بخشی از مقاله
چکیده: سطح الکترود گرافیت توسط روش پلاسمای تخلیه تابان اصلاح گردیده است. تصاویر حاصل از میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - و میکروسکوپ نیروی اتمی - - AFM قبل و بعد از اصلاح توسط پلاسما نشانگر این است که میکرو ساختارهای موجود بر روی سطح الکترود گرافیت بعد از اصلاح به نانو صفحات تبدیل شدهاند. میزان تولید الکتروشیمیایی هیدروژن پراکسید بر روی الکترود گرافیت اصلاح نشده و اصلاح شده مورد مطالعه قرار گرفت. بر اساس نتایج حاصله میزان تولید الکتروشیمیایی هیدروژن پراکسید با استفاده از الکترود گرافیت اصلاح شده در مدت زمان 150 دقیقه در حدود 70 µM میباشد، در حالی که در مدت زمان مشابه میزان در الکترود گرافیت اصلاح نشده 23 µM میباشد.
مقدمه
هیدروژن پراکسید یک ماده شیمیایی به اصطلاح سبز می-باشد که در اثر تجزیه به آب و اکسیژن تبدیل میشود. این ترکیب شیمیایی دارای کاربردهای صنعتی زیادی همچون تصفیه آلایندههای میباشد. هیدروژن پراکسید به صورت الکتروشیمیایی از احیای اکسیژن - واکنش - 1 محلول در آب بر روی سطح الکترود کاتد با اعمال پتانسیل مناسب تولید میگردد تولید هیدروژن پراکسید به روش الکتروشیمیایی دارای مزایای عمدهای مانند تولید پیوسته در محل و تولید در فشار و دمای محیط میباشد.
احیای الکتروشیمیایی اکسیژن از طریق فرآیند دو یا چهار الکترونی به شدت وابسته به جنس کاتد به کار رفته در این فرآیند است .[2] بدین منظور از گرافیت، کربن- پلی تترا فلوئورو اتیلن نفوذ پذیر نسبت به اکسیژن و الکترودهای سه بعدی مانند نمد کربنی - carbon-felt - ، فیبرکربن فعال 1 - ACF - ، کربن شیشه ای مشبک 2 - RVC - ، کربن اسفنجی3 و نانو لوله های کربنی - - CNT به عنوان کاتد و معمولا از پلاتین یا گرافیت به عنوان آند استفاده شده است .[3]
با توجه به اینکه در این فرآیند، عمل تولید H2O2 در سطح کاتد صورت می گیرد، بنابراین هرچه سطح کاتد به ازای واحد جرم و حجم بیشتر باشد، موجب افزایش کارایی الکترود خواهد شد .[4] پلاسمای تخلیه تابان بعنوان یک روش دوستدار محیط زیست، میتواند در مدت زمان کم، بدون واردکردن مواد آلایندهی اضافی و با عملکرد بالا سطح مواد را با کندوکاو فیزیکی افزایش دهد. در این پروژه به منظور اصلاح سطح الکترود گرافیت از پلاسمای تخلیه تابان AC استفاده شده است که نسبت به حالت DC انرژی بسیار کمتری مصرف کرده و بسیار مقرون بصرفهتر میباشد. همچنین گرافیت به دلیل مقاومت بالا، دسترسی آسان و ارزان قیمت بودن به عنوان گزینهای مناسب برای اصلاح و استفاده جهت الکترود کاتد برای تولید الکتروشیمیایی هیدروژن پراکسید میباشد.
بخش تجربی
گرافیت در ابعاد 1 cm × 5 cm بریده میشود. قطعات بریده شده توسط حلال استون شستشو داده شده و به مدت 24 ساعت در دمای 60 تا 70 سانتیگراد خشک میگردد. الکترود-ها بعد از خشک شدن در داخل محفظهی دستگاه پلاسمای تخلیه تابان قرار میگیرند، محفظه تحت خلا قرار گرفته و گاز آرگون به داخل آن تزریق میگردد. به منظور بررسی مورفولوژی سطح گرافیت های اصلاح شده از میکروسکوپ نیروی اتمی - - AFM مدل DualScope DME SPM / Rasterscope - دانمارک - و برای تصاویر SEM از دستگاه SEM مدل VEGA Tescan - چک - استفاده شد. در ادامه تغییرات به وجود آمده در کارایی الکترود اصلاح شده طی فرآیند احیای اکسیژن و تولید هیدروژن پراکسید مورد بررسی قرار گرفته است. اندازهگیری هیدروژن پراکسید تولید شده توسط روش یدومتری انجام میشود که اساس آن تعیین اسپکتروفتومتری I3- تشکیل شده از اضافه کردن هیدروژن پراکسید به محلول غلیظ ید و گرفتن جذب آن در 351 نانومتر است.
نتایج و بحث
ویژگیهای ساختاری گرافیت نانوساختار
برای بررسی خصوصیات الکترود ساخته شده تصاویر SEM از سطح الکترود گرافیت قبل و بعد از اصلاح تهیه گردیده است. شکل - 1 - نمونهای از تصاویر SEM سطح گرافیت طبیعی اصلاح نشده و نانوساختارهای ایجاد شده برروی سطح گرافیت فرآوری شده تحت پلاسمای تخلیه تابان را نشان میدهند. تصاویر حاصله به وضوع ایجاد ساختارهای نانو صفحه را تایید کرده و نیز تایید کننده نتایج حاصله از آنالیز AFM میباشند. جهت توجیح نانوصفحات ایجاد شده میتوان به خاصیت اسپاترینگ - کندوکاو فیزیکی - پلاسمای آرگون اشاره کرد. خاصیت اسپاترینگ به دلیل کندوکاو اتمهای گازی برانگیخته شده بر روی سطح گرافیت باعث ایجاد نانو صفحه میگردد.
همچنین شکل - 2 - تصاویر AFM الکترودهای مذکور را نشان میدهد. در هر دو الکترود، ناحیه معینی از سطح به اندازه 8 µm × 8 µm اسکن شده است. مقایسه تصاویر سطوح قبل و بعد از اصلاح نشانگر تاثیر پلاسما بر روی مورفولوژی سطح گرافیت میباشد که این تاثیر به صورت ایجاد نانوساختارهایی بر روی سطح و افزایش ناهمواری بر روی آن میباشد که به تبع آن سایتهای فعال بیشتری جهت انجام واکنش احیای اکسیژن، بر روی سطح الکترود گرافیت در دسترس میباشد.
شکل -1 تصاویر AFM سه بعدی - a - گرافیت اصلاح نشده و - b - گرافیت اصلاح شده با پلاسمای تخلیه تابان. تولید الکتروشیمیایی هیدروژنپراکسید شکل - 3 - میزان تولید هیدروژن پراکسید در محلولی با pH اولیه 6، شدت جریان ثابت 300 mA و سولفات سدیم به عنوان الکترولیت حامل به غلظت 0/05 M را نشان میدهد. همانطور که نشان داده میشود میزان تولید هیدروژن پراکسید توسط الکترود گرافیت اصلاح شده با پلاسمای گاز آرگون به مراتب بالاتر از الکترود گرافیت طبیعی میباشد به طوری که در 150 دقیقه زمان واکنش میزان تولید هیدروژن پراکسید توسط الکترود گرافیت اصلاح شده در حدود 70 µM میباشد در صورتی که در زمان مشابه این مقدار برای الکترود گرافیت طبیعی برابر 20 µM میباشد.
نتیجه گیری
تصاویر SEM و AFM تهیه شده از سطوح دو الکترود گرافیت طبیعی و اصلاح شده توسط پلاسمای تخلیه تابان گاز آرگون مؤید افزایش مساحت سطح در الکترود اصلاح شده نسبت به حالت طبیعی میباشد که این افزایش مساحت سطح منجر به افزایش تولید هیدروژن پراکسید میگردد. راندمان تولید هیدروژن پراکسید توسط الکترود گرافیت اصلاح شده در 150 دقیقه زمان واکنش در حدود 70 µM میباشد در صورتی که در زمان مشابه این مقدار برای الکترود گرافیت طبیعی برابر 23 µM میباشد. این نتایج بیانگرکارائی بالای روش پلاسمای تخلیه تابان در اصلاح سطح و ایجاد نانو ساختارهای مختلف بر روی سطح اصلاح شده میباشد. همچنین این روش نسبت به سایر روشهای اصلاح سطح آسانتر و مقرون بصرفهتر میباشد.
تقدیر و تشکر
نویسندگان این مقاله مراتب قدردانی خود را از دانشگاه تبریز بخاطر حمایتهای مادی و معنوی این کار پژوهشی اعلام می دارند.
