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

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد 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)

دانشگاه مازندران

دانشکده شیمی

 

پایان نامه دوره کارشناسی ارشد در رشته شیمی گرایش شیمی فیزیک

 

موضوع

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)

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 طیف­سنجی 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- پروپان­دی­ال 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-‌ پروپان­دی­ال 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 می­باشد. نتایج آزمایشات کرونوآمپرومتری تایید می­‌کند که Pt/C دانسیته جریان پایدارتری در اکسیداسیون 1و2-‌‌‌ پروپان‌دی‌ال نشان می‌­دهد. 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 نمی­‌توانند سایت‌های فعال واکنش را مسدود کنند. کلمات کلیدی: اکسیداسیون الکل،پیل سوختی الکلی مستقیم، ، پلاتین/کربن، الکتروکاتالیستفهرست مطالبعنوان                                                                                                                                     صفحهفصل اول:مقدمه­ای بر پیل­های سوختی1-1- مقدمه....................................................................................................................................................................... 21-2- پیل سوختی چیست؟.............................................................................................................................................. 21-3- تاریخچه................................................................................................................................................................... 41-4- کاربرد­های پیل سوختی........................................................................................................................................... 61-5- انواع پیل سوختی..................................................................................................................................................... 71-5-1- پیل سوختی پلیمری یا غشاء مبادله کننده پروتون........................................................................................... 71-6- پیل­های سوختی الکلی مستقیم............................................................................................................................... 91-7- سوخت­های مورد استفاده در پیل­های سوختی الکلی.............................................................................................. 101-7-1- متانول به­عنوان سوخت....................................................................................................................................... 101-7-1-1- پیل سوختی متانول مستقیم.......................................................................................................................... 111-7-2- 2-پروپانول......................................................................................................................................................... 151-7-2-1- پیل سوختی 2-پروپانولی مستقیم................................................................................................................. 151-7-3- پروپیلن­گلیکول................................................................................................................................................... 161-7-3-1- پیل سوختی 1و2-پروپان­دی­ال مستقیم........................................................................................................ 161-8- کاتالیست مورد استفاده در آند پیل­های سوختی..................................................................................................... 171-8-1- بهبود کاتالیست پلاتین با استفاده از بسترهای مختلف...................................................................................... 181-8-1-1- کربن بلک....................................................................................................................................................... 191-9- مطالعه اکسیداسیون الکل­ها روی الکتروکاتالیست­های بر پایه پلاتین.................................................................... 201-9-1- سینیتیک واکنش اکسیداسیون متانول در DMFC........................................................................................................................................... 211-9-2- مکانیسم اکسایش متانول.................................................................................................................................... 221-9-2- اکسیداسیون 2-پروپانول و پروپیلن­گلیکول روی الکتروکاتالیست­های برپایه پلاتین........................................ 231-10- اهداف پروژه........................................................................................................................................................... 29فصل دوم مبانی نظری2-1- مقدمه....................................................................................................................................................................... 312-2- تکنیک­های مورد استفاده......................................................................................................................................... 312-3- ولتامتری................................................................................................................................................................... 322-3-1- ولتامتری با روبش خطی پتانسیل....................................................................................................................... 322-3-2- ولتامتری چرخه‏ای............................................................................................................................................... 322-3-3- عوامل موثر در واکنش­های الکترودی در حین ولتامتری چرخه­ای...................................................................... 332-3-4- نحوه عمل در ولتامتری چرخه­ای........................................................................................................................ 342-4- نمودارهای تافل........................................................................................................................................................ 352-5- روش طیف­‏نگاری امپدانس الکتروشیمیایی.............................................................................................................. 362-6- مشخصه­یابی سطح الکترود...................................................................................................................................... 482-6-1- SEM................................................................................................................................................................. 382-6-2- EDS................................................................................................................................................................................................................................................... 39فصل سوم: بخش تجربی3-1- مواد شیمیایی........................................................................................................................................................... 413-2- دستگاه‌های مورد استفاده......................................................................................................................................... 413-3- الکترود­های به­کار گرفته شده در روش­های ولتامتری.............................................................................................. 443-4- تهیه کاتالیست پلاتین/کربن.................................................................................................................................... 443-5-تهیه جوهر کاتالیست................................................................................................................................................. 443-6- آماده­سازی الکترود کربن­شیشه................................................................................................................................ 45فصل چهارم: بحث و نتیجه­گیری4-1- کلیات....................................................................................................................................................................... 474-2- بررسی ریخت­شناسی و تجزیه عنصری.................................................................................................................... 474-3- ولتامتری چرخه­ایPt/C  در محلول قلیایی.............................................................................................................. 494-4- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست  Pt/Cدر محلول بازی متانول......................................................................... 514-4-1- بررسی ولتاموگرام چرخه­ای الکترود Pt/C/GC در محلول بازی متانول............................................................ 514-4-2- بررسی منحنی­‌های EIS و کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسایش متانول......................................... 534-5- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست  Pt/Cدر محلول قلیایی 2-پروپانول.............................................................. 564-5-1- بررسی ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C در اکسیداسیون 2-پروپانول............................................................. 564-5-2- بررسی منحنی­‌های نایکوئیست و کرونوآمپرومتری کاتالیست Pt/C در اکسایش 2-پروپانول........................... 594-6- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست  Pt/Cدر اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال..................................................... 604-6-1- ولتامتری چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در محلول قلیایی 1و2-پروپان‌دی‌ال..................................................... 604-6-2-بررسی پایداری Pt/C اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال........................................................................................ 624-7- بررسی عملکرد کاتالیست پلاتین/کربن در اکسیداسیون سوخت‌های مختلف......................................................... 644-7-1- بررسی و مقایسه ولتاموگرام‌های چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال در محیط قلیایی      654-7-2- مقایسه و بررسی نمودارهای ولتامتری روبش خطی Pt/C در اکسیداسیون الکل­های مختلف........................... 674-7-3-  مقایسه و بررسی نمودارهای تافل کاتالیست Pt/C  در اکسیداسیون الکل‌ها..................................................... 684-7-4- بررسی نمودارهای کرونوآمپرومتری الکترود  Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل‌های مختلف............................... 694-7-5- مطالعات اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی الکترود  Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل‌های مختلف......... 724-8-نتیجه گیری.............................................................................................................................................................. 754-9-پیشنهادات................................................................................................................................................................. 764-10-منابع....................................................................................................................................................................... 77چکیده انگلیسیفهرست اشکالعنوان                                                                                                                                                        صفحه شکل1-1- مقایسه تبدیلات انرژی در فرایند تولید انرژی از سوخت‌های فسیلی با روند تولید انرژی در پیل‌های سوختی 3شکل1-2- پیل سوختی اولیه ساخته شده توسط ویلیام گرو........................................................................................... 5شکل1-3 منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای استفاده از هیدروژن.......................................................................... 6شکل1-4- کاربردهایی از پیل سوختی در سیستم حمل و نقل دریایی، زمینی، وسایل پرتابل و مصارف نیروگاهی....... 6شکل1-5- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی پلیمری.............................................................................................................. 9شکل-1-6- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی متانولی مستقیم............................................................................................... 12شکل1-7- مکانیسم اکسایش متانول و انواع حد­واسطهای تولیدی................................................................................... 21شکل1-8- مکانیسم اکسیدسیون اتیلن­گلیکول و گلیسرول روی الکتروکاتالیست­های فلزی............................................ 24شکل1-9- مکانیسم واکنش اکسیداسیون 2-پروپانول...................................................................................................... 25شکل1-10- مکانیسم پیشنهادی برای اکسیدسیون 1،2-پروپان­دی­ال............................................................................ 28شکل1-11- شکل شماتیک مکانیسم اکسیدسیون 1و2-پروپان­دی­ال در محیط قلیایی................................................. 29شکل2-1- مسیر کلی واکنش الکترودی............................................................................................................................ 34شکل2-2- سیگنال تهییجی برای ولتامتری چرخه ای یک موج پتانسیلی با فرم مثلثی................................................. 35شکل2-3- تصویر شماتیک از نحوه­ی عملکردSEM ......................................................................................................... 39شکل3-1- شمای کلی دستگاه اندازه گیری الکتروشیمیایی............................................................................................. 43شکل3-2. شمای کلی تهیه جوهر کاتالیست Pt/C............................................................................................................ 45شکل3-3- 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............................................................................................................................................................... 46شکل4-1- طیف EDS از پلاتین/کربن. ضمیمه: داده­های تجزیه عنصری حاصل............................................................. 48شکل4-2- تصاویر SEM از سطح پلاتین/کربن  با بزرگ‌نمایی­های متفاوت..................................................................... 50شکل4-3- نمودار ولتامتری چرخه­ای الکترود Pt/C در محلولKOH  1 مولار با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه.. 51شکل4-4- ولتاموگرام چرخه­ای کاتالیست Pt/C در محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی­ولت بر ثانیه           53شکل4-5- مکانیسم کلی اکسایش متانول توسط کاتالیست Pt/C......................................................................................... 54شکل4-6- 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............................................................................................................................... 55شکل4-7- نمودار کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH ................................ 56شکل4-8- ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی‌‌ولت بر ثانیه    57شکل4-9- 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............................................................................................................................................................................................ 59شکل4-10- منحنی‌های نایکوئیست اکسیداسیون 2-پروپانول روی الکترود  Pt/C/GCقبل و بعد از گرفتن CV بعد از 100 چرخه            60شکل4-11- نمودار کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH در پتانسیل 0.4- ولت    64شکل4-12- 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....................................................................................................................... 62شکل4-13- 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.................................................................................................................................................................................. 64شکل4-14 منحنی­های نایکوئیست اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال در پتانسیل 0.4- ولت  قبل و بعد از گرفتن CV 65شکل4-15- منحنی­های کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون قلیایی 1و2-پروپان‌دی‌ال در پتانسیل 0.4- ولت     65شکل4-16- ولتاموگرام‌های چرخه‌ای مربوط به اکسیداسیون الکلها روی Pt/C در محلول 1مولار الکل و 1مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه.................................................................................................................................................................................... 67شکل4-17- الف. مقایسه بین پتانسیل آغازی و ب. دانسیته جریان اکسیداسیون الکل­های مختلف روی الکترود Pt/C/GC        67شکل4-18- 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................................................................................................................................................................................ 69شکل4-19- 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................................................................................................................................................ 70شکل4-20- بررسی نمودار کرونوآمپرومتری کاتالیست  Pt/C در اکسیداسیون الکل 1 مولار و KOH 1 مولار در  پتانسیل 0.4- ولت         71شکل4-21- نمودار جریان بر حسب t-1/2 برای به‌دست آوردن ضریب نفوذ در اکسیداسیون الکل 1 مولار و KOH 1 مولار          73شکل 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........................................................................................................................................................................... 75شکل 4-23- مدار معادل با دیاگرام‌های نایکوئیست......................................................................................................... 76 فهرست جداولعنوان                                                                                                                                   صفحهجدول1-1- معایب و مزایای سوخت­های مورد استفاده در پیل­های سوختی......................................................... 17جدول3-1- مشخصات مواد شیمیایی...................................................................................................................... 41جدول4-1- مقایسه پارامترهای الکتروشیمیایی در اکسیداسیون بازی الکل 1 مولار + KOH 1 مولار روی کاتالیست Pt/C    68جدول 4-2- شیب‌های تافل و ضرایب انتقال الکترون به دست آمده از فعالیت الکتروکاتالیست Pt/C در محلول‌های مختلف            70جدول 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                                                    مولارS                                    Second                                                    ثانیهPt                                  Platinum                                                پلاتینµA                             Microamper                                        میکروآمپرC                              Concentration                                            غلظتj                             Current density                                   چگالی جریانmv s-1                      Milivolt per second                            میلی­ولت بر ثانیهU                        Potential sweep rate                     سرعت روبش پتانسیلcv                        Cyclic Voltametry                           ولتامتری چرخه­ایSEM             Scsnning electron microscopy      میکروسکوپی الکترون روبشیEDS           Energy dispersive spectroscopy         طیف­بینی پراکنش انرژیn                Number of exchanged electron      تعداد الکنرونهای مبادله شدهc                                   Capacitor                                              خازنDMFC        Direct Methonol fuel cell          پیل سوختی متانولی مستقیمDAFCS       Direct Alcohol Fuel cells         پیل سوختی الکلی مستقیم
  • مقدمه
امروزه در استفاده از سوخت‌­های فسیلی که 80 درصد انرژی زمین را تأمین می­‌کنند دو مشکل اساسی وجود دارد. اول اینکه ذخایر این سوخت‌­ها محدود است و دیر یا زود تمام خواهند شد. دوم اینکه سوخت‌های فسیلی از عوامل اساسی ایجاد مشکلات زیست محیطی مثل گرم شدن کره زمین، تغییرات آب و هوایی، ذوب کوه‌های یخی، بالا آمدن سطح دریاها، باران‌های اسیدی، از بین رفتن لایه ازن و ... هستند [1].در اوایل سال 1970 استفاده از انرژی هیدروژن برای حل مشکلات ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی پیشنهاد شد. هیدروژن یک منبع انرژی عالی با ویژگی‌های فراوان است. هیدروژن سبک‌ترین، تمیزترین و پر­بازده‌ترین سوخت به­حساب می­آید. یکی از ویژگی‌های هیدروژن این است که طی فرآیندهای الکتروشیمیایی در پیل­های سوختی می­‌تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود. قابل ذکر است بازده چنین تبدیلی در پیل سوختی بالاتر از راندمان یک موتور احتراق داخلی است که انرژی سوخت فسیلی را به انرژی مکانیکی تبدیل می­کند. علاوه بر این سوخت، سوخت‌های دیگری نیز همچون الکل‌ها به­خصوص متانول و اتانول به­دلیل چگالی بالای انرژی و آسانی ذخیره‌سازی و حمل آن­ها نیز مورد توجه قرار گرفته‌اند.تعداد صفحه : 100قیمت : 14000تومان

بلافاصله پس از پرداخت ، لینک دانلود پایان نامه به شما نشان داده می شود

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        09309714541 (فقط پیامک)        info@arshadha.ir

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

--  -- --

مطالب مشابه را هم ببینید

فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید ! سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های دانشگاهی است. مطالب مشابه را هم ببینید. برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید