multi-step and complex process based on the 4-electron reaction. Since the large-scale water splitting is largely influenced by the kinetics of the oxygen production reaction, so the use of efficient and low-cost electrocatalysts in this process is very important. At the first section of this research work, modified glassy carbon electrode with α-Fe2O3@MoS2 nanostructure was prepared via the hydrothermal method. The surface of the modified electrode was studied using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (FE-SEM), transmission electron microscopy (TEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), Raman spectroscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), Brunner-Emmet-Teller technique (BET) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The modified GC electrode with α-Fe2O3@MoS2 nanostructure was used to investigate the process of water oxidation in alkaline solution. The electrochemical performance of the electrocatalyst was studied by the linear sweep voltammetry (LSV). The α-Fe2O3@MoS2/GC electrode as a cathode shows a low initial voltage of 1.55 V for OER. Tafel plot was also used to evaluate the catalytic kinetics in the OER. the low Tafel slope value of 28 mV.dec−1 for OER was obtained at the α-Fe2O3@MoS2 nanostructure. Furthermore, the stability of the modified electrode in the alkaline medium during OER was studied by the chronoamperometry and continuous LSV tests. In the second section, the synthesis of ZnFe2S4@ZnFe2O4 nanocomposite was reported for the first time by the hydrothermal method. the ZnFe2S4@ZnFe2O4 nanosheets successfully synthesized on Ni Foam via a novel and facile process for oxygen evolution reactions (OER). The catalyst is calcined at 400 oC and characterized by XRD, FE-SEM, TEM, Raman, EDS, MAP imaging, BET and EIS techniques. The metal-based electrode made of ZnFe2S4@ZnFe2O4 was very efficient for the electrochemical reaction of water oxidation due to its electrical strength and high catalytic activity. Electrochemical behavior of catalysts was investigated by the LSV using a common three-electrode system within 1.0 M KOH. The catalyst synthesized to reach 5 mA.cm-2 in oxygen evolution reaction only has 222 mV overpotential. Tafel plot was used to evaluate the OER catalytic kinetics. The Tafel slope of ZnFe2S4@ZnFe2O4 nanosttrutre is 73.2 mV.dec-1. To further understand the effect activity of the catalyst on the performance of the OER process, the effect of the electrochemical surface areas (ECSAs) using double layer capacitance (Cdl) was forecasted. For this purpose, the cyclic voltammograms (CVs) were recorded. the Cdl of ZnFe2S4@ZnFe2O4 is 31.3 mF.cm-2 in alkaline conditions. The chronoamperometry curve ZnFe2S4@ZnFe2O4/NF electrode was recorded to evaluation of durability catalyst. Simultaneously, the stability of the catalyst was tested by linear sweep voltammetry method after 500 continuous cycles. In the third section, the nanocomposite composition of Ni3S2@NiCo2O4 on nickel foam as a non-noble-metal has been prepared via a convenient chemical conversion route. The catalyst was characterized by using various techniques such as by XRD, FE-SEM, TEM, Raman, EDS, MAP imaging, BET and EIS techniques. The catalytic system`s activity was studied in the HER process in 1.0 M KOH and 0.5 M H2SO4 by Linear sweep voltammetry. The prepared electrode to achieve a current density of 10 mA.cm−2 requires an overpotential of 184.5 mV in alkaline solution and an overpotential of 140 mV in acidic condition. Tafel plots, which reflect the predominant HER mechanism, were used to evaluate the HER kinetics. The Tafel slope of Ni3S2@NiCo2O4 is 97 mV.dec-1 in alkaline solution and 53.6 mV.dec-1 in acidic condition. the double-layer capacitance (Cdl) can reflect the electrochemical surface areas (ECSA). The Cdl toward HER were evaluated through cyclic voltammetry measurement. the Cdl of Ni3S2@NiCo2O4 is 25.7 mF.cm-2 and 26.3 mF.cm-2 in alkaline and acidic conditions, respectively. The long-term durability of the as-prepared Ni3S2@NiCo2O4 was also studied with chronoamperometry test for about 14 h in both alkaline and acidic conditions. Furthermore, long stability of Ni3S2@NiCo2O4 nanostructure after 500 continuous cycles LSV in 1.0 M KOH and 0.5 M H2SO4 solutions was obtained. In the last section of this research work, water oxidation in alkaline environment and water reduction in alkaline and acidic solutions on nickel foam electrode modified with NiWO4@MnCo2O4 nanocomposite were reported. The characterization of NiWO4@MnCo2O4 nanostructure was investigated by XRD, FE-SEM, TEM, FT-IR, RAMAN, EDS, MAP, BET, XPS and EIS. the performance of NiWO4@MnCo2O4 nanostructure as a bifunctional electrocatalyst for the HER in alkaline and acidic solution and OER in alkaline media is assessed. NiWO4@MnCo2O4 nanocomposite demonstrated excellent activities for OER and HER with low overpotentials of 184 mV and 105 mV for HER at current densities of 10 mA.cm-2 and 290 mV for the OER at current densities of 50 mA.cm-2. Also, the low Tafel slope values of 77.8 mV.dec-1 and 36.9 mV.dec-1 for HER and 51.8 mV.dec-1 for OER were obtained at the NiWO4@MnCo2O4 electrode. Also, the effect of the electrochemical surface areas (ECSAs) using double layer capacitance (Cdl) was forecasted. The Cdl of NiWO4@MnCo2O4 for HER is 20.3 mF.cm-2 and 21.3 mF.cm-2 in alkaline and acidic conditions, respectively, and the Cdl value for OER is 29.8 mF.cm-2. In addition, the NiWO4@MnCo2O4 catalyst has excellent stability for OER and HER.

Variant Title

Preparation of modified electrodes with nanostructures and their applications to study of oxidation and reduction of water by electrochemical methods

Entry Element

‏محمدپور قورچی،

Part of Name Other than Entry Element

الهامه

Relator Code

تهیه کننده

Entry Element

اسدپور زینالی،

Entry Element

‏مجیدی،

Part of Name Other than Entry Element

کریم

Part of Name Other than Entry Element

میر رضا

Dates

استاد راهنما

Dates

استاد مشاور

Entry Element

‏تبریز