جلال بصیری پارسا

چکیده: هدف این تحقیق، کاهش هزینه، ارتقاء فعالیت کاتالیستی و پایداری الکتروکاتالیست‌های آندی برپایه نانوذرات پلاتین برای کاربرد در پیل‌های سوختی الکلی مستقیم بود. به منظور بررسی اثر لایه پشتیبان بر فعالیت کاتالیست پلاتین از بستر ورقه کربن (CP) و استیل ضد زنگ (SS) استفاده شد. در دو کار پژوهشی، الکتروکاتالیست‌های آندی با استفاده از اکسید فلزات و زیرلایه پارچه کربن (CC) تهیه شدند. سپس، آزمایش‌های فیزیکی و الکتروشیمیایی جهت بررسی عملکرد آن‌ها در واکنش اکسایش متانول در نیم‌پیل الکتروشیمیایی و پیل سوختی انجام شد. نتایج بررسی‌های مورفولوژی و الکتروشیمیایی الکترودهای تهیه شده با الکترود Pt@CC مقایسه شد تا اثر اصلاح عملکرد کاتالیست پلاتین در واکنش اکسایش متانول مشخص شود. در کار تحقیقی اول، آنتیموان (Sb) با درصدهای مولی مختلف (0، 4، 8 و 12%) دوپ شده با اکسید قلع (SnO2) بر روی لایه پشتیبان از پارچه کربن (CC) در بارگذاری پلاتین بسیار کم (04/0 میلی گرم در سانتی متر مربع) تهیه شد. با به‌کارگیری فرآیندهای سل-ژل و هم-رسوبی، به عتوان روش‌های مناسب و ساده درتهیه الکتروکاتالیست‌ها، نانوذرات کامپوزیتی برسطح بستر هادی پارچه کربن به خوبی توزیع شدند. نتایج آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) نشان داد که دوپینگ SnO2 با Sb باعث کاهش میانگین اندازه ذرات پلاتین در سطحSnO2-CC ، Sb4-SnO2-CC، Sb8-SnO2-CC و Sb12-SnO2-CC به ترتیب به میزان 90، 60، 70 و 80 نانومتر نسبت به سطح CC به مقدار 100 نانومتر شد. همین‌طور، نتایج طیف پراش پرتو ایکس (XRD) نیز نشان داد که ترکیب نانوذرات Sb و Pt در SnO2 آمیخته شده و ساختار روتیل چهارضلعی آن حفظ شد. همچنین، به منظور کاهش هزینه تهیه الکتروکاتالیست، مقدار بارگذاری پلاتین با توزیع گسترده و مناسب آن بر روی مواد پشتیبان به حداقل رسید. در نتیجه، با افزایش نقاط فعال کاتالیستی در دسترس برای واکنش‌های الکتروشیمیایی، چگالی جریان در واکنش اکسایش متانول افزایش یافت. بیشترین ناحیه سطح فعال الکتروشیمیایی در الکترودهای تهیه شده مربوط به ترکیب 4 درصدی از Sb به مقدار 4/24 متر مربع بر گرم در محیط اسیدی بود. بیشترین چگالی‌جریان نیز در پتانسیل 71/0 ولت برای الکترود Pt@Sb4-SnO2-CC به مقدار mA cm-2 5/15 در اکسایش متانول به‌دست آمد، در حالی‌که مقدار آن 2/1 برابر بیشتر از الکترود Pt@CC بود. تجزیه و تحلیل نتایج آزمایشات کرونوآمپرومتری و ولتامتری عاری‌سازی مونوکسیدکربن نشان داد که این الکترود بیشترین مقاومت را در برابر مسمومیت با CO با اکسایش گونه-های‌ حد‌واسط مونوکسیدکربن جذب‌شده بر سطح کاتالیست داشت. نتایج طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (EIS) نیز نشان داد که حداقل مقاومت انتقال بار ( Rct) Ω cm2 6/17 برای الکترود Pt@Sb4-SnO2-CC به‌دست آمد. فعالیت الکتروکاتالیستی بیشتر پلاتین منجر به افزایش سرعت واکنش اکسایش متانول در سطح الکترود و کاهش مقدار Rct شد. در آزمایش DMFC فعال، توان و چگالی‌جریان بالای این الکترود به ترتیب mW cm-211 و mA cm-2 66 در ولتاژ پیل 2/0 ولت به‌دست آمد. نتایج آزمایشات الکتروشیمیایی نشان داد که اصلاح فعالیت کاتالیست پلاتین و استفاده از SnO2 دوپ شده با Sb باعث بهبود فعالیت و پایداری الکترودها شد. در کار تحقیقی دوم، الکتروکاتالیست‌های نانوساختار آندی مختلف با استفاده از پلاتین، آلومینیوم، تیتانیوم، روی و پارچه کربن به‌صورت Pt@ZnO-CC، Pt@Al-ZnO-CC، Pt@Ti-ZnO-CC وPt@Al-Ti-ZnO-CC تهیه شد. نتایج نشان داد که اصلاح عملکرد کاتالیست پلاتین و استفاده از ZnOدوپ شده با Al و Ti برهم‌کنش قوی‌ با نانوذرات پلاتین برقرار کرده و موجب افزایش پایداری الکتروشیمیایی این کاتالیست‌ شد. نتایج نشان داد که آمیختن نانوذرات Al، Ti و Pt به ساختار شش ضلعی ورتزیت (wurtzite) ZnOآسیبی وارد نکرد. دوپینگ ZnO با نانوذرات Al و Ti، پراکندگی کاتالیزور پلاتین را بهبود بخشیده و چگالی-جریان را در مقایسه با الکترود Pt@CC 6/1 برابر افزایش داد. بیشترین ناحیه سطح فعال الکتروشیمیایی به مقدار 6/98 متر مربع بر گرم، حداقل مقدارRct ، Ω cm2، 14 و پایداری خوب در برابر مسمومیت با مونوکسیدکربن برای الکترود Pt@Al-Ti-ZnO-CC به‌دست آمد. این الکترود در آزمایش DMFC فعال، حداکثر توان و چگالی‌جریان را به ترتیب mW cm-2 1/15 و mA cm-2 4/83 در ولتاژ پبل 2/0 ولت نشان داد. در آزمایش EIS، مقادیر مقاومت انتقال بار در آند (Rct,a)، کاتد (Rct,c)، ظرفیت لایه دوگانه در آند (CPE-a)، کاتد (CPE-c) و مقاومت توده (Rohm) با معادل‌سازی نتایج با نرم افزار Zview به‌دست آمد. Rohm مقاومت مربوط به غشا تبادل پروتونی است. مقادیر Rct,a و Rct,c با کاهش ولتاژ سلول از 3/0 به 2/0 ولت به ترتیب 6/11 و 6/26 درصد کاهش نشان داد.