شماره ركورد
33537
پديد آورنده
سينا زماني
عنوان
محاسبات تئوري تابعي چگالي الكتروكاتاليستهاي مبني بر نيكل براي واكنش احياي اكسيژن در محيط قليايي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي شيمي- فرايندهاي جداسازي
سال تحصيل
1400
تاريخ دفاع
1403/6/31
استاد راهنما
سوسن روشنضمير
استاد مشاور
سيد مرتضي موسوي خوشدل
دانشكده
مهندسي شيمي
چكيده
واكنشهاي الكتروشيميايي به ويژه در سيستمهاي انرژي تجديدپذير مانند پيلهاي سوختي و باتريهاي فلز-هوا نقش بسيار مهمي دارند. يكي از واكنشهاي كليدي در اين سيستمها، واكنش احياي اكسيژن (ORR) است كه عملكرد آن به شدت تحت تأثير نوع الكتروكاتاليست به كار رفته است. به دليل هزينه بالاي فلزات گرانبها مانند پلاتين كه به عنوان الكتروكاتاليستهاي متداول استفاده ميشوند، تحقيقات بسياري در جستجوي جايگزينهاي مقرونبهصرفه و كارآمدتر متمركز شده است. هدف اصلي اين تحقيق بهبود كارايي و كاهش بيشپتانسيل واكنشهاي الكتروشيميايي از طريق توسعه الكتروكاتاليستهاي جديد بود. براي اين منظور در اين پژوهش، با استفاده از محاسبات نظريه تابعي چگالي (DFT) عملكرد الكتروكاتاليستهايNi-Fe/N4C ،Ni-Cu/N4C ،Ni-Co/N4C ، Ni-Ni/N4C، Ni-Mn/N4C و Ni/N4C به عنوان جايگزيني براي فلزات گرانبها مورد ارزيابي قرار گرفتند. با توجه به نتايج انرژي بهينه حالت اتصال هر اتم فلز با چهار نيتروژن عملكرد بهتري به عنوان الكتروكاتاليست نسبت به حالت اتصال هر اتم فلز با سه نيتروژن داشت. همچنين طبق منحنيهاي DOS و PDOS الكتروكاتاليستهاي دوفلزي الكترونهاي آزاد بيشتري نسبت به الكتروكاتاليستهاي منفرد اتم دارند. نتايج مربوط به انرژي جذب نشان ميدهند كه Ni-Co/N4C انرژيهاي اتصال بالايي براي *O (93/4- eV)و *OH (07/3- eV) دارد اما Ni-Cu/N4C انرژي جذب نزديكتري به فلز مرجع پلاتين دارد و جداشدن OH- با انرژي كمتري انجام ميشود. هنگام مقايسه الكتروكاتاليستهاي مختلف، Ni-Cu/N4C يك بيش¬پتانسيل پايين¬تر 5/0 ولت و يك پتانسيل محدودكننده 1/0 V را نشان مي¬دهد. اين نشان مي دهد كه Ni-Cu/N4C مي¬تواند براي ORR در مقايسه با ساير تركيبات مطلوب¬تر باشد. به طور كلي، اين پژوهش نشان داد كه الكتروكاتاليستهاي دو فلزي به عنوان جايگزينهاي كارآمد و مقرونبهصرفه براي فلزات گرانبها، ميتوانند نقش مهمي در توسعه سيستمهاي انرژي تجديدپذير ايفا كنند. همچنين استفاده از محاسبات DFT به عنوان يك ابزار كليدي در بهينهسازي ساختار الكتروكاتاليستها و بهبود عملكرد آنها بسيار موثر بوده است.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/05/05
عنوان به انگليسي
Density Functional Theory Calculations (DFT) of Nickel-based Single Atom Electrocatalysts (SACs) for Oxygen Reduction Reaction in Alkaline Media
تاريخ بهره برداري
9/22/2025 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
سينا زماني
چكيده به لاتين
Electrochemical reactions, especially in renewable energy systems like fuel cells and metal-air batteries, play a crucial role. One of the key reactions in these systems is the Oxygen Reduction Reaction (ORR), whose performance is significantly influenced by the type of electrocatalyst used. Due to the high cost of precious metals like platinum, commonly used as electrocatalysts, extensive research has focused on finding more cost-effective and efficient alternatives. The main objective of this research was to enhance efficiency and reduce the overpotential of electrochemical reactions through the development of new electrocatalysts.In this study, the performance of Ni-Fe, Ni-Cu, Ni-Co, Ni-Ni, Ni-Mn bimetallic electrocatalysts and single atom Ni was evaluated as substitutes for precious metals using Density Functional Theory (DFT) calculations. The results indicated that the optimal binding energy of each metal atom with four nitrogen atoms performed better as an electrocatalyst compared to binding with three nitrogen atoms. Additionally, according to Density of States (DOS) and Projected Density of States (PDOS) curves, bimetallic electrocatalysts exhibited more free electrons than single atom electrocatalysts.The results related to adsorption energy showed that Co-Ni had high binding energies for *O (4.93 eV) and *OH (-3.07 eV), while Cu-Ni had binding energies closer to those of platinum, with lower energy required for OH- desorption. When comparing various catalysts, Cu-Ni exhibited a lower overpotential of 0.5 volts and a limiting potential of 0.1 V, suggesting that Cu-Ni could be more favorable for ORR compared to other compounds. Based on the free energy change data, it can be concluded that Ni-Cu, Ni-Ni, Ni-Co, Ni-Fe, and Ni-Mn electrocatalysts show the best performance in alkaline environments.Overall, this research demonstrated that bimetallic electrocatalysts can serve as efficient and cost-effective alternatives to precious metals and can play a significant role in developing renewable energy systems. Furthermore, the use of DFT calculations has proven to be an effective tool in optimizing electrocatalyst structures and enhancing their performance.
كليدواژه هاي فارسي
/
كليدواژه هاي لاتين
/
Author
Sina Zamani
SuperVisor
dr Sosan Roshan Zamir