29011

سنتز كامپوزيت كربن‌فعّال/دي‌سولفيدموليبدن براي استفاده در واكنش آزادسازي هيدروژن

كارشناسي ارشد

مواد و متالورژي

1399

1402/4/26

دكتر مهدي ملكي - دكتر هاجر قنبري

مواد و متالورژي

در سال‌هاي اخير، هيدروژن (H2)، به دليل چگالي انرژي قابل‌ملاحظه و توليد حرارت كم‌تر، به عنوان منبعي قابل‌اتكا براي جايگزيني سوخت‌هاي فسيلي معرفي شده‌است. در ميان راه‌هاي مختلف گزارش‌شده براي توليد هيدروژن، الكتروليز آب، پاك‌ترين و سازگارترين روش با محيط زيست است. مهم‌ترين فرآيند در توليد هيدروژن از آب، واكنش آزادسازي هيدروژن (hydrogen evolution reaction, HER) است. سينتيك الكتروليز آب براي توليد H2 بسيار آهسته است؛ بنابراين استفاده از كاتاليزگر‌هاي موثر براي سرعت‌بخشيدن به سينتيك الكتروليز آب ضروري است. براي جبران رسانايي الكتريكي ضعيف و چگالي فعّاليّت كم دي‌سولفيدموليبدن (MoS2) به عنوان تركيبي مقرون‌به‌صرفه براي جايگزيني الكتروكاتاليزگر‌هاي پايه پلاتيني، كامپوزيت AC/MoS2 به عنوان الكتروكاتاليزگر كارآمد HER پيشنهاد شده‌است. در گام اول اين پژوهش، كربن‌فعّال با استفاده از جرم‌زيستي گل رز، به روش فعّال‌سازي شيميايي و گرماكافت سنتز شد. سپس، MoS2 با استفاده از روش گرمابي، به كمك سورفكتانت‌هاي يوني و غيريوني مختلف بر بستر كربن‌فعّال تهيه‌شده، نشانده شد. از آناليز‌هاي پراش پرتوي ايكس (X-ray diffraction, XRD)، طيف‌سنجي رامان (Raman spectroscopy)، طيف‌سنجي فروسرخ تبديل فوريه (Fourier transform infrared spectrometer, FTIR)، طيف‌سنجي فوتوالكتروني پرتوي ايكس (X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS)، ميكروسكوپ الكتروني روبشي نشر ميداني (field emission-scanning electron microscopy, FE-SEM)، ميكروسكوپ الكتروني عبوري با وضوح بالا (high resolution-transmission electron microscopy, HR-TEM) و جذب-واجذب نيتروژن (N2 adsorption-desorption) براي مطالعه‌هاي فازي، پيوندي، ريزساختاري و حفره‌اي نمونه‌ها استفاده شد. از آناليز‌ ولتامتري جاروب خطي (linear sweep voltammetry, LSV) و رسم نمودار تافل (Tafel) براي ارزيابي عملكرد كاتاليزگري HER نمونه‌ها، در سامانه‌ي سه‌الكترودي در محلول 0/5 مولار H2SO4 استفاده شد و بدين ترتيب، الكتروكاتاليزگر‌هاي با مازادپتانسيل HER كم‌تر و سينتيك‌ HER بهتر شناسايي شدند. براي سنجش ميزان مقاومت نمونه‌هاي انتخابي از آناليز طيف‌سنجي امپدانس الكتروشيميايي (electrochemical impedance spectroscopy, EIS) استفاده شد و براي سنجش ميزان پايداري، بهترين نمونه، تحت آزمون كرنوآمپرومتري (chronoamperometry) قرار گرفت. نمونه‌ي سنتزشده به كمك سورفكتانت غيريوني F108 بهترين عملكرد الكتروكاتاليزگري را را با مازاد پتانسيل 0/141 V در چگالي جريان 10 mA cm-2، شيب تافل 88 mV dec-1، پايداري 24 h و مازاد پتانسيل كم‌تر نسبت به نمونه‌ي تجاري Pt/C (20%) در چگالي جريان‌هاي بيش از 410 mA cm-2 از خود نشان داد.

1402/08/15

Synthesis of activated carbon/molybdenum disulfide composite for hydrogen evolution reaction

7/16/2024 12:00:00 AM

In recent years, hydrogen (H2) has been considered as a replacement of fossil fuels because of its considerable energy density and lower amount of heat produced. Among various procedures used to produce hydrogen, water electrolysis is the cleanest and the most biofriendly. The most important process in the production of hydrogen from water is the hydrogen evolution reaction (HER). The kinetics of using water electrolysis for hydrogen production is very slow; So, using effective catalyzers to speed up the kinetics of the water electrolysis is crucial. To compensate for the low electrical conductivity and the low activity density of MoS2, which is used as an economical compound to replace platinum-based electro-catalyzers, AC/MoS2 composite has been proposed as an effective HER electro-catalyzer. As the first step of this research, activated carbon was synthesized by chemical activation method and pyrolysis using rose flowers as biomass. Then, MoS2 was produced by the hydrothermal procedure using ionic and non-ionic surfactants and was coated on the previously-synthesized activated carbon substrate. X-ray diffraction analysis (XRD), Raman spectroscopy, Fourier transform infrared spectrometer (FTIR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), field emission-scanning electron microscopy (FE-SEM), high resolution-transmission electron microscopy (HR-TEM) and N2 adsorption-desorption analysis were used to characterize the phase, the chemical bonds, the micro- and nano-structures, the porosity structures and the surface area of the samples. To access the catalysis performance of HER, samples were coated on nickel foam and were analyzed using the three-electrode setup in a 0.5 M solution of H2SO4 with the help of linear sweep voltammetry (LSV) test and the Tafel diagram. Using this method, the samples with less HER overpotential and superior HER kinetics were identified. To measure the resistance of the chosen samples, electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was used and for measuring the level of stability, the best sample was examined in a chronoamperometry test. The sample synthesized using the non-ionic surfactant F108, showed the best electrocatalysis performance with an overpotential of 0.141 V in a current density of 10 mA.cm-2, a Tafel incline of 88 mV dec-1 and a stability of 24 h. The overpotential of this sample is less than the commercial Pt/C (20%) electrocatalyst in the current densities of more than 410 mA.cm-2.

واكنش آزادسازي هيدروژن (HER) , كامپوزيت AC/MoS2 , سنتز گرمابي به كمك سورفكتانت

Hydrogen evolution reaction , AC/MoS2 camposite , Surfactant-assisted hydrothermal synthesis method

Amir Mahdi Homayounfard

Dr Mahdi Maleki - Dr Hajar Ghanbari