بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله جذب الکتروشیمیایی هیدروزن با استفاده از تکنیک رسوب الکتروفورتیک - EPD - در کامپوزیتهاي نانولوله - CNT - و نانو ذرات دي اکسی تیتانیوم - TiO2 - که برروي سطح الکترود نقره رسوب کرده، مورد مطالعه قرار گرفته است. ابتدا الکترود نقره را به روش آبکاري نقره - فرایند الکترپلیت - آماده می کنیم و با بکار بردن تکنیک الکتروفورتیک - EPD - رسوب نانو کامپوزیت - CNT/TiO2 - روي سطح نقره تشکیل گردید که تصویرSEM گواه این امر می باشد. براي مطالعه ذخیره سازي هیدروژن با استفاده از سازوکار باتري ها جریان هایی در محدوده 1-50 میلی آمپر اعمال گردید و میزان بازگشت پذیري باتري - چرخه هاي شارژ و دشارژ - را نیز بررسی نموده ایم.
کلمات کليدی : نانولوله کربنی، نانو کامپوزيت، رسوب الکتروفورتيک، ذخيره سازی ھيدروزن
مقدمه
از کاربردهاي مهم CNTs، استفاده از آنها در پیل هاي سوختی،در نانولوله هاي کربنی خالصقبلاً مطالعه [شدهعلتاست.2]باتري هاي هیدروژنی و ذخیره سازي هیدروژن است.مزیت استفاده از TiO2 اثر آن در بهبود میزان ذخیره سازي هیدروژن می اساسی آنها در باتري ها، سرعت انتقال الکترون در الکترودهاي باشد. در پدیده ذخیره هیدروژن، اتم هاي هیدروژن با اتم هاي کربنی است که تعیین کننده راندمان پیل هاي سوختی است. یکی کربن و TiO2 پیوند می خورند که در یک فرآیند الکتروشیمیایی از مواردي که در سیستم هاي ذخیره هیدروژن باید در نظر گرفت، این واکنش رخ می دهد. و اثر TiO2 کاهش ضخامت لایه واسط بین سطح الکنرود و الکترولیت - SEI - می باشد که در اثر واکنش هاي بازگشت پذیري هیدروژن در آنهاست [1] ذخیره سازي هیدروژن سطح ی بوجود می آید، چون هر چه این لایه نازکتر باشد سرعت انتقال هیدروژن در ساختارکامپوزیت - CNT/T iO2 - بیشتر می شود.
از مزایاي بسیار مهم TiO2 می توان به خاصیت فوق آبدوستی و ف وق کاتالیزوري آنها اشاره کرد. که خاصیت فوق کا الیزوري این ماده با آلا یش نانولوله ک ربنی به آن بط ور موثري افز یش پیدا می ک ند.[3]فاصله بین دو الکترود را 2 سانتی متر، ولتاژ ا عمالی 60 ولت وزمان EPD را 3-5 دقیقه در نظر گرفتیم. مزایاي قابل توجه EP Dدر مقایسه با دیگر روش ها عبارتند از، زمان کوت ه نشست، استفاده از ت جهیزات ساده، عدم نیاز به چسب و تنظیم ض خامت رسوب ازطری ق تنظیم پتانسیل اعمالی و زما ن نشست می باشد.
شر ح آزمایش
در ابتدا براي حذ ف کاتالیست ها و بقیه ترکیبات کربنی اضافی C NTs، آنها را به روش شیمیایی خالص سازي نموده که در طی دو مرحله یعنی خالص سازي ا سیدي و خالص سازي حرارتی انجام گرفت4]و. [5 سپس طی س ه مرحله بستر الکترود نقره را آماده کرده ایم. در مرحله اول با قرار دادن یونولیت به عنوان یک زیر لایه مناسب ط ی فرآیند coa ting نقره تبخی شده و روي آن قرار می گیرد. در مرحله بعد براي افزایش ضخامت لایه نقره طی فرآیند الکترولیز - آبکاري نقره - لایه دیگري از نقره روي لایه قبلی می نشیند. در مرحله سوم براي جدا سازي زیر لا یه فوم از نقره آن را در حلال مناس ب مانند T HF می اندازیم]۶.[ بعد از تهیه الکتر ود نقره، به روش EPD رسوبی از CNTS وTiO2ر وي الکتر ود نقره تشکیل می دهیم.
براي تهیه سوسپانسیون EPDباتکرار آزمایشات و بررسی مقالات توانستیم ترکیب بهینه اي براي این کامپوزیت تهیه کنیم که در زمان کوتاهتر و استحکام بیشتري این رسوب تشکیل شود و از لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه می باشد . سوسپانسیون شامل نسبت برابر از استون و اتانول خال ص - مثلا 25 سی سی - و مقدار دو ببرابر آنها استین استون 50 - سیسی - و 0/3گرم Ti O2و 0/0075گرم CNTS خالص شده و 0/ 04گرم ید و 0/0037 گرم نیترات منیزیوم - Mg - N O3 - 2 - به عن وان ماده بار دار کننده می باشد. این س وسپانسیون را به جهت یکنواخت شدن به مدت 45 دقیقه در حمام ااولتراسونیک قر ار داده ایم. سپس براي تشکیل مدار EPD از الکترود پلاتین بعنو ان آند و الکتر ود آماد ه شده نقره بعنو ان کاتد استفاده می شود. در روند فرآیند EP Dفاکت ورهاي مهمی از جمله ولتاژ و زمان و فاصله بین دو الکتر ود می باشد. در این مقاله بعد از بررسی و انجام همه روشها
بح ث و نتیجه گیري
براي پی بردن به اینکه آیا در نشست الکتروفورتیک TiO2و CNT روي الکترود نشسته ت صویرSEM و XRD از س طحالکترود پس از EP D گرفته شد، که در شکل زیر 1 - و - 2 قابل مشا هده است.بعد از نشست EPD ، هنگامی که سطح الکترود کاملا خشک شد،یک لایه محکم و چسبنده اي از نانوکامپوزیت CNT/TiO2 - با - استحکام قابل قبول روي سطح تشکیل شده است. براي مطالعهجذب هیدروژن در نانولوله هااز دستگاهالکتروشیمیایی POTENTOSAT AUTOLABGALVANOSTAT استفاده شده است که این دستگاه به یکسل الکتروشیمیایی سه الکترودي متصل است. که به این منظور ازالکترود پلاتین نقطه اي بعنوان الکترود کمکی - آند - و الکترود Ag/Agcl بعنوان الکترود مرجع و الکترود نقره تهیه شده بعنوانالکترود کار - کاتد - و از محلول الکترولیت هیدروکسید پتاسیم 6 مولار - - KOH استفاده شده است.
در ابتدا و براي رسیدن به جریانبهینه از تکنیک کرنوپتانسومتري به این صورت که یک جریان ثابت و مثبت 1میلی آمپربین الکترود کار و کمکی اعمال می کنیم و تغییرات اختلاف پتانسیل بین الکترود کار و مرجع بر حسب تابعی از زمان اندازه گیري می شود. در طی فرآیند شارژ هیدروژن هايموجود در الکترولیت در نزدیکی الکترود کار ممکن است جذب CNTs شوند و یا در سطح الکترود بازترکیب شده و هیدروژن بصورت حباب هاي گازي در سطح آن بوجود آیند. بعد از گذشت زمان کافی، یعنی تا جایی که منحنی شارژ - منحنی ولتاژ برحسب ظرفیت شارژ - صاف شود نانوکامپوزیتکاملاً شارژ شده و تا حدامکان هیدروژن درون آنها ذخیره شده است.براي استفاده ازهیدروژن ذخیره شده در نانوکامپوزیت با اعمال جریان منفی در مدار، آنها بصورت یون H+ از نانوکامپوزیت ها جدا می شوندودر الکترولیت با یون هاي OH- ترکیب شده و آب تولید می شود.
وقتی پتانسیل به صفر رسید نانولوله ها دشارژ شده اند. در این مقاله ملاحظه شد که به ازاي هر جریان، با تکرار کردن چرخه هاي شارژ و دشارژ 20 - چرخه - ظرفیت دشارژ افزایش می یابد. این روند افزایش تا زمانی که ظرفیت به حد بیشینه خوادامهبرسد دارد. بنابراین می توان به این نتیجه رسید که ظرفیت دشارژ براي هر جریان به میزان ثابت و پایدار خود رسیدهشکلاستنمودار. روند افزایشی ظرفیت دشارژ را با ازاي جریان یک میلی آمپر، رابا تکرار کردن چرخه هاي شارژ و دشارژ را می توان مشاهده نمود.
اثر جریان بر ظرفیت دشارژ CNTS
هدف اصلی، رسیدن به بیشترین زمان دشارژ است، چون این امر،معیاري براي توانایی ذخیره سازي هیدروژن به حساب می آید.براي این منظور، با جریان هاي 1 تا 50 میلی آمپر ظرفیت شارژ ودشارژ را اندازه گیري می کنیم. ملاحظه شد که ظرفیت دشارژ بهازاي جریان 15 میلی آمپر به مقدار بیشینه خود که mAh/gr 1139است می رسد. در شکل5 روند تغییرات ظرفیت دشارژ برايجریان هاي مختلف را مشاهده می کنیم. به منظور بررسی میزان جذب هیدروژن ظرفیت دشارژ را براي یک الکترود نقره بدون نانوکامپوزیت اندازه گیري می کنیم. بیشینه این ظرفیت فقط 2/3 mAh/gr است که این مقدار در مقایسه با ظرفیت دشارژنانوکامپوزیت قابل چشم پوشی است. بنابراین می توان ظرفیت جذب بدست آمده را به نانوکامپوزیتداد نسبت .استفاده از الکترود نقره براي بستر - - CNT/TiO2 باعث افزایش رسانش الکتریکی وهمچنین افزایش فعالیت شیمیایی این نانوکامپوزیت شده است.ازسوي دیگر، همانطور که در شکل 3 و 4 قابل ملاحظه است،الکترود توانایی به دفعات شارژ و دشارژباررا داشته و هر زمان شارژ کوتاهتر و زمان دشارژ طولانی تر می باشد.
