بخشی از مقاله
چکیده
در این مطالعه پوشش آلیاژی Zn-Co-Fe با استفاده از روش رسوب نشانی الکتروشیمیایی بر روی سطح زیرلایه مس ایجاد شد و از این پوشش به عنوان الکتروکاتالیست احیا هیدروژن استفاده شد. مورفولوژی سطحی و همچنین رفتار الکتروکاتالیستی پوشش ایجاد شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی و روش lsv و همچنین طیف سنجی امپدانس الکتروشیمایی، بررسی شد. نتایج حاصل از این تحقیق نشان داد که رفتار الکتروکاتالیستی پوشش با اضافه کردن عناصر آلیاژی اول و دوم افزایش مییابد و بیشترین خواص الکتروکاتالیستی مربوط به نمونه Zn-Co-Fe می باشد که دلیل این امر افزایش فعالیت ذاتی الکتروکاتالیستی و همچنین افزایش مساخت فعال سطحی در اثر اضافه کردن عناصر آلیاژی اول و دوم بود.
مقدمه
پیش بینیهای اخیر نشان داده است که جمعیت جهان از 7/2 میلیارد نفر در سال 2015 تا مقدار 9/6 و 12/3 میلیارد نفر در سال 2100 افزایش مییابد .[1] بنابراین فراهم کردن انرژی برای این مقدار جمعیت یکی از اصلیترین چالش-های پیش رو میباشد. با مصرف سریع سوختهای فسیلی پیدایش منابع انرژی پایدار و تجدید پذیر از نگرانیهای جهانی میباشد.[3 ,2] از بین سوختهای تجدیدپذیر، هیدروژن به عنوان یک سوخت شیمیایی پاک و پایدار، به عنوان یک جایگزین امید بخش برای سوختهای فسیلی در آینده شناخته شده است.
در مقایسه بار راههای زیاد تولید هیدروژن مانند natural gas reforming وgasification of coal and petroleum coke، روش الکترولیز آب یکی از راههای پایدار برای تولید هیدروژن است که در آن هیدروژ تولید شده خلوص بسیار زیادی داردو همچنین از آب به عنوان یک منبع پایدار برای تولید هیدروژن استفاده میشود و همچنین در این روش کمترین میزان آلودگی به محیط زیست وارد میشود. پیدایش و ایجاد مواد کاتدی با قیمت کم و فعالیت الکتروکاتالیستی زیاد یکی از موضوعات مهم در زمینه تولید هیدروژن توسط الکترولیز آب بوده است.[7-4] به خوبی شناخته شده است که برای افزایش فعالیت الکتروکاتالیستی افزایش مساخت فعال سطحی و همچنین افزایش فعلیت ذاتی الکتروکاتالیستی از اهمیت ویژهای برخوردار میباشد.
در میان فلزت مختلف، هیدروژن با کمترین اورپتانسیل ممکن بر روی سطح پلاتین احیا میشود. اما به دلیل منابع کم پلاتین و همچنین قیمت بالای آن استفاده از پلاتین نمیتواند به صورت تجاری توجیه اقتصادی داشته باشد. بنابرین تلاشهای بسیار زیادی برای جایگزین کردن یک کاتد با فعالیت الکتروکاتالیستی خوب که دارای توجیه اقتصادی باشد انجام شده است . بدین منظور، مطالعات بر روی افزایش فعالیت ذاتی الکتروکاتالیستی با آلیاژی کردن عناصر فلزات انتقالی انجام شده است و به صورت کلی به این نتیجه رسیده شده است که با آلیاژی کردن فلزات گروه انتقالی فعالیت ذاتی الکتروکاتالیتسی بهبود مییابد.[10-8] با توجه به مطالب گفته شده، هدف از انجام این تحقیق رسوب نشانی آلیاژ سه تایی Zn-Co-Fe بر روی زیرلایه مس از جمام پایه کلریدی و سپس بررسی خواص الکتروکاتالیستی پوشش ایجاد شده جهت تولید هیدروژن می باشد.
مواد و روش تحقیق
رسوب نشانی پوشش
دراین مطالعه، پوشش Zn-Co-Fe با استفاده از روش رسوب دهی الکتریکی بر روی زیر لایه مس ایجاد شد. نمونه-های مس ابتدا تا سنباده 3000 سنباده زنی شدند و سپس در اتانول به صورت التراسونیک به مدت 20 دقیقه چربی گیری شدند. پس از چربی گیری نمونهها در دمای محیط و در اسید هیدروکلرید 10 درصد فعال سازی شدند و سپس سریعا در حمام پوشش دهی قرار گرفتند. ترکیب حمام پوششدهی شامل یک مول کلرید روی به عنوان منبع یون روی، 20 گرم بر لیتر کلرید کبالت، و 20 گرم بر لیتر کلرید آهن بود. از مقدار 30 گرم بر لیتر نیز اسید بوریک در حمام پوشش دهی استفاده شد. دمای حمام پوششدهی در 60 درجه سانتیگراد نگه داشته شد و همچنین مقدار pH حمام در 4 نگه داشته شد و با آمونیاک تنظیم شد . در این مطالعه از آندهای نیکل استفاده شد. پس از پوشش دهی سطح نمونهها توسط آب مقطر چندین بار شسته شد و سپس در دمای محیط خشک شدند.
مشخصه یابی ساختاری
جهت بررسی مورفولوژی سطحی و ریزساختار پوششهای مختلف از میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM, - TESCAN VEGA3 استفاده شد.
مشخصه یابی الکتروشیمیایی
تمامی مطالعات الکتروشیمایی در سل سه الکترودی استاندارد و در دمای محیط و در محلول یک مولار KOH انجام شد. در سل مورد نظر از الکترد پلاتین به عنوان الکترود شمارنده، از الکترود کالومل اشباع به عنوان الکترود مرجع و همچنین پوشش مورد نظر به عنوان الکترود کاری به کار رفت. منحنیهای پلاریزاسیون با استفاده از روش LSV و با نرخ روبش 1 میلی ولت بر ثانیه بدست آمد. همچنین منحنیهای امپدانس الکتروشیمایی در فرکانسهای 100 کیلوهرتز تا 100 میلی هرتز بدست آمد. در این مطالعه تمامی پتانسیلها به پتانسیل RHE با استفاده از فرمول E - vs. RHE - = E - vs. SCE - + ESCE - 0.241 V - + 0.0592 pH کالیبره شدند. همچنین خطای iR نیز اعمال شد که در آن مقاومت محلول با استفاده از منحنیهای امپدانس الکتروشیمیایی بدست آمد.
نتایج و بحث
مشخصه یابی ساختاری پوشش
مورفولوژی سطحی پوششهای ایجاد شده توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی بررسی شد و تصاویر آن در شکل 1 نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود، نوع ترکیب پوشش تاثیر به سزایی بر مورفولوژی سطحی پوشش داشته است. به صورت کلی مشاهده میشود که سطح پوششها در حمام پایه کلریدی به صورت مخروطی شکل میباشد و با تغییر ترکیب شیمایی حمام پوششدهی، مورفولوژی سطح پوشش نیز تغییر میکند.
