بررسی فعالیت کاتالیستی نانوکامپوزیت پالادیم- نانولوله های کربنی جهت
الکترواکسایش متانول در پیل های سوختی و مقایسه آن با کاتالیست پلاتینی

رقیه خالقیان مقدم1*
1- استادیار ،دانشکده فنی و مهندسی، مجتمع آموزش عالی اسفراین، اسفراین، خراسان شمالی، ایران
*r_khaleghianm@yahoo.com
)تاریخ دریافت: 13/10/1395، تاریخ پذیرش: 22/11/1395(

چکیده
در این تحقیق، نانوکامپوزیت پالادیم- نانولولههای کربنی- چیتوسان سنتز و با تکنیک های XRD و TEM شناسایی شد. نانوکامپوزیت سنتزشده برای اصلاح سطح الکترودهای کربن شیشه ای مورد استفاده واقع گردید .با استفاده از تکنیک ولتامتری چرخهای، فعالیت الکتروشیمیایی الکترود اصلاحشده) GC/MWCNTs-PdNPs-CH( برای الکترواکسایش متانول در محلول 5/0 مولار سدیم هیدروکسید و 0/1 مولار متانول مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاکی از آن بود که نانو کامپوزیت سنتز شده فعالیت بسیار بالایی جهت اکسایش متانول از خود نشان می دهد و از این رو، قابلیت استفاده به عنوان آند پیل های سوختی متانولی را داراست .اثر عوامل تجربی نظیر غلظت های متانول و الکترولیت، محدوده پتانسیل و سرعت روبش پتانسیل بر دانسیته جریان آندی و پتانسیل اکسایش متانول نیز مورد بررسی واقع شد. همچنین در مقایسه فعالیت الکتروشیمیایی نانوکاتالیست پالادیم جهت اکسایش متانول با نوع پلاتینی مشخص گردید که نانوکاتالیست پالادیم، فعالیتی قابل ملاحظه و در حد کاتالیست حاوی نانوذرات پلاتین دارد و از این رو می تواند جایگزین بسیار مناسبی برای پلاتین در فرآیند الکترواکسایش متانول باشد. همچنین این جایگزینی، قیمت تمام شده کاتالیست را
نیز کاهش می دهد.

واژه های کلیدی:
پالادیم، پلاتین، نانولوله های کربنی، متانول، الکترواکسایش.

مقدمه
پیلهای سوختی متانولی مستقیم) DMFCs( اخیراً به عنوان یکی از مهمترین منابع انرژی با توجه به نیاز روزافزون به انرژی در آینده مورد توجه واقع شدهاند. استفاده آسان از متانول به عنوان یک سوخت مایع ارزان و در دسترس در کنار سادگی سیستم ،دانسیته انرژی بالا، و انتشار کم آلودگی از مهمترین دلایل توجه دانشمندان به پیلهای سوختی متانولی مستقیم میباشد] 1[. به علاوه ،کاربرد متانول به طور قابل ملاحظه ای راحتتر از هیدروژن گازی است و خطر کمتری نسبت به هیدروژن دارد .این مزایای متانول برای کاربرد در تأسیسات برقی و پیل های سوختی کوچک با توان کمتر برای وسایل برقی چون کامپیوترهای شخصی، تلفن های همراه و … مهم می باشد. بر خلاف محصولات پتروشیمیایی و سایر انواع سوخت های آلی، متانول فعالیت الکتروشیمیایی بیشتری دارد]2-3[. بهترین کاتالیست مورد استفاده در پیل های سوختی الکلی، پلاتین می باشد] 4[. با این وجود، فراوانی کم و گران قیمت بودن فلز پلاتین و مسمومیت سطح آن با گونه های شبه کربن مونوکسید حاصل از اکسایش متانول، استفاده از پلاتین را محدود می سازد ]5[.فعالیت کاتالیستهای پلاتین به عوامل متعددی بستگی دارد که مهمترین آنها پایه کاتالیست میباشد. در سالهای اخیر ،مواد کربنی مختلفی مانند کربن سیاه] 6[، فیبرهای کربنی فعال-شده] 7[، کربن مزوحفره] 8[، کاغذ کربنی] 9[، گرافن] 10[ و نانولولههای کربنی] 11[ بهعنوان مواد پایه مورد برسی قرار گرفتهاند. ساختار لولهای نانولولههای کربنی در کنار سایر ویژگیهای منحصر به فرد آنها چون اندازه نانو، سطح خارجی زیاد، هدایت الکتریکی بالا، نسبت سطح به حجم بالا و پایداری مکانیکی باعث شده است که نانولوله های کربنی به عنوان مواد پایه ایدهال، توجه دانشمندان سراسر جهان را به خود جلب نمایند ]12[. به علاوه ،وجود این ویژگی های منحصر به فرد سبب شده تا این دسته از آلوتروپ های کربن در جهت بهبود خواص مواد از جمله خواص الکتریکی] 11-12[و مکانیکی] 13[ بسیار مورد استفاده قرار گیرند. اخیراً فلز پالادیم به جهت فراوانی بیشتر و ارزان تر بودن به عنوان جایگزینی برای فلز گران قیمت پلاتین مورد توجه قرار گرفته است] 14-15[.
در این تحقیق، الکترواکسایش متانول بر روی الکترودهای کربن شیشهای اصلاحشده با نانوکامپوزیت شامل نانوذرات پالادیم ،نانولوله های کربنی چنددیواره و پایدارکننده پلیمری چیتوسان )MWCNTs-PdNPs-CH( با استفاده از تکنیک ولتامتری چرخهای) CV( بررسی شده است. نتایج به دست آمده نشان دادند که نانوکامپوزیت تهیهشده، فعالیت قابل ملاحظه ای را برای اکسایش متانول از خود نشان میدهد.

مواد و انجام روش تحقیق
تهیه نانوکامپوزیت
برای تهیه نانوکامپوزیت پالادیم- نانولوله های کربنی- چیتوسان از نمک پالادیم کلرید، نانولوله های کربنی چنددیواره و محلول چیتوسان استفاده گردید. ابتدا 5/1 گرم از نانولوله های کربنی چند دیواره با مقداری از محلول چیتوسان در یک حمام الترسونیک مخلوط شد تا جوهر سیاه یکنواختی به دست آمد. سپس مخلوط حاصل به محلول نمک پالادیم کلرید در هیدروکلریک اسید اضافه شد. مخلوط حاصل حدود یک ساعت به هم زده شد. سپس، به منظور احیاء یون های پالادیم، مقداری از نمک سدیم تتراهیدروبورات به مخلوط حاصل اضافه و جهت کامل شدن عمل احیاء نیم ساعت دیگر هم مخلوط به هم زده شد. از نانوکامپوزیت حاصل برای اصلاح سطح الکترود کربن شیشه ای و مطالعات الکتروشیمیایی استفاده گردید.

آماده سازی الکترود
مطالعات الکتروشیمیایی با استفاده از یک سیستم سل سه-الکترودی، شامل یک الکترود کربن شیشهای به عنوان الکترود کار با قطر mm0/2، یک الکترود پلاتین به عنوان الکترود کمکی و یک الکترود Hg/HgO به عنوان الکترود مرجع انجام گردید. قبل از اصلاح الکترود با نانوکاتالیست مورد نظر، سطح الکترود کربن شیشهای توسط پودر آلومینا صیقل داده شد. برای فعالشدن سطح الکترود کربن شیشهای، از محلول سولفوریک اسید 5/0 مولار و تکنیک ولتامتری چرخهای استفاده شد. پس از فعال شدن سطح الکترود، مقدار 10 میکرولیتر از سوسپانسیون حاوی نانوکامپوزیت روی سطح الکترود کربن شیشهای فعال-شده قرار گرفت و اجازه داده شد تا حلال در دمای اتاق تبخیر شود.

نتایج و بحث
شناسایی نانوکامپوزیت نانوکامپوزیت MWCNTs-PdNPs-CH با تکنیکهای XRD و TEM شناسایی شد. شکلهای 1 و 2، تصاویر XRD
MWCNTs-PdNPs-CH و MWCNTs-CH نانوکامپوزیتهای
شکل) 1(: الگوهای XRD )به ترتیب از بالا به پایین( نانوکامپوزیتهای MWCNTs-CH و MWCNTs-PdNPs-CH

0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Intensity / A. U.
2

theta/ degree

0

100

200

300

400

500

600

700

800



قیمت: تومان


پاسخ دهید