فرمت فایل : WORD (قابل ویرایش)
تعداد صفحات:98
پایان نامه دوره کارشناسی ارشد در رشته شیمی گرایش شیمی¬فیزیک
عنوان : بررسی فعالیت نانوکاتالیست آندی بر پایه پلاتین جهت کاربرد در پیل های سوختی الکلی مستقیم(متانول، 2-پروپانول و،2،1- پروپان دی ال)
فهرست مطالب:
عنوان صفحه
فصل اول:مقدمه¬ای بر پیل¬های سوختی
1-1- مقدمه 2
1-2- پیل سوختی چیست؟ 2
1-3- تاریخچه 4
1-4- کاربرد¬های پیل سوختی 6
1-5- انواع پیل سوختی 7
1-5-1- پیل سوختی پلیمری یا غشاء مبادله کننده پروتون 7
1-6- پیل¬های سوختی الکلی مستقیم 9
1-7- سوخت¬های مورد استفاده در پیل¬های سوختی الکلی 10
1-7-1- متانول به¬عنوان 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- پروپیلن¬گلیکول 16
1-7-3-1- پیل سوختی 1و2-پروپان¬دی¬ال مستقیم 16
1-8- کاتالیست مورد استفاده در آند پیل¬های 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 الکل¬ها روی الکتروکاتالیست¬های 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 پروپیلن¬گلیکول روی الکتروکاتالیست¬های برپایه پلاتین 23
1-10- اهداف پروژه 29
فصل دوم مبانی نظری
2-1- مقدمه 31
2-2- تکنیک¬های 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 واکنش¬های الکترودی در حین ولتامتری چرخه¬ای 33
2-3-4- نحوه عمل در ولتامتری چرخه¬ای 34
2-4- نمودارهای تافل 35
2-5- روش طیف¬نگاری امپدانس الکتروشیمیایی 36
2-6- مشخصه¬یابی 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- الکترود¬های به¬کار گرفته شده در روش¬های ولتامتری 44
3-4- تهیه کاتالیست پلاتین/کربن 44
3-5-تهیه جوهر کاتالیست 44
3-6- آماده¬سازی الکترود کربن¬شیشه 45
فصل چهارم: بحث و نتیجه¬گیری
4-1- کلیات 47
4-2- بررسی ریخت¬شناسی و تجزیه عنصری 47
4-3- ولتامتری چرخه¬ایPt/C در محلول قلیایی 49
4-4- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر محلول بازی متانول 51
4-4-1- بررسی ولتاموگرام چرخه¬ای الکترود Pt/C/GC در محلول بازی متانول 51
4-4-2- بررسی منحنی¬های 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 منحنی¬های 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 الکل¬های 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 حد¬واسطهای تولیدی 21
شکل1-8- مکانیسم اکسیدسیون اتیلن¬گلیکول و گلیسرول روی الکتروکاتالیست¬های فلزی 24
شکل1-9- مکانیسم واکنش اکسیداسیون 2-پروپانول 25
شکل1-10- مکانیسم پیشنهادی برای اکسیدسیون 1،2-پروپان¬دی¬ال 28
شکل1-11- شکل شماتیک مکانیسم اکسیدسیون 1و2-پروپان¬دی¬ال 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 نحوه¬ی 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: داده¬های تجزیه عنصری حاصل 48
شکل4-2- تصاویر SEM از سطح پلاتین/کربن با بزرگ‌نمایی¬های متفاوت 50
شکل4-3- نمودار ولتامتری چرخه¬ای الکترود Pt/C در محلولKOH 1 مولار با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه 51
شکل4-4- ولتاموگرام چرخه¬ای کاتالیست Pt/C در محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی¬ولت 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 میلی¬ولت 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 چرخه¬ای 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 چرخه¬ای الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 1و2-پروپان‌دی‌ال و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی¬ولت بر ثانیه در 100 چرخه 64
شکل4-14 منحنی¬های نایکوئیست اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال در پتانسیل 0.4- ولت قبل و بعد از گرفتن CV 65
شکل4-15- منحنی¬های 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 الکل¬های 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 سوخت¬های مورد استفاده در پیل¬های 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
چکیده
در این پروژه ابتدا نانوکاتالیست پلاتین/کربن به وسیله‌ی کاهش شیمیایی نمک پلاتین با کاهنده شیمیایی سدیم بور هیدرید سنتز شد. ویژگی‌های ساختاری و مورفولوژی نانوکاتالیست سنتز شده با استفاده از طیف¬سنجی پراکنش انرژی و میکروسکوپ روبش الکترونی مورد بررسی قرار گرفت. فعالیت و پایداری نانوکاتالیست Pt/C در الکترواکسیداسیون الکلهای مختلفی مانند متانول، 2- پروپانول و 1و2- پروپان¬دی¬ال در محیط قلیایی مورد بررسی قرار گرفت. تکنیک‌های ولتامتری چرخه‌ای، کرونوآمپرومتری و اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی برای بررسی واکنش اکسیداسیون استفاده شدند. Pt/C دانسیته جریان بالایی در اکسیداسیون 1و2- پروپان¬دی¬ال در مقایسه با متانول و 2- پروپانول نشان می‌‌دهد. مقدار پتانسیل آغازی برای Pt/C در اکسیداسیون 1و2- پروپان دی ال مقدار منفی تر نسبت به اکسیداسیون متانول دارد که این امر به دلیل سنتیک سریع واکنش اکسیداسیون 1و2- پروپان دی ال می¬باشد. نتایج آزمایشات کرونوآمپرومتری تایید می¬کند که Pt/C دانسیته جریان پایدارتری در اکسیداسیون 1و2- پروپان‌دی‌ال نشان می¬دهد. نتایج حاصل از امپدانس الکتروشیمیایی پس از طی 100 چرخه نشان داد که مقاومت انتقال بار در اکسیداسیون 1و2- پروپان‌دی‌ال کمترین مقدار و برای 2-پروپانول بیشترین مقدار را دارد. دلیل این امر این است که در اکسیداسیون1و2- پروپان‌دی‌ال مقاومت کاتالیست در برابر جذب حد واسط بالاست و حد واسط ها به راحتی نمی¬توانند سایت‌های فعال واکنش را مسدود کنند.
کلمات کلیدی: اکسیداسیون الکل،پیل سوختی الکلی مستقیم، ، پلاتین/کربن، الکتروکاتالیست