بخشی از مقاله
مطالعه استفاده از الکترودهاي جديد به منظور افزايش توليد هيدروژن در فرايند الکتروليز قليايي آب
چکيده
هيدروژن بعنوان مهمترين حامل انرژي براي آينده در نظر گرفته مي شود. يکي از روش هاي مورد استفاده براي توليد هيدروژن الکتروليز قليايي آب است . الکتروليز تکنولوژي ساده اي است که گازهاي بسيار تميزي توليد مي کند، اما اين فرايند از لحاظ اقتصادي بصرفه نيست ، کند است و انرژي زيادي مصرف مي کند. يکي از راههاي افزايش بازده انرژي الکترولايزرها، استفاده از مواد جديد الکتروکاتاليستي است که با استفاده از اين مواد ولتاژ اضافي الکترود کاهش مي يابد. در الکتروليز تجاري آب ، کاتد معمولا از فولاد ضد زنگ و يا نيکل ساخته شده است . بازده ي انرژي کلي فرايند الکتروليز مربوط به واکنش توليد هيدروژن است . نيکل و آلياژهاي آن فعاليت الکتروکاتاليستي زيادي در توليد هيدروژن دارند و هزينه کمي نيز دارند. ترکيب کردن نيکل با ساير فلزات واسطه و توليد آلياژهاي دوتايي و سه تايي که در مقايسه با فلز خالص ، فعاليت کاتاليستي بيشتري دارند يکي از مهمترين روش ها براي توليد الکترودهاي جديد است . الکترودهاي متشکل از آلياژهاي نيکل و فلزات واسطه با استفاده از روش رسوب الکتروشيميايي تهيه شده اند. براي بررسي مورفولوژي سطح الکترودهاي سنتزي از تکنيک پراش اشعه x و ميکروسکوپ الکتروني روبشي استفاده شده است . واکنش توليد هيدروژن روي الکترودهاي سنتزي توسط منحني هاي پلاريزاسيون ، ولتامتري چرخه اي، اسپکتروسکوپي امپدانس الکتروشيميايي و منحني هاي تخليه هيدروژن ارزيابي مي شود.
الکترودهاي سنتز شده در واکنش توليد هيدروژن فعاليت کاتاليستي بيشتري نسبت به الکترود نيکل دارند و نتايج نشان مي دهد که افزايش فعاليت کاتاليستي الکترودهاي تهيه شده اساسا بدليل افزايش سطح فعال الکتروشيميايي است .
واژه هاي کليدي: هيدروژن ، الکتروليز قليايي آب ، الکترود، آلياژ نيکل ، فعاليت الکتروکاتاليستي، واکنش توليد هيدروژن
١-مقدمه
هيدروژن بعنوان يک حامل انرژي ايده ال مي تواند جايگزين مناسبي براي سوخت هاي فسيلي باشد، چون هيدروژن پاک است و تجديدپذير است و همچنين منابع تامين هيدروژن نامحدود هستند (کانزرو ٥٥٣ :٨٠٠٢). توليد الکتروشيميايي هيدروژن توسط الکتروليز قليايي آب يکي از روش هاي محتمل است که پتانسيل زيادي در استفاده از منابع انرژي تجديدپذير دارد (ميلتنرو همکاران ٥٥٠ :٨٨٠٢). اين تکنولوژي کاملا سازگار با محيط زيست است و هيدروژني با خلوص بالا توليد مي کند. با اين وجود بدليل مصرف انرژي زياد الکترولايزرهاي قليايي آب و کم بودن بازده الکترودها در توليد هيدروژن ، استفاده از آنها در کاربردهاي مقياس وسيع در حال حاضر محدود است .
پلاتين بيشترين فعاليت را در واکنش توليد هيدروژن دارد اما بدليل هزينه بالاي آن ، مواد جديدي براي استفاده بعنوان الکترود بررسي شده اند. در ميان اين مواد، نيکل و آلياژهاي آن فعاليت الکتروکاتاليستي زيادي در توليد هيدروژن دارند و هزينه کمي نيز دارند.
ترکيب کردن نيکل با ساير فلزات واسطه و توليد آلي اژهاي دوتايي و سه تايي که در مقايسه با فلز خالص ، فعاليت کاتاليستي بيشتري دارند يکي از مهمترين روش ها براي توليد الکترودهاي جديد است .
فعاليت الکترود مي تواند توسط افزايش سطح ويژه واقعي آن يا بواسطه افزايش فعاليت ذاتي ماده الکترود از طريق سينرژي حاصل از ترکيب اجزاي مختلف افزايش يابد(لازيا و همکارن ٥٥٨ :٣٠٠٢). ثابت شده است که آلياژهاي فلزي داراي الکترونهاي تراز d جفت نشده مي توانند دهنده الکترون باشند و بطور موثري اتم هاي هيدروژن را جذب کنند که اين نيز به نفع توليد الکتروکاتاليستي هي دروژن است (هارينيپريا ٥٥٧٢:٢٠٠٢).
افزايش سطح ويژه واقعي از طريق روش هاي زير انجام مي شود:
٠) لايه نشاني الکتريکي نيکل بهمراه فلزات فعالي مانند آلومينيوم و يا روي که متعاقب آن جزء دومي حل مي شود،
:) لايه نشاني الکتريکي نيکل در دانسيته هاي جرياني بزرگ ، ٨) لايه نشاني الکتريکي نيکل روي فلزاتي مانند
سيليکا يا پلي استيرن که تخلخل خوبي دارند و متعاقبا پايه فلزي جدا مي شود.
براي الکتروليز آب ، الکترودهاي کامپوزيتي بر مبناي نيکل با استفاده از لايه نشاني الکتريکي بر روي زير لايه هاي مس يا فولاد ضد زنگ قرار داده مي شوند و سپس بعنوان کاتد در فرايندهاي الکتروشيميايي توليد هيدروژن استفاده مي شود.
پوشش هاي کامپوزيتي دوتايي بر مبناي نيکل مانند نيکل -موليبدن ، نيکل -روي، نيکل -کبالت ، نيکل -آهن و نيکل - کروم بعنوان کاتد در واکنش توليد هيدروژن مطالعه شده اند.
لوپي و همکارانش عملکرد الکتروکاتاليستي آلياژ نيکل -کبالت را در واکنش توليد هيدروژن بررسي کردند و مشاهده کردند که بعلت اثر سينرژي بين خصوصيات کاتاليستي نيکل (بعلت دارا بودن پتانسيل اضافي هيدروژن کمتر) و کبالت (توانايي جذب هيدروژن بيشتر) توليد هيدروژن افزايش مي يابد (لوپي و همکاران ٢١٠١:٢٠٠٩).
هان و همکارانش گزارش کردند که آلياژ دوتايي نيکل -موليبدن عملکرد کاتاليستي فوق العاده اي در واکنش توليد هيدروژن نشان مي دهند و افزايش فعاليت بعلت اثر سينرژي بدليل انتقال الکترون بين نيکل غني از الکترون و موليبدن داراي کمبود الکترون است (هان و همکاران ٥١٩٤:٢٠١٠).
سولماز و همکارانش الکترود آلياژ نيکل -مس را در واکنش توليد هيدروژن بررسي کردند و دريافتند که نيکل و مس اثرات سينرژي براي توليد هيدروژن نشان مي دهند و اصلاح نيکل با مس باعث افزايش فعاليت الکتروکاتاليستي نيکل در توليد هيدروژن خواهد شد. (سولماز و همکاران ١٩٠٩:٢٠٠٨).
جعفريان و همکارانش نتايج مشابهي را گزارش کرده اند، آنها آلياژهاي دوتايي نيکل -آهن را بررسي کرده اند و گزارش کردند که اين آلياژ در محيط قليايي در مقايسه با نيکل يا آهن به تنهايي، فعاليت الکتروکاتاليستي بهتري در توليد هيدروژن نشان مي دهد. (جعفريان و همکاران ٥٥١ :٠٠٣٠٢).
دسته وسيعي از کامپوزيت هايي سه تايي بر مبناي نيکل مانند نيکل -موليبدن -آهن ، نيکل -موليبدن -مس ، نيکل - موليبدن روي، نيکل -موليبدن -کبالت ، نيکل -موليبدن -واناديم و نيکل -موليبدن -کروم نيز براي توليد هيدروژن استفاده شده اند.
نتايج مطالعات نشان مي دهد که آلياژ نيکل با فلزات واسطه سمت چپ ( مانند آهن ، موليبدن و واناديم ) فعاليت الکتروکاتاليستي ذاتي را در واکنش توليد هيدروژن در مقايسه با نيکل خالص افزايش مي دهد. افزايش توليد هيدروژن روي اين فلزات بواسطه اثر سينرژي ايجاد شده ناشي از جذب هيدروژن روي فلزات و نيز رفتار الکتروکاتاليستي تاييد شده آنها مي باشد (جايالاکشمي و همکاران ٥٥٣ :١٣١٢). در اين مطالعه نتايج حاصل از بررسي الکترودهاي سنتز شده بر مبناي نيکل در واکنش توليد هيدروژن ارائه شده است .
٢-بررسي خصوصيات الکترودهاي سنتز شده بر ميناي نيکل
٢-١-ميکروسکوپ الکتروني روبشي
مورفولوژي سطح الکترودهاي ساخته شده با استفاده از تصاوير ميکروسکوپ الکتروني روبشي مطالعه مي شود. براي مثال تصوير آلياژ پوششيCu-Mo- Ni در شکل (١) آمده است ، سطح الکترود متراکم و سخت است و ظاهري شبيه گل کلم دارد که شکاف هايي نيز بين بافت هاي مختلف آن مشاهده مي شود. بديهي است که ظاهر بافتي شبيه گل کلم و شکاف ها بطور قابل ملاحظه اي سطح ويژه آلياژ پوششي Cu-Mo-Ni را افزايش مي دهند.
٢-٢-الگوي پراش اشعه X
براي بررسي ساختار الکترودهاي ساخته شده از تکنيک پراش اشعه استفاده شده است . بعنوان نمونه ، الگوي پراش اشعه Xمربوطه به آلياژ پوششي Cu-Mo-Ni در شکل ٢ نشان داده شده است . همانطور که در شکل (٢) مي توان ديد، در الگوي پراش اشعه X ، پيک هاي تفرق مربوط به نيکل و موليبدن ديده نمي شوند و به اين معني است که نمونه هاي Mo-Ni- Cu و Mo-Ni ساختاري آمورف دارند.
٣-بررسي الکتروشيميايي توليد هيدروژن توسط الکترودهاي ساخته شده
فعاليت کاتاليستي لايه تهيه شده با استفاده از اندازه گيري پلاريزاسيون خطي تافل ٣ ارزيابي مي شود. شکل (٣) منحني هاي تافل ثبت شده در °C٥٠ در محلول ٣٠% ازKOH را نشان مي دهد.
اطلاعات بدست آمده از داده هاي پلاريزاسيون تافل نشان مي دهد که همه کاتاليست هاي مطالعه شده در فرايند توليد هيدروژن HER بسيار فعال هستند و فعاليت کاتاليستي بيشتري نسبت به الکترود صاف نيکل دارند.
