شماره ركورد
31620
پديد آورنده
شقايق قنبري
عنوان
سنتز و ارزيابي الكتروكاتاليست منفرد اتم نيكل براي واكنش احياي اكسيژن در محيط قليايي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي شيمي
سال تحصيل
1400
تاريخ دفاع
1403/7/4
استاد راهنما
دكتر سوسن روشنضمير
استاد مشاور
دكتر محمدجواد پرنيان
دانشكده
مهندسي شيمي، نفت و گاز
چكيده
واكنش احياي اكسيژن به عنوان يكي از واكنشهاي كليدي در سيستمهاي انرژي تجديدپذير مانند پيلهاي
سوختي، باتريهاي فلز-هوا و الكتروليز كلرآلكالي پيشرفته، نقش حياتي ايفا ميكند. اين واكنش از طريق دو
مسير شامل مسير مطلوب چهار الكتروني و مسير نامطلوب دو الكتروني انجام ميشود. مسير مطلوب چهار
الكتروني واكنش احياي اكسيژن منجر به توليد محصول هيدروكسيد ميگردد، اما مسير دو الكتروني آن
محصول جانبي پراكسيد توليد ميكند. به دليل سينتيك كند واكنش احياي اكسيژن، چالشهاي اساسي در
بهرهوري و عملكرد سيستمهاي الكتروشيميايي بوجود آمده است. لذا توسعه الكتروكاتاليستهاي كارآمد با
هدف بهبود سرعت واكنش احياي اكسيژن توجه محققين را به خود جلب كرده است. در سالهاي اخير،
الكتروكاتاليستهاي منفرد اتم به دليل فعاليت الكتروكاتاليستي باال و استفاده بهينه از فلزات واسطه )گرانبها
و غيرگرانبها(، به يك موضوع داغ تحقيقاتي تبديل شده است. يكي از ساختارهاي برجسته از نظر فعاليت و
پايداري بهينه، ساختار C-N-M است كه در آن اتمهاي فلزات واسطه در يك ماتريس كربني با هترواتمهاي
نيتروژن تثبيت شدهاند. از اين رو، در پژوهش حاضر الكتروكاتاليست منفرد اتم نيكل )C-N-Ni )سنتز و ارزيابي
شد. روش سنتز اين الكتروكاتاليست شامل دوپينگ نيكل بر روي چهارچوب آلي-فلزي -8ZIF به روش
هيدروترمال بود. در مرحله بعد نمونه سنتز شده به جهت تشكيل اتمهاي منفرد بر روي پايه كربني در دماي
°C1000 تحت شرايط پيروليز در جو نيتروژن قرار گرفت. با استفاده از ميكروسكوپ الكتروني روبشي، ميتوان
دريافت كه مورفولوژي محصول نهايي به صورت چندوجهي لوزي شكل است. طيفسنجي مادون قرمز تبديل
فوريه نيز تأييد كرد كه حلقههاي ايميدازوالت در ساختار كربني باقي مانده و همچنين پيوند بين فلز و نيتروژن
در ساختار الكتروكاتاليستي ايجاد شده است. عالوه بر اين، طيف سنجي پراش انرژي پرتو ايكس نشان داد كه
اتمهاي نيكل بهصورت پراكنده و يكنواخت در ساختار كربني توزيع شدهاند. در ادامه به منظور بهبود عملكرد
C-N-Ni از دوپينگ هترواتمها جهت تنظيم محيط كوئورديناسي سايت فعال استفاده شد. هترواتمها به دليل
تفاوت الكترونگاتيوي كه با كربن دارند، منجربه بهبود انتقال بار و جرم شده و همچنين نقش مهمي را در
جذب واسطههاي اكسيژن ايفا ميكنند. از جمله عناصري كه به عنوان هترواتم به C-N-M اضافه ميشوند،
ميتوان به سولفور )S)، فسفر )P )و بور )B )اشاره كرد. آزمونهاي الكتروشيميايي براي الكتروكاتاليست-Ni
C-N/B در مقايسه با الكتروكاتاليست C-N-Ni، فعاليت بهتري بر اساس پتانسيل شروع واكنش به ترتيب
0/924 و 0/885 ولت و پتانسيل نيم موج 0/78 و 0/75 ولت نسبت به RHE داشته است. همچنين عدد
انتقال الكترون C-N/B-Ni( 3/96 )بيشتر از C-N-Ni( 3/66 )بوده كه نشاندهنده عملكرد بهتر آن در مسير
چهار الكتروني است. عالوه بر اين، با توجه به آزمون كرونوآمپرومتري طي دوره 10 ساعته، الكتروكاتاليست
C-N-Ni حدود 80 درصد از جريان اوليه خود را حفظ كرده است. عملكرد الكتروكاتاليست C-N/B-Ni نزديك
به الكتروكاتاليست تجاري w/w 20% C/Pt با Eonset و 1/2E به ترتيب 0/95 و 0/85 ولت نسبت به RHE بوده
است و ميتواند بهعنوان يك گزينه مناسب براي سيستمهاي انرژي تجديدپذير در محيط قليايي مطر) شود.
تاريخ ورود اطلاعات
1403/09/06
عنوان به انگليسي
Synthesis and evaluation of Nickel Single Atom Electrocatalyst for Oxygen Reduction Reaction in Alkaline Medium
تاريخ بهره برداري
9/25/2025 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
شقايق قنبري
چكيده به لاتين
The oxygen reduction reaction (ORR), as one of the key reactions in renewable energy systems
such as fuel cells, metal-air batteries, and advanced chlor-alkali electrolysis, plays a vital role.
This reaction proceeds through two pathways: the favorable four-electron pathway and the
unfavorable two-electron pathway. The favorable four-electron ORR leads to the production
of hydroxide, while the two-electron pathway results in the formation of a peroxide byproduct.
Due to the slow kinetics of the ORR, significant challenges arise in the efficiency and
performance of electrochemical systems. Hence, the development of efficient electrocatalysts
to improve ORR reaction rates has attracted the attention of researchers. In recent years, singleatom electrocatalysts have become a hot research topic due to their high electrocatalytic activity
and optimal utilization of transition metals (both precious and non-precious). One of the
outstanding structures in terms of optimal activity and stability is the M-N-C structure, in which
transition metal atoms are stabilized in a carbon matrix with nitrogen heteroatoms. Therefore,
in the present study, a nickel single-atom electrocatalyst (Ni-N-C) was synthesized and
evaluated. The synthesis method involved nickel doping onto a ZIF-8 metal-organic framework
via a hydrothermal method. In the next step, the synthesized sample was pyrolyzed under
nitrogen ambient at 1000°C to form single atoms on a carbon support. Field emission scanning
electron microscopy revealed that the final product's morphology is rhombic polyhedral.
Fourier-transform infrared spectroscopy confirmed that imidazolate rings remained in the
carbon structure, and metal-nitrogen bonds were formed in the electrocatalyst structure.
Additionally, energy-dispersive X-ray spectroscopy demonstrated that nickel atoms were
uniformly distributed throughout the carbon structure. Subsequently, to enhance the
performance of Ni-N-C, heteroatom doping was employed to tune the coordination
environment of the active sites. Heteroatoms, due to their electronegativity difference with
carbon, improve charge and mass transfer and also play a key role in oxygen intermediate
adsorption. Among the elements added as heteroatoms to M-N-C are mentioned as sulfur (S),
phosphorus (P), and boron (B). Electrochemical tests on the Ni-B/N-C electrocatalyst,
compared to the Ni-N-C electrocatalyst, showed better activity based on the onset potential,
0.924 V and 0.885 V vs. RHE respectively, and the half-wave potential, 0.78 V and 0.75 V vs.
RHE, respectively. Additionally, the electron transfer number of Ni-B/N-C (3.96) was higher
than that of Ni-N-C (3.66), indicating its superior performance in the four-electron pathway.
Furthermore, according to chronoamperometry tests over a 10-hour period, the Ni-N-C
electrocatalyst retained about 80% of its initial current. The performance of Ni-B/N-C was
close to that of the commercial Pt/C 20% w/w electrocatalyst, with onset and half-wave
potentials of 0.95 V and 0.85 V vs. RHE, respectively, making it a promising candidate for
renewable energy systems in alkaline environments.
كليدواژه هاي فارسي
واكنش احياي اكسيژن , الكتروكاتاليست منفرد اتم , پيروليز , نيكل , هترواتم ها
كليدواژه هاي لاتين
Oxygen reduction reaction , Single atom electrocatalyst , Pyrolysis , Nickel , Heteroatoms
Author
Shaghayegh Ghanbari
SuperVisor
Susan Rowshanzamir