22777

ساخت و ارزيابي الكتروكاتاليست نانوكامپوزيتي فلزات غير پلاتيني – تركيبات كربني براي واكنش احياي اكسيژن در پيل سوختي

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

95-98

1398/6/30

دكتر سوسن روشن ضمير

دكتر محمد جواد پرنيان

مهندسي شيمي، نفت و گاز

پيل¬هاي سوختي الكتروليت پليمري، كه فناوري جديدي براي توليد انرژي هستند، با ¬حذف آلودگي ناشي از سوزاندن سوخت¬هاي فسيلي و توليد آب به عنوان محصول جانبي، راندمان بالاتري نسبت به آن¬ها دارند. از مهم¬ترين چالش¬هاي تجاري شدن اين پيل¬ها، هزينه¬ي بالاي آن¬ها به واسطه¬ي بكارگيري الكتروكاتاليست پلاتين به عنوان كاتد براي انجام واكنش احياي اكسيژن، كه سينتيك ذاتي كندي دارد، مي¬باشد. از اين رو محققان بسياري به دنبال جايگزيني مناسب براي پلاتين مي¬باشند. در پژوهش پيش رو نيز سعي بر آن است تا با معرفي الكتروكاتاليست نانوكامپوزيتي فلزات غير پلاتيني- تركيبات كربني به جاي پلاتين به عنوان الكترود كاتد واكنش احياي اكسيژن علاوه بر كاهش هزينه¬ها، به فعاليت و عملكردي نزديك به الكترود پلاتين دست يافته شود. لذا در نخستين گام گرافن نيتروژن¬دار شده با روش سولوترمال سنتز شد. سپس با تهيه كامپوزيت گرافن نيتروژن¬دار شده با نانوذرات زيركونيا، به كمك روش هم¬رسوبي، پايه¬ي مورد نظر سنتز گرديد. در گام بعدي نانوذرات فلزات آهن و كبالت روي پايه كامپوزيتي با روش اصلاح ¬شده پلي¬اُل بارگذاري شدند. نانوذرات زيركونيا و عناصر آهن و كبالت با استفاده از آناليز¬هاي طيف سنجي پراكندگي انرژي پرتو ايكس، طيف¬سنجي تبديل فوريه مادون قرمز و ميكروسكوپ الكتروني روبشي مورد بررسي قرار گرفتند و حضور آن¬ها در ساختار كاتاليست تأييد شد. نتايج آزمون-هاي ولتامتري چرخه¬اي و ولتامتري روبشي خطي نيز ارائه شده است. در ادامه با استفاده از آزمون كرونوآمپرومتري طي مدت 5400 ثانيه هيچ افت جرياني در كاتاليست مشاهده نشد كه اين موضوع حاكي از پايداري و دوام خوب آن مي¬باشد. بنابراين فعاليت و دوام بسيار خوب اين كاتاليست در كنار مقرون به صرفه بودن آن نسبت به پلاتين، مي¬تواند آن را به عنوان جايگزين مناسبي براي پلاتين معرفي كند. در نهايت با بررسي آزمون تافل پارامترهاي سينتيكي α و j0 براي الكتروكاتاليست واكنش احياي اكسيژن محاسبه شد.

1398/11/06

Synthesis and Evaluation of non-Platinum Metals-Carbon Compounds Nanocomposite Electrocatalyst for Oxygen Reduction Reaction in Fuel Cells

9/20/2020 12:00:00 AM

Polymer electrolyte fuel cells, a new technology for energy production, have a higher efficiency by eliminating pollution from burning fossil fuels and producing water as a by-product. One of the major challenges of commercializing these cells is their high cost due to the use of platinum as a cathode electrocatalyst to perform the oxygen reduction reaction, which has an inherent sluggish kinetics. Therefore, many researchers are looking for a suitable replacement for platinum. In the present study, it is also attempted to introduce non platinum- carbon based material electrocatalyst instead of platinum as a cathode electrode of oxygen reduction reaction. Therefore, in the first step nitrogen-doped graphene (NG) was synthesized by solvothermal method. Then, the support was synthesized by preparing NG composite with zirconia nanoparticles. In the next step, iron and cobalt nanoparticles were loaded onto the composite base via modified polyol method. ZrO2 nanoparticles and Fe and Co elements were investigated using XRD, FTIR and SEM and their presence in the catalyst structure was confirmed. The results of cyclic voltammetry (CV) and linear sweep voltammetry (LSV) tests are also presented. Subsequently, using a chronoamperometric test (CA) for 5400 seconds, no current density loss was observed in the catalyst, indicating good stability and durability. Therefore, the good performance and durability of this catalyst, along with its cost-effectiveness compared to platinum, can make it a good substitute for platinum. Finally, kinetic parameters of α and j0 for the electrocatalyst were calculated by the Tafel test.