بخشی از مقاله
چکیده
ذخیرهسازی هیدروژن در نانولولههای کربنی به دو روش جذب مولکولی و جذب اتمی انجام میشود. در این پروژه ذخیره هیدروژن در نانولولههای کربنی به روش جذب اتمی و توسط اندازهگیری پتانسیواستات بررسی شده است. نانولولهها بر روی فوم مس که دارای خلل و فرج نانومتریک بوده به روش الکتروفورز - EPD - رسوب داده میشوند و نشاندن ذرات نیکل بر روی نانولولههای کربنی با روش آبکاری الکتریکی انجام گرفته است. در این مقاله ذخیره سازی هیدروزن در نانولوله های کربنی چنددیواره آلاییده با ذرات نیکل به روش الکتروشیمیایی توسط دستگاه sama 500 اندازه گیری شده است.
مقدمه
هیدروژن از تمیزترین سوختها و نیز ازجمله سوختهای تجدیدپذیر و کارآمد محسوب میشود و زمانی که سوزانده میشود تنها محصول آن آب است، از این رو انتظار میرود جایگزینی مناسب برای سوختهای فسیلی که امروزه موجب ایجاد مشکلات زیست محیطی فراوانی است، باشد. علم و فناوری نانو توانائی بدست گرفتن کنترل ماده در ابعاد نانومتری و بهرهبرداری از خواص و پدیدههای نانومتری در مواد، ابزارها و دستگاههای جدید است.
یکی از مواد جاذب هیدروزن نانولولههای کربنی است که به دلیل خواص ساختاری منحصر به فرد برای این منظور در نظرگرفته شدهاند. شعاع کوچک، سطح وسیع و هیبریداسیون تغییر شکل یافته، نانولولههای کربنی را به ساختارهایی با ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد تبدیل کرده است .[1] در یک نانولوله کربنی، اتمهای کربن در ساختاری استوانهای آرایش یافتهاند. آرایش اتمهای کربن در دیوارهی این ساختار استوانهای، دقیقاً مشابه آرایش کربن در صفحهی گرافن است. در گرافن، شش ضلعیهای منظم کربنی در کنار یکدیگر صفحهی گرافن را میسازند.
هنگامی که صفحههای گرافن در هم پیچیده میشوند، نانولولههای کربنی را تشکیل میدهند. در واقع نانولوله کربنی، صفحهی گرافنی است که به شکل لوله درآمده است. نانولولههای به دو صورت تک دیواره و چنددیواره میباشند که نانولولههای استفاده شده در این آزمایش از نوع نانولولههای چند دیواره میباشد.[2] به منظور دخیرهسازی هیدروژن به روش الکتروشیمیایی از دستگاه sama 500 استفاده کردیم. فوم مس که در آن نانولولهها رسوب داده میشوند به عنوان الکترود کار در یک سلول سه الکترودی با الکترولیت، محلول6 مولار هیدروکسید پتاسیم به کار گرفته میشوند. الکترودهای مرجع و شمارنده به ترتیب Ag/AgCl و پلاتین بودهاند.
روش آزمایش
در ابتدا به منظور خاصسازی و باردار کردن نانولولههای کربنی برای کار با روش EPD ازروش زیر استفاه شد: نانولولههای کربنی را در مخلوط نیتریک اسید×65%×و سولفوریک اسید95×%× یا× 98%× با نسبت 1 به 3 ریخته و سپس در دستگاه آلتراسونیک به مدت 4 ساعت و دمای 50 درجهی سانتی گراد بهم زده میشود. سپس نانولولهها را با آب دوبار تقطیر شستشو داده تا به pH مناسب برسد.
سپس آنها را خشک میکنیم. - در شکل - 1 نمودار XRDمربوط به آن را مشاهده میکنیم بعداز این مرحله نانولولهها را به روش الکتروفوزی روی الکترود مس مینشانیم. برای این منظور در ابتدا باید نانولولهها را در مقداری استون ریخته و به مدت نیم ساعت در دستگاه التراسونیک قرار دهیم. الکترود پلاتین به عنوان کاتد و الکترود مس به عنوان الکترود کار میباشند که به طور موازی تحت ولتاژ 300 ولت و به مدت دو دقیقه در محلول حاوی نانولولهها قرار میدهیم.
اندازهگیری الکتروشیمیایی جذب نانولولههای کربنی:
در ابتدای فرایند جذب، جریان یک میلی آمپر را اعمال میکنیم تا زمانی که فرایند جذب هیدروژن انجام شود ولتاژ رو به افزایش است هنگامی که منحنی مربوط به نمودار جذب ثابت شد نانولولههای کربنی کاملا جذب شدهاند.
اندازهگیری الکتروشیمیایی واجذب نانولولههای کربنی:
با اعمال جریان منفی میتوان هیدروژن ذخیره شده در نانولولهها را آزاد کرد. پتانسیل در این مورد شروع به کم شدن میکند تا زمانی که به صفر میرسد، هیدروژن به طور کامل در نانولولهکربنی واجذب شده است. ظرفیت واجذب به نسبت ظرفیت جذب از اهمیت بیشتری برخوردار است ما به دنبال جریانی هستیم که در آن میزان ظرفیت واجذب بیشینه باشد. جریانهای مختلف را بررسی و چرخههای متعددی را تکرار کردیم تا ظرفیت به حد بیشینه خود برسد. جریانهای 1تا 4 را بررسی کردیم و به این نتیجه رسیدیم که با افزایش جریان میزان ظرفیت ذخیرهسازی هیدروژن افزایش میابد. میتوان گفت در جریان 4 میلی آمپر میزان جذب بهتر از جریانهای پایینتر بوده است .]3[
آلایش نانولولههای کربنی با نیکل و تأثیر آن در ظرفیت ذخیرهسازی هیدروژن:
برای آلاییدن نانولولههای کربنی با نیکل مجددا از روش آبکاری الکتریکی استفاده میکنیم. محلول مورد نظر را بصورت زیر تهیه میکنیم: 10 گرم بر لیتر نیکل سولفات - NiSO4.6H2O - ، 3 گرم بر لیتر نیکل کلرید - NiCl2 - ، 40 گرم بر لیتر بوریک اسید - H3BO3 - و 1 میلیگرم پلی وینیل پیرولیدون - - PVP در محلول آبی با هم مخلوط شدند. فوم مس حاوی نانولولهها به عنوان کاتد و الکترود پلاتین به عنوان آند در مدار قرار میگیرد. با اعمال جریان یک میلیآمپر به مدت 3 دقیقه ذرات نیکل بر روی نانولولهها مینشینند. برای از بین بردن محیط اسیدی، سطح الکترود کار قبل از اندازهگیریهای الکتروشیمیایی، با آب دوبار یونیزه شستشو داده میشود.
اثر تکرار چرخهها در میزان ظرفیت جذب و واجذب نانولولههای کربنی آلاییده شده با نیکل:
عمل جذب و واجذب برای 8 چرخه انجام شده است. از نمودار جذب - نمودار - 2 مشخص است که با افزایش تعداد چرخهها، از چرخه 1 تا 8، ظرفیت جذب کاهش یافته است. میزان ظرفیت جذب در چرخه 8 حدود 100mAh/gr بدست میآید.
نانولولههای کربنی آلاییده شده با نیکل:
این قسمت مربوط به یافتن جریان بهینه برای ظرفیت جذب و واجذب در نانولولههای آلاییده شده با نیکل میباشد. نتایج بدست آمده نشان میدهد که با افزایش جریان از 1 به 3 میلیآمپر ظرفیت جذب تغییر چندانی نکرده در حالیکه با افزایش جریان به 4 میلی آمپر، میزان ظرفیت افزایش مییابد. در جریان بهینه 4 میلیآمپر میزان ظرفیت واجذب به بیشینه مقدار خود برابر با 650 mAh/gr رسیده است - نمودار4و - 5
در شکل 3 نمودار چرخههای واجذب مربوط به نانولولههای کربنی آلاییده شده رسم شده است. با توجه به نتایج بدست آمده مشخص است که با افزایش تعداد چرخهها میزان ظرفیت واجذب از چرخه 1 تا چرخه 6 کاهش یافته و از چرخه 6 تا چرخه 8 میزان ظرفیت افزایش یافته و در چرخهی 8 به بیشینه مقدار خود که
110mAh/gr میباشد، میرسد.
