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 بهره گرفتن 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- آماده ­سازی الکترود کربن­شیشه……………………………………………………………………………………………………………….. 45

فصل چهارم: بحث و نتیجه ­گیری

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 نحوه­ 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 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

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 بهره گرفتن 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