بررسی فعالیت نانوکاتالیست آندی بر پایه پلاتین جهت کاربرد در پیل های سوختی الکلی مستقیم(متانول، 2-پروپانول و،2،1- پروپان دی ال)

استاد راهنما:

دکتر عبدالله عمرانی

استاد مشاور:

دکتر عباسعلی رستمی

فروردین 1393

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود (در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است) تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه : (ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است) فهرست مطالب عنوان                                                                                                                                     صفحه فصل اول:مقدمه­ای بر پیل­های سوختی 1-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 2 1-2- پیل سوختی چیست؟…………………………………………………………………………………………………………………………….. 2 1-3- تاریخچه………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 4 1-4- کاربرد­های پیل سوختی…………………………………………………………………………………………………………………………. 6 1-5- انواع پیل سوختی………………………………………………………………………………………………………………………………….. 7 1-5-1- پیل سوختی پلیمری یا غشاء مبادله کننده پروتون………………………………………………………………………………. 7 1-6- پیل­های سوختی الکلی مستقیم………………………………………………………………………………………………………………. 9 1-7- سوخت­های مورد استفاده در پیل­های سوختی الکلی…………………………………………………………………………………. 10 1-7-1- متانول به­عنوان سوخت……………………………………………………………………………………………………………………… 10 1-7-1-1- پیل سوختی متانول مستقیم………………………………………………………………………………………………………….. 11 1-7-2- 2-پروپانول……………………………………………………………………………………………………………………………………… 15 1-7-2-1- پیل سوختی 2-پروپانولی مستقیم………………………………………………………………………………………………….. 15 1-7-3- پروپیلن­گلیکول………………………………………………………………………………………………………………………………… 16 1-7-3-1- پیل سوختی 1و2-پروپان­دی­ال مستقیم………………………………………………………………………………………….. 16 1-8- کاتالیست مورد استفاده در آند پیل­های سوختی……………………………………………………………………………………….. 17 1-8-1- بهبود کاتالیست پلاتین با استفاده از بسترهای مختلف………………………………………………………………………….. 18 1-8-1-1- کربن بلک……………………………………………………………………………………………………………………………………. 19 1-9- مطالعه اکسیداسیون الکل­ها روی الکتروکاتالیست­های بر پایه پلاتین………………………………………………………….. 20 1-9-1- سینیتیک واکنش اکسیداسیون متانول در DMFC………………………………………………………………………………………………. 21 1-9-2- مکانیسم اکسایش متانول…………………………………………………………………………………………………………………… 22 1-9-2- اکسیداسیون 2-پروپانول و پروپیلن­گلیکول روی الکتروکاتالیست­های برپایه پلاتین…………………………………. 23 1-10- اهداف پروژه……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 29 فصل دوم مبانی نظری 2-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 31 2-2- تکنیک­های مورد استفاده……………………………………………………………………………………………………………………….. 31 2-3- ولتامتری………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 32 2-3-1- ولتامتری با روبش خطی پتانسیل……………………………………………………………………………………………………….. 32 2-3-2- ولتامتری چرخه‏ای…………………………………………………………………………………………………………………………….. 32 2-3-3- عوامل موثر در واکنش­های الکترودی در حین ولتامتری چرخه­ای……………………………………………………………. 33 2-3-4- نحوه عمل در ولتامتری چرخه­ای………………………………………………………………………………………………………… 34   2-4- نمودارهای تافل…………………………………………………………………………………………………………………………………….. 35 2-5- روش طیف­‏نگاری امپدانس الکتروشیمیایی……………………………………………………………………………………………….. 36 2-6- مشخصه­یابی سطح الکترود…………………………………………………………………………………………………………………….. 48 2-6-1- SEM…………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 38 2-6-2- EDS…………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 39 فصل سوم: بخش تجربی 3-1- مواد شیمیایی……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 41 3-2- دستگاه‌های مورد استفاده……………………………………………………………………………………………………………………….. 41 3-3- الکترود­های به­کار گرفته شده در روش­های ولتامتری…………………………………………………………………………………. 44 3-4- تهیه کاتالیست پلاتین/کربن…………………………………………………………………………………………………………………… 44 3-5-تهیه جوهر کاتالیست………………………………………………………………………………………………………………………………. 44 3-6- آماده­سازی الکترود کربن­شیشه……………………………………………………………………………………………………………….. 45 فصل چهارم: بحث و نتیجه­گیری 4-1- کلیات………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 47 4-2- بررسی ریخت­شناسی و تجزیه عنصری…………………………………………………………………………………………………….. 47 4-3- ولتامتری چرخه­ایPt/C  در محلول قلیایی……………………………………………………………………………………………….. 49 4-4- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست  Pt/Cدر محلول بازی متانول………………………………………………………………. 51 4-4-1- بررسی ولتاموگرام چرخه­ای الکترود Pt/C/GC در محلول بازی متانول…………………………………………………… 51 4-4-2- بررسی منحنی­‌های EIS و کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسایش متانول………………………………….. 53 4-5- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست  Pt/Cدر محلول قلیایی 2-پروپانول…………………………………………………….. 56 4-5-1- بررسی ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C در اکسیداسیون 2-پروپانول……………………………………………………. 56 4-5-2- بررسی منحنی­‌های نایکوئیست و کرونوآمپرومتری کاتالیست Pt/C در اکسایش 2-پروپانول……………………… 59 4-6- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست  Pt/Cدر اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال…………………………………………….. 60 4-6-1- ولتامتری چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در محلول قلیایی 1و2-پروپان‌دی‌ال…………………………………………….. 60 4-6-2-بررسی پایداری Pt/C اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال……………………………………………………………………………. 62 4-7- بررسی عملکرد کاتالیست پلاتین/کربن در اکسیداسیون سوخت‌های مختلف………………………………………………… 64 4-7-1- بررسی و مقایسه ولتاموگرام‌های چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال در محیط قلیایی…………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 65 4-7-2- مقایسه و بررسی نمودارهای ولتامتری روبش خطی Pt/C در اکسیداسیون الکل­های مختلف……………………… 67 4-7-3-  مقایسه و بررسی نمودارهای تافل کاتالیست Pt/C  در اکسیداسیون الکل‌ها…………………………………………….. 68 4-7-4- بررسی نمودارهای کرونوآمپرومتری الکترود  Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل‌های مختلف…………………………. 69 4-7-5- مطالعات اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی الکترود  Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل‌های مختلف……… 72 4-8-نتیجه گیری………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 75 4-9-پیشنهادات…………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 76 4-10-منابع………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 77 چکیده انگلیسی فهرست اشکال عنوان                                                                                                                                                        صفحه شکل1-1- مقایسه تبدیلات انرژی در فرایند تولید انرژی از سوخت‌های فسیلی با روند تولید انرژی در پیل‌های سوختی 3 شکل1-2- پیل سوختی اولیه ساخته شده توسط ویلیام گرو………………………………………………………………………………. 5 شکل1-3 منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای استفاده از هیدروژن……………………………………………………………….. 6 شکل1-4- کاربردهایی از پیل سوختی در سیستم حمل و نقل دریایی، زمینی، وسایل پرتابل و مصارف نیروگاهی……. 6 شکل1-5- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی پلیمری……………………………………………………………………………………………….. 9 شکل-1-6- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی متانولی مستقیم………………………………………………………………………………….. 12 شکل1-7- مکانیسم اکسایش متانول و انواع حد­واسطهای تولیدی……………………………………………………………………….. 21 شکل1-8- مکانیسم اکسیدسیون اتیلن­گلیکول و گلیسرول روی الکتروکاتالیست­های فلزی…………………………………….. 24 شکل1-9- مکانیسم واکنش اکسیداسیون 2-پروپانول………………………………………………………………………………………… 25 شکل1-10- مکانیسم پیشنهادی برای اکسیدسیون 1،2-پروپان­دی­ال…………………………………………………………………. 28 شکل1-11- شکل شماتیک مکانیسم اکسیدسیون 1و2-پروپان­دی­ال در محیط قلیایی…………………………………………. 29 شکل2-1- مسیر کلی واکنش الکترودی……………………………………………………………………………………………………………. 34 شکل2-2- سیگنال تهییجی برای ولتامتری چرخه ای یک موج پتانسیلی با فرم مثلثی…………………………………………. 35 شکل2-3- تصویر شماتیک از نحوه­ی عملکردSEM …………………………………………………………………………………………… 39 شکل3-1- شمای کلی دستگاه اندازه گیری الکتروشیمیایی………………………………………………………………………………… 43 شکل3-2. شمای کلی تهیه جوهر کاتالیست Pt/C……………………………………………………………………………………………… 45 شکل3-3- ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود کربن شیشه‌ای در 20 میلی‌لیتر محلول یک  مولار متانول و  یک  مولار KOH در دمای اتاق با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه…………………………………………………………………………………………………………………………… 46 شکل4-1- طیف EDS از پلاتین/کربن. ضمیمه: داده­های تجزیه عنصری حاصل……………………………………………………. 48 شکل4-2- تصاویر SEM از سطح پلاتین/کربن  با بزرگ‌نمایی­های متفاوت…………………………………………………………… 50 شکل4-3- نمودار ولتامتری چرخه­ای الکترود Pt/C در محلولKOH  1 مولار با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه.. 51 شکل4-4- ولتاموگرام چرخه­ای کاتالیست Pt/C در محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی­ولت بر ثانیه           53 شکل4-5- مکانیسم کلی اکسایش متانول توسط کاتالیست Pt/C…………………………………………………………………………….. 54 شکل4-6- نمودار نایکویست الکترود  Pt/C/GCدر محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH در پتانسیل 4/0- ولت قبل و بعد از گرفتن CV بعد از 100 چرخه با دامنه پتانسیل 10 میلی­ولت…………………………………………………………………………………………………… 55 شکل4-7- نمودار کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH ………………………….. 56 شکل4-8- ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی‌‌ولت بر ثانیه    57 شکل4-9- ولتاموگرام‌های چرخه­ای کاتالیست Pt/C در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه در 100 چرخه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 59 شکل4-10- منحنی‌های نایکوئیست اکسیداسیون 2-پروپانول روی الکترود  Pt/C/GCقبل و بعد از گرفتن CV بعد از 100 چرخه            60 شکل4-11- نمودار کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH در پتانسیل 0.4- ولت    64 شکل4-12- منحنی ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در الکترواکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال با سرعت روبش 50 میلی‌ولت بر ثانیه در محلول یک مولار 1و2-پروپان‌دی‌ال و یک مولار KOH………………………………………………………………………………………. 62 شکل4-13- ولتاموگرام چرخه­ای الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 1و2-پروپان‌دی‌ال و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی­ولت بر ثانیه در 100 چرخه……………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 64 شکل4-14 منحنی­های نایکوئیست اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال در پتانسیل 0.4- ولت  قبل و بعد از گرفتن CV 65 شکل4-15- منحنی­های کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون قلیایی 1و2-پروپان‌دی‌ال در پتانسیل 0.4- ولت     65 شکل4-16- ولتاموگرام‌های چرخه‌ای مربوط به اکسیداسیون الکلها روی Pt/C در محلول 1مولار الکل و 1مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 67 شکل4-17- الف. مقایسه بین پتانسیل آغازی و ب. دانسیته جریان اکسیداسیون الکل­های مختلف روی الکترود Pt/C/GC        67 شکل4-18- منحنی‌های ولتامتری روبش خطی کاتالیست Pt/C در محلول یک مولار الکل و 1 مولار KOH در دمای اتاق با سرعت روبش یک میلی ولت بر ثانیه…………………………………………………………………………………………………………………………………………… 69 شکل4-19- منحنی تافل برای محاسبه مقدار ضریب انتقال () مربوط به روبش رفت اکسیداسیون متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال با سرعت روبش 1 میلی ولت بر ثانیه…………………………………………………………………………………………………………………… 70 شکل4-20- بررسی نمودار کرونوآمپرومتری کاتالیست  Pt/C در اکسیداسیون الکل 1 مولار و KOH 1 مولار در  پتانسیل 0.4- ولت         71 شکل4-21- نمودار جریان بر حسب t-1/2 برای به‌دست آوردن ضریب نفوذ در اکسیداسیون الکل 1 مولار و KOH 1 مولار          73 شکل 4-22- نمودار امپدانس الکتروشیمیایی الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون الکل‌های مختلف قبل و بعد از گرفتن CV در 100 چرخه در پتانسیل 0.4- ولت………………………………………………………………………………………………………………………………………… 75 شکل 4-23- مدار معادل با دیاگرام‌های نایکوئیست…………………………………………………………………………………………… 76 فهرست جداول عنوان                                                                                                                                   صفحه جدول1-1- معایب و مزایای سوخت­های مورد استفاده در پیل­های سوختی………………………………………………… 17 جدول3-1- مشخصات مواد شیمیایی………………………………………………………………………………………………………. 41 جدول4-1- مقایسه پارامترهای الکتروشیمیایی در اکسیداسیون بازی الکل 1 مولار + KOH 1 مولار روی کاتالیست Pt/C    68 جدول 4-2- شیب‌های تافل و ضرایب انتقال الکترون به دست آمده از فعالیت الکتروکاتالیست Pt/C در محلول‌های مختلف            70 جدول 4-3- دانسیته جریان نهایی (jf) و اولیه (ji) حاصل از اکسایش الکل‌های متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال توسط Pt/C و نسبت ji/jf………………………………………………………………………………………………………… 72 فهرست علائم و اختصارات   معادل فارسی                                          معادل انگلیسی                                   علائم و اختصارت   M                                    Molar                                                    مولار S                                    Second                                                    ثانیه Pt                                  Platinum                                                پلاتین µA                             Microamper                                        میکروآمپر C                              Concentration                                            غلظت j                             Current density                                   چگالی جریان mv s-1                      Milivolt per second                            میلی­ولت بر ثانیه U                        Potential sweep rate                     سرعت روبش پتانسیل cv                        Cyclic Voltametry                           ولتامتری چرخه­ای SEM             Scsnning electron microscopy      میکروسکوپی الکترون روبشی EDS           Energy dispersive spectroscopy         طیف­بینی پراکنش انرژی n                Number of exchanged electron      تعداد الکنرونهای مبادله شده c                                   Capacitor                                              خازن DMFC        Direct Methonol fuel cell          پیل سوختی متانولی مستقیم DAFCS           Direct Alcohol Fuel cells            پیل سوختی الکلی مستقیم

چکیده