بخشی از مقاله
چكيده:
در اين كار، نانوكاتاليست اورتوفريت لانتانيم-نانو لوله كربني با موفقيت سنتز شد و اثر كاتاليزوري آن بر الكترواكسيداسيون اتانول مورد بررسي قرار گرفت. بررسيهاي الكتروشيميايي با استفاده از الكترود كربن شيشهاي و با استفاده از تكنيكهاي ولتامتري چرخهاي و كرونوآمپرومتري انجام شدند. عوامل موثر بر الكترواكسيداسيون اتانول در سطح نانو كاتاليست اورتوفريت لانتانيم-نانو لوله كربني از جمله غلظت اتانول، غلظت سديم هيدروكسيد به عنوان الكتروليت و مقدار نانوذرات اورتوفريت لانتانيم مورد بررسي قرار گرفتند و شرايط بهينه انتخاب شدند. نتايج نشان دادند اين كاتاليست فعاليت كاتاليزوري خوبي براي الكترواكسيداسيون اتانول دارد.
واژههاي كليدي: نانوكاتاليست، نانو لوله كربني، اورتوفريت لانتانيم، اتانول.
١.مقدمه
فلزات نجيب به ويژه سيستمهاي بر پايه پلاتين ]١[ و نيز سيستم-هاي دوفلزي پلاتين-روتنيم ]٢[ فعايت كاتاليزوري خوبي را براي الكترواكسايش اتانول نشان ميدهند ولي هزينه بالاي آنها احتمالا مانع استفاده گسترده از آنها است. به علاوه فلزات نجيب به آساني با محصولات واسطه بدست آمده از اكسيداسيون اتانول مسموم مي-شوند ]١.[ بنابراين استفاده از عناصر واسطه ارزان قيمتتر جهت استفاده به عنوان آند پيل سوختي الكلي مطلوب ميباشد. اخيرا دشپاند و همكارانش تنوعي از اكسيدهاي پرووسكيت ABO3 وA= Sr, Ce, La - A2BO4 و - B=Co, Fe , Ni , Pt ,Ru را با استفاده از سنتز احتراقي محلول آبي تهيه كردند و سپس عملكرد كاتاليزوري آنها را براي الكترواكسيداسيون اتانول اندازه گيري نمودند ]٣.[ پرووسكيتهاي جامد با فرمول عمومي ABO3 مواد كاتاليزوري ارزندهاي براي كاربرد در فرآيندهاي مهم تكنولوژيكي ]٦-٤[ مانند اكسايش/كاهش الكتروشيميايي اكسيژن، اكسايش الكلها ]٧ و ٨[، اكسايش شيميايي كربن مونوكسيد و هيدروكربنها و كاهش اكسيدهاي نيتروژن ]٩ و ١٠[ دارند.
در اين كار نانوكاتاليست اورتوفريت لانتانيم –نانو لولههاي كربني تهيه شد و فعاليت كاتاليزوري نانوذرات اورتوفريت لانتانيم به همراه نانو لولههاي كربن در سطح الكترود كربن شيشهاي براي الكترواكسايش اتانول مطالعه گرديد. فعاليت كاتاليزوري الكترود كربن شيشهاي-اورتوفريت لانتانيم-نانولوله كربني-نافيون براي اكسايش اتانول با تكنيك ولتامتري چرخهاي و كرونوآمپرومتري مطالعه شد. نتايج نشان دادند كه دانسيته جريان آندي و پتانسيل اكسايش اتانول تحت تاثير غلظت اتانول، سديم هيدروكسيد به عنوان الكتروليت، مقدار نانوذرات اورتوفريت لانتانيم و سرعت روبش است.
٢. مواد و دستگاهها
محلول نافيون از مرك خريداري شد. لانتانيم كلريد، آهن كلريد، اكتانوئيك اسيد، سديم هيدروكسيد و اتانول از مرك خريداري شد و بدون خالصسازي بيشتر استفاده شدند. نانو لولههاي چند لايه با ابعاد ١٠ تا ١٥ نانومتر و طول ١/٠ تا ١ ميكرومتر از مرك خريداري شد. تمامي محلولها با استفاده از آب دوبار تقطير تهيه شدند.
٢-١. مطالعات الكتروشيميايي
اندازهگيريهاي الكتروشيميايي با يك الكتروآناليزر SAMA500 انجام شدند. يك سل سه الكترودي مرسوم با الكترود پلاتين به عنوان الكترود شمارشگر، الكترود كالومل اشباع به عنوان الكترود مرجع و الكترود كربن شيشهاي به عنوان الكترود كار استفاده شد. تمامي آزمايشات در دماي اتاق انجام شدند. تمام پتانسيلها نسبت به الكترود مرجع گزارش شدند. سرعت روبش براي تمام آزمايشات١٠٠ بود.
٢-٢. تهيه الكترود
براي تهيه الكترود كربن شيشهاي-اورتوفريت لانتانيم -نانو لوله كربن-نافيون، ٢ ميلي گرم نانو پودر اورتوفريت لانتانيم، ٥ ميكروليتر نافيون و ١ ميلي گرم نانو لوله كربني چند ديواره در آب دوبار تقطير ديسپرس شدند تا سوسپانسيون يكنواختي بدست آمد. پس از قرار دادن سوسپانسيون در سطح الكترود و تبخير حلال، الكترود مورد نظر بدست آمد.
٣. بحث و نتايج
٣-١. الكترواكسيدسيون اتانول در سطح الكترود كربن شيشهاي اصلاح شده با نانو كامپوزيت اورتوفريت لانتانيم-نانو لوله كربن-نافيونخواص الكتروشيميايي الكترود كربن شيشهاي-اورتوفريت لانتانيم-نانو لوله كربن- نافيون با استفاده از ولتامتري چرخهاي در محلول آبي اتانول ٢٢/ ١ مولار و سديم هيدروكسيد ٥/١ مولار بررسي شد و ولتاموگرامهاي بدست آمده براي الكترود كربن شيشهاي-اورتوفريت لانتانيم- نانولوله كربن-نافيون در حضور و عدم حضور اتانول در شكل ١ نشان داده ميشود. شكل - a - ١ ولتاموگرام اين الكترود در سديم هيدروكسيد ٥/١ مولار را نشان ميدهد. ولتاموگرام چرخهاي الكترود كربن شيشهاي-اورتوفريت لانتانيم-نانولوله كربن-نافيون براي اكسيداسيون اتانول افزايش زيادي را در دانسيته جريان آندي روبش رفت V - ٢٥٧ / ١ - Ep= نشان ميدهد كه بيانگر فعاليت كاتاليزوري بسيار خوب اين الكترود براي اكسيداسيون اتانول مي-باشد - شكل - b - ١ - . پتانسيل آستانه براي اكسيداسيون اتانول در سطح الكترود كربن شيشهاي-اورتوفريت لانتانيم-نانولوله كربن-نافيون ٨٨/٠ ولت ميباشد.
٣-٢. عوامل موثر بر الكترواكسايش اتانول در سطح الكترود كربن شيشهاي-اورتوفريت لانتانيم- نانولوله كربن-نافيون
بررسيها نشان دادند كه عوامل گوناگوني مانند غلظت اتانول، غلظت سديم هيدروكسيد به عنوان الكتروليت، سرعت روبش و مقدار نانوذرات اورتوفريت لانتانيم مهمترين عوامل موثر بر عملكرد الكترود كربن شيشهاي-اورتوفريت لانتانيم-نانولوله كربن-نافيون براي الكترواكسايش اتانول هستند. بنابراين اين عوامل بايد بهينه شوند كه در زير به برخي از آنها اشاره ميشود.
٣-٢-١. اثر غلظت اتانول
اثر غلظت اتانول بر دانسيته جريان آندي و پتانسيل الكترواكسايش اتانول در سطح الكترود كربن شيشهاي-اورتوفريت لانتانيم- نانولوله كربن-نافيون در شكل ٢ نشان داده ميشود. به وضوح مشاهده مي-شود كه دانسيته جريان آندي اكسايش اتانول با افزايش غلظت اتانول افزايش مييابد و در غلظتهاي بالاتر از ٢٢/١ مولار ثابت مي-شود. اين امر احتمالا به دليل اشباع شدن سايتهاي فعال در سطح الكترود است. بر طبق اين نتيجه، غلظت بهينه اتانول براي به دست آوردن بالاترين دانسيته جريان آندي حدود ٢٢/١ مولار در نظرگرفته ميشود. با افزايش غلظت اتانول از ١١/٠ تا ٢٢/١ مولار، دانسيته جريان آندي اكسايش اتانول از ٢٤٩/٧ تا mA/cm2 ٨٦٣/٥٠ افزايش مييابد و Ef به سمت پتانسيلهاي مثبت از ٢٠٩/١ تا V ٢٥٧/١ جا به جا ميشود.
اين امر احتمالاً به دليل افزايش غلظت اتانول و بنابراين افزايش اثر مسموم شوندگي كاتاليست اورتوفريت لانتانيم است.اكسايش اتانول در كاتاليست اورتوفريت لانتانيم- نانولوله كربن-نافيون و در مقادير يكسان نانوذرات اورتوفريت لانتانيم با غلظت ٥/١ مولار سديم هيدروكسيد به دست آمده است. بنابراين غلظت ٥/١ مولار سديم هيدروكسيد به عنوان غلظت بهينه انتخاب شد.در اين كار نانو كاتاليست اورتوفريت لانتانيم-نانو لوله كربن-نافيون تهيه شد و عملكرد الكتروكاتاليزوري آن براي اكسيداسيون اتانولمورد بررسي قرار گرفت. بررسيهاي الكتروشيميايي نشان دادند كه نانو كاتاليست اورتوفريت لانتانيم-نانو لوله كربن-نافيون فعاليت كاتاليزوري بسيار خوبي را براي اكسايش اتانول از خود نشان مي-دهد و ميتواند به عنوان آند پيل سوختي اتانولي مستقيم مورد متفاوت اتانول: - a ١١/٠، - b ١٧/٠، - c ٢٢/٠، - d ٣٤/٠، - e ٣٩/٠، استفاده قرار گيرد.
