بخشی از مقاله
چکیده
نانوکامپوزیت کبالت اکسید-نانولوله های کربنی چندلایه از طریق آبکاری الکتروشیمیایی بر روی نانو لوله های تیتانیم دی اکسید ترسیب شد. مطالعات مورفولوژی وجود نانوکامپوزیت ترسیب شده با مساحت بالا را تایید کردند. رفتار الکتروکاتالیستی الکتردها برای الکترواکسیداسیون متانول توسط تکنیک های الکتروشیمیایی انجام گرفت.
بررسی های الکتروشیمیایی نانو کامپوزیت ها نشان داد که رفتار الکتروکاتالیستی این الکترود در مقایسه با الکترودی که تنها کبالت اکسید بر روی نانو لوله های تیتانیم دی اکسید ترسیب شده است بسیار بهتر است. رفتار بهتر الکتروکاتالیستی نانو کامپوزیت به وجود نانو لوله های کربنی در بطن نانوکامپوزیت نسبت داده شد که می توانند به عنوان کانال های انتقال الکترون عمل کرده و با کاهش مقاومت انتقال بار موجب افزایش رفتار الکتروکاتالیستی الکترودها شوند.
-1 مقدمه
در دنیای کنونی هر روز تکنولوژیها پیچیدهتر شده و نیاز به انرژی به عنوان چرخ محرک زندگس کنونی بیشتر احساس شده و کاهش منابع سوختهای فسیلی و اثرات زیست محیطی آنان، بسیاری از محققان برای حل این مشکل را به فکر چاره انداخته و هرکدام تحققیقاتی را در این مورد انجام دادهاند که پیل سوختی یکی از مهمترین این راهکارها میباشد. پیلهای سوختی مزایای مختلفی همچون کاهش آلودگی ناشی از سوزاندان سوختهای فسیلی، عدم وجود گازهای گلخانهای، صرفه اقتصادی، امکان استفاده از شبکه غیر مستقیم انرزی، راندمان و کارایی بالا، انتقال دمای کمتر، امکان استفاده مجدد، توانایی ایجاد همزمان برق و حرارت دارند؛ اما با این وجود بنا به دلایلی در تجاریسازی این مبدلهای انرژی موفقیت زیادی حاصل نشده است که از آنجمله میتوان به هزینه بالای الکترو کاتالیستهای پلاتینی، طلایی و یا پالادیومی، مسمومیت سطح الکتروکاتالیست و نیز به کند بودن سنتیک واکنش الکتروکاتالیستها اشاره کرد.
DMFC - پیلهای سوختی متانول مستقیم - بعنوان جایگزین امیدوار کننده ای برای تامین منابع انرژی در آینده نزدیک به شمار میرود. ساختار ساده، طراحی متراکم و بههم پیوسته، چگالی جریان بالا و بهروری بالا در تبدیل انرژی مزیت های مهم DMFC نسبت به سایر ابزارهای تبدیل انرژی است. با این حال، گران بودن مواد برای ساخت الکتردهای DMFC ها همچنان بعنوان یک چالش باقی مانده است. به طور معمول از فلزات گرانبها چون پالادیوم، پلاتین ، طلا و آلیاژهای آن به عنوان الکتروکاتالیست در آند استفاده میشود.
الکتردهای آندی و کاتدی نقش اساسی درعملکرد پیل های سوختی دارند که در این میان بیشتر مطالعات انجام شده بر بهینه کردن الکتردهای آندی اختصاص یافته است. به طور معمول از فلزات گرانبها چون پالادیوم، پلاتین ، طلا و آلیاژهای آن به عنوان الکتروکاتالیست در آند استفاده میشود. امروزه بیشتر تحقیقات در زمینه ساخت الکترو کاتالیستهای کامپوزیتی دو جزئی یا سه جزئی ارزان قیمت متمرکز شده است که بتواند با کارایی بالا جایگزین الکترد های گرانبهای مرسوم شود
رفتار الکتروکاتالیستی الکتردهای آندی وابستگی مستقیمی به مساحت سطح مواد فعال کاتالیستی برای الکترواکسیداسیون متانول دارند. بنابراین وجود بسترمناسب برای نشاندن مواد فعال کاتالیستی با مساحت سطح بالا می تواند کمک زیادی در افزایش سایت های فعال الکتردی داشته باشد. نانولوله های دی اکسید تیتانیم به خاطر تخلخل ذاتی و همچنین مساحت سطح بالا می توانند بستر مناسبی برای نشاندن الکتروکاتالیستها باشند. یکی از روش های مناسب و قابل کنترل برای سنتز نانولوله های دی اکسید تیتانیم، آندایزینگ الکتروشیمیایی تیتانیم در محلول های شامل یون فلوراید است
علاوه بر وجود بستر مناسب برای نشاندن مواد خازنی، نحوه پوشش دادن این مواد بر روی بستر و ترسیب به صورت نانومتریک، برای افزایش هر چه بیشتر مساحت سطح حائز اهمیت فراوان است. همچنین مشخص شده است که الکتروکاتالیستهای که به صورت نانویی بر روی بستر ترسیب می شوند مشکلات مسموم شدن سطح در آن ها کاهش می یابد.
-2 بخش تجربی
1--2 سنتز الکتردهای نانولوله های اکسید تیتانیم/تیتانیم - TiO2 nanotubes/Ti -
ابتدا ورقه های تیتانیم - با ضخامت - 1 mm وخلوص %99 به ابعاد 1×2cm بریده و سمباده شده تا سطح نمونه تیتانیم کاملاً صاف و صیقلی شوند و سپس این نمونه ها به ترتیب با استون، الکل و در نهایت با آب مقطر شسته شده تا سطح الکترود چربی زدایی شده و تمام ناخالصی ها از روی سطح برداشته شوند به منظور فعال سازی سطح برای فرایند آندایزینگ و زدودن لایههای اکسید احتمالی، نمونه های آماده شده تیتانیم به مدت 10 ثانیه در محلول تیزاب شامل HF , HNO3 , H2O به ترتیب با درصد حجمی10،50،40 قرار گرفتند.
فرایند آندایزینگ به مدت 2 ساعت در دمای اتاق با ولتاژ ثابت 20 ولت درمحلول گلیسرول و آب با درصد حجمی به ترتیب 75 به 25 و شامل0/5درصد وزنی NH Fصورت گرفت. نمونه تیتانیم اِچ شده، به قطب مثبت تامین کننده ولتاژ مستقیم به عنوان آند متصل گردید، در حالی که قطب منفی تامین کننده ولتاژ به عنوان کاتد به صفحه پلاتینی با مساحت20cm2 متصل بود.
در حین آندایزینگ به منظور ثابت ماندن لایه انتشار و در نهایت ثابت ماندن گرادیان غلظت F ، محلول با سرعت350 rpm به هم زده شد. با اعمال ولتاژ، ابتدا جریان خروجی بزرگی مشاهده شد اما با گذشت زمان و رشد لایه های اکسیدی جریان خروجی افت کرده و در نهایت در مقدار مشخصی ثابت می ماند. مطالعات XRD نشان می دهد که نانولوله های TiO2سنتز شده به روش آندایزینگ الکتروشیمیایی ساختار کریستالی مشخصی نداشته و ساختار آمورف با رسانایی الکتریکی ضعیف از خود نشان می دهد. از انجایی که رسانایی الکتریکی نمونه ها پارامتر بسیار مهم در رفتار الکتروکاتالیستی است؛ نمونه ها به مدت 3 ساعت در دمای 450 قرار گرفتند تا فرم کریستالی آناتاز ،که رسانایی الکتریکی مناسبی دارد، ایجاد گردد.
- 2- 2 ترسیب الکتروشیمیایی نانو کامپوزیت اکسید کبالت- نانو لوله کربنی چندلایه - Co3O4-MWCNT -
برای ترسیب الکتروشیمیایی بهتر MWCNT بر روی بستر TiO2-NTs/Ti، نانولوله های کربنی چند لایه عامل دار گردید. 0/5 گرم نانولوله های کربنی را در 20 ml اسید سولفوریک و 20 ml اسید نیتریک مخلوط کرده و بعد از قرار دادن در اولتراسونیک به مدت یک ساعت، در دمای 120 درجه سیلسیوس به مدت سه ساعت تحت شرایط رفلاکس قرار داده و در نهایت نانولوله های کربنی چند لایه عامل دار شده - - fMWCNT خالص سازی گردید.
ترسیب الکتروشیمیایی نانو کامپوزیت Co3O4-MWCNT بر روی بستر TiO2-NTs/Ti به صورت مرحله ای انجام گردید. ابتدا ترسیب fMWCNT تحت شرایط گالوانوایستاتیک در یک جریان کاتدی 3 میلی آمپر به مدت 1000 s در محلول شامل 0/3 g l-1 MWCNT و 1/0 M KNO3 در دمای اتاق تحت سیستم دو الکترودی انجام گرفت که در آن TiO2-NTs/Ti الکترود کار و الکترود پلاتین با ابعاد 20 cm2 الکترود کمکی بودند. سپس آبکاری الکتروشیمیایی Co روی سطوح MWCNT/TiO2-NTs/Ti به صورت گالوانواستاتیکی با دانسیته جریان 2 10 mAcm طبق جدول2 به مدت 10دقیقه صورت گرفت. این مراحل دو بار تکرار شد تا الکترود Co-MWCNT/TiO2-NTs/Ti سنتز شود.
