پایان نامه : بررسی فعالیت نانوکاتالیست آندی بر پایه پلاتین جهت کاربرد در پیل های سوختی الکلی مستقیم …

دانلود پایان نامه

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته شیمی

گرایش : شیمی فیزیک

عنوان : بررسی فعالیت نانوکاتالیست آندی بر پایه پلاتین جهت کاربرد در پیل های سوختی الکلی مستقیم (متانول، ۲-پروپانول و،۲،۱- پروپان دی ال)

دانشگاه مازندران

  •  سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های مقطع ارشد می باشد برای جستجو در بقیه پایان نامه ها می توانید کلمه کلیدی مورد نظر خود را در سایت جستجو نمایید:

        

دانشکده شیمی

 

پایان نامه دوره کارشناسی ارشد در رشته شیمی گرایش شیمی فیزیک

 

موضوع

بررسی فعالیت نانوکاتالیست آندی بر پایه پلاتین جهت کاربرد در پیل های سوختی الکلی

مستقیم (متانول، ۲-پروپانول و،۲،۱- پروپان دی ال)

استاد راهنما:

دکتر عبدالله عمرانی

استاد مشاور:

دکتر عباسعلی رستمی

فروردین ۱۳۹۳


(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

چکیده

در این پروژه ابتدا نانوکاتالیست پلاتین/کربن به وسیله ی کاهش شیمیایی نمک پلاتین با کاهنده شیمیایی سدیم بور هیدرید سنتز شد. ویژگی های ساختاری و مورفولوژی نانوکاتالیست سنتز شده با بهره گرفتن از طیف­سنجی پراکنش انرژی و میکروسکوپ روبش الکترونی مورد بررسی قرار گرفت. فعالیت و پایداری نانوکاتالیست Pt/C در الکترواکسیداسیون الکلهای مختلفی مانند متانول، ۲- پروپانول و ۱و۲- پروپان­دی­ال در محیط قلیایی مورد بررسی قرار گرفت. تکنیک های ولتامتری چرخه ای، کرونوآمپرومتری و اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی برای بررسی واکنش اکسیداسیون استفاده شدند. Pt/C دانسیته جریان بالایی در اکسیداسیون ۱و۲- پروپان­دی­ال در مقایسه با متانول و ۲- پروپانول نشان می دهد. مقدار پتانسیل آغازی برای Pt/C در اکسیداسیون ۱و۲- پروپان دی ال مقدار منفی تر نسبت به اکسیداسیون متانول دارد که این امر به دلیل سنتیک سریع واکنش اکسیداسیون ۱و۲- پروپان دی ال می­باشد. نتایج آزمایشات کرونوآمپرومتری تایید می­ کند که Pt/C دانسیته جریان پایدارتری در اکسیداسیون ۱و۲- پروپان دی ال نشان می ­دهد. نتایج حاصل از امپدانس الکتروشیمیایی پس از طی ۱۰۰ چرخه نشان داد که مقاومت انتقال بار در اکسیداسیون ۱و۲- پروپان دی ال کمترین مقدار و برای ۲-پروپانول بیشترین مقدار را دارد. دلیل این امر این است که در اکسیداسیون۱و۲- پروپان دی ال مقاومت کاتالیست در برابر جذب حد واسط بالاست و حد واسط ها به راحتی نمی­ توانند سایت های فعال واکنش را مسدود کنند.
 
کلمات کلیدی: اکسیداسیون الکل،پیل سوختی الکلی مستقیم، ، پلاتین/کربن، الکتروکاتالیست
فهرست مطالب
عنوان                                                                                                                                     صفحه
فصل اول:مقدمه­ای بر پیل­های سوختی
۱-۱- مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ۲
۱-۲- پیل سوختی چیست؟……………………………………………………………………………………………………………………………. ۲
۱-۳- تاریخچه………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ۴
۱-۴- کاربرد­های پیل سوختی…………………………………………………………………………………………………………………………. ۶
۱-۵- انواع پیل سوختی………………………………………………………………………………………………………………………………….. ۷
۱-۵-۱- پیل سوختی پلیمری یا غشاء مبادله کننده پروتون………………………………………………………………………………. ۷
۱-۶- پیل­های سوختی الکلی مستقیم………………………………………………………………………………………………………………. ۹
۱-۷- سوخت­های مورد استفاده در پیل­های سوختی الکلی…………………………………………………………………………………. ۱۰
۱-۷-۱- متانول به­عنوان سوخت……………………………………………………………………………………………………………………… ۱۰
۱-۷-۱-۱- پیل سوختی متانول مستقیم………………………………………………………………………………………………………….. ۱۱
۱-۷-۲- ۲-پروپانول……………………………………………………………………………………………………………………………………… ۱۵
۱-۷-۲-۱- پیل سوختی ۲-پروپانولی مستقیم………………………………………………………………………………………………….. ۱۵
۱-۷-۳- پروپیلن­گلیکول………………………………………………………………………………………………………………………………… ۱۶
۱-۷-۳-۱- پیل سوختی ۱و۲-پروپان­دی­ال مستقیم………………………………………………………………………………………….. ۱۶
۱-۸- کاتالیست مورد استفاده در آند پیل­های سوختی……………………………………………………………………………………….. ۱۷
۱-۸-۱- بهبود کاتالیست پلاتین با بهره گرفتن از بسترهای مختلف………………………………………………………………………….. ۱۸
۱-۸-۱-۱- کربن بلک……………………………………………………………………………………………………………………………………. ۱۹
۱-۹- مطالعه اکسیداسیون الکل­ها روی الکتروکاتالیست­های بر پایه پلاتین………………………………………………………….. ۲۰
۱-۹-۱- سینیتیک واکنش اکسیداسیون متانول در DMFC…………………………………………………………………………………………………………………………. 21
۱-۹-۲- مکانیسم اکسایش متانول…………………………………………………………………………………………………………………… ۲۲
۱-۹-۲- اکسیداسیون ۲-پروپانول و پروپیلن­گلیکول روی الکتروکاتالیست­های برپایه پلاتین…………………………………. ۲۳
۱-۱۰- اهداف پروژه……………………………………………………………………………………………………………………………………….. ۲۹
فصل دوم مبانی نظری
۲-۱- مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ۳۱
۲-۲- تکنیک­های مورد استفاده……………………………………………………………………………………………………………………….. ۳۱
۲-۳- ولتامتری………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ۳۲
۲-۳-۱- ولتامتری با روبش خطی پتانسیل……………………………………………………………………………………………………….. ۳۲
۲-۳-۲- ولتامتری چرخه‏ای…………………………………………………………………………………………………………………………….. ۳۲
۲-۳-۳- عوامل موثر در واکنش­های الکترودی در حین ولتامتری چرخه­ای……………………………………………………………. ۳۳
۲-۳-۴- نحوه عمل در ولتامتری چرخه­ای………………………………………………………………………………………………………… ۳۴
۲-۴- نمودارهای تافل…………………………………………………………………………………………………………………………………….. ۳۵
۲-۵- روش طیف­‏نگاری امپدانس الکتروشیمیایی……………………………………………………………………………………………….. ۳۶
۲-۶- مشخصه­یابی سطح الکترود…………………………………………………………………………………………………………………….. ۴۸
۲-۶-۱- SEM…………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 38
۲-۶-۲- EDS……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 39
فصل سوم: بخش تجربی
۳-۱- مواد شیمیایی……………………………………………………………………………………………………………………………………….. ۴۱
۳-۲- دستگاه های مورد استفاده……………………………………………………………………………………………………………………….. ۴۱
۳-۳- الکترود­های به­کار گرفته شده در روش­های ولتامتری…………………………………………………………………………………. ۴۴
۳-۴- تهیه کاتالیست پلاتین/کربن…………………………………………………………………………………………………………………… ۴۴
۳-۵-تهیه جوهر کاتالیست………………………………………………………………………………………………………………………………. ۴۴
۳-۶- آماده­سازی الکترود کربن­شیشه……………………………………………………………………………………………………………….. ۴۵
فصل چهارم: بحث و نتیجه­گیری
۴-۱- کلیات………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ۴۷
۴-۲- بررسی ریخت­شناسی و تجزیه عنصری…………………………………………………………………………………………………….. ۴۷
۴-۳- ولتامتری چرخه­ایPt/C  در محلول قلیایی……………………………………………………………………………………………….. ۴۹
۴-۴- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست  Pt/Cدر محلول بازی متانول………………………………………………………………. ۵۱
۴-۴-۱- بررسی ولتاموگرام چرخه­ای الکترود Pt/C/GC در محلول بازی متانول…………………………………………………… ۵۱
۴-۴-۲- بررسی منحنی­ های EIS و کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسایش متانول………………………………….. ۵۳
۴-۵- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست  Pt/Cدر محلول قلیایی ۲-پروپانول…………………………………………………….. ۵۶
۴-۵-۱- بررسی ولتاموگرام چرخه ای الکترود Pt/C در اکسیداسیون ۲-پروپانول……………………………………………………. ۵۶
۴-۵-۲- بررسی منحنی­ های نایکوئیست و کرونوآمپرومتری کاتالیست Pt/C در اکسایش ۲-پروپانول……………………… ۵۹
۴-۶- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست  Pt/Cدر اکسیداسیون ۱و۲-پروپان دی ال…………………………………………….. ۶۰
۴-۶-۱- ولتامتری چرخه ای الکترود Pt/C/GC در محلول قلیایی ۱و۲-پروپان دی ال…………………………………………….. ۶۰
۴-۶-۲-بررسی پایداری Pt/C اکسیداسیون ۱و۲-پروپان دی ال……………………………………………………………………………. ۶۲
۴-۷- بررسی عملکرد کاتالیست پلاتین/کربن در اکسیداسیون سوخت های مختلف………………………………………………… ۶۴
۴-۷-۱- بررسی و مقایسه ولتاموگرام های چرخه ای الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون متانول، ۲-پروپانول و ۱و۲-پروپان دی ال در محیط قلیایی      ۶۵
۴-۷-۲- مقایسه و بررسی نمودارهای ولتامتری روبش خطی Pt/C در اکسیداسیون الکل­های مختلف……………………… ۶۷
۴-۷-۳-  مقایسه و بررسی نمودارهای تافل کاتالیست Pt/C  در اکسیداسیون الکل ها…………………………………………….. ۶۸
۴-۷-۴- بررسی نمودارهای کرونوآمپرومتری الکترود  Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل های مختلف…………………………. ۶۹
۴-۷-۵- مطالعات اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی الکترود  Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل های مختلف……… ۷۲
۴-۸-نتیجه گیری………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ۷۵
۴-۹-پیشنهادات…………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ۷۶
۴-۱۰-منابع………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ۷۷
چکیده انگلیسی
فهرست اشکال
عنوان                                                                                                                                                        صفحه
 
شکل۱-۱- مقایسه تبدیلات انرژی در فرایند تولید انرژی از سوخت های فسیلی با روند تولید انرژی در پیل های سوختی ۳
شکل۱-۲- پیل سوختی اولیه ساخته شده توسط ویلیام گرو………………………………………………………………………………. ۵
شکل۱-۳ منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای استفاده از هیدروژن……………………………………………………………….. ۶
شکل۱-۴- کاربردهایی از پیل سوختی در سیستم حمل و نقل دریایی، زمینی، وسایل پرتابل و مصارف نیروگاهی……. ۶
شکل۱-۵- نحوه ی عملکرد پیل سوختی پلیمری……………………………………………………………………………………………….. ۹
شکل-۱-۶- نحوه ی عملکرد پیل سوختی متانولی مستقیم………………………………………………………………………………….. ۱۲
شکل۱-۷- مکانیسم اکسایش متانول و انواع حد­واسطهای تولیدی……………………………………………………………………….. ۲۱
شکل۱-۸- مکانیسم اکسیدسیون اتیلن­گلیکول و گلیسرول روی الکتروکاتالیست­های فلزی…………………………………….. ۲۴
شکل۱-۹- مکانیسم واکنش اکسیداسیون ۲-پروپانول………………………………………………………………………………………… ۲۵
شکل۱-۱۰- مکانیسم پیشنهادی برای اکسیدسیون ۱،۲-پروپان­دی­ال…………………………………………………………………. ۲۸
شکل۱-۱۱- شکل شماتیک مکانیسم اکسیدسیون ۱و۲-پروپان­دی­ال در محیط قلیایی…………………………………………. ۲۹
شکل۲-۱- مسیر کلی واکنش الکترودی……………………………………………………………………………………………………………. ۳۴
شکل۲-۲- سیگنال تهییجی برای ولتامتری چرخه ای یک موج پتانسیلی با فرم مثلثی…………………………………………. ۳۵
شکل۲-۳- تصویر شماتیک از نحوه­ی عملکردSEM …………………………………………………………………………………………… 39
شکل۳-۱- شمای کلی دستگاه اندازه گیری الکتروشیمیایی………………………………………………………………………………… ۴۳
شکل۳-۲٫ شمای کلی تهیه جوهر کاتالیست Pt/C……………………………………………………………………………………………… 45
شکل۳-۳- ولتاموگرام چرخه ای الکترود کربن شیشه ای در ۲۰ میلی لیتر محلول یک  مولار متانول و  یک  مولار KOH در دمای اتاق با سرعت روبش ۵۰ میلی ولت بر ثانیه…………………………………………………………………………………………………………………………………………… ۴۶
شکل۴-۱- طیف EDS از پلاتین/کربن. ضمیمه: داده­های تجزیه عنصری حاصل……………………………………………………. ۴۸
شکل۴-۲- تصاویر SEM از سطح پلاتین/کربن  با بزرگ نمایی­های متفاوت…………………………………………………………… ۵۰
شکل۴-۳- نمودار ولتامتری چرخه­ای الکترود Pt/C در محلولKOH  ۱ مولار با سرعت روبش ۵۰ میلی ولت بر ثانیه.. ۵۱
شکل۴-۴- ولتاموگرام چرخه­ای کاتالیست Pt/C در محلول ۱ مولار متانول و ۱ مولار KOH با سرعت روبش ۵۰ میلی­ولت بر ثانیه           ۵۳
شکل۴-۵- مکانیسم کلی اکسایش متانول توسط کاتالیست Pt/C…………………………………………………………………………….. 54
شکل۴-۶- نمودار نایکویست الکترود  Pt/C/GCدر محلول ۱ مولار متانول و ۱ مولار KOH در پتانسیل ۴/۰- ولت قبل و بعد از گرفتن CV بعد از ۱۰۰ چرخه با دامنه پتانسیل ۱۰ میلی­ولت………………………………………………………………………………………………………………. ۵۵
شکل۴-۷- نمودار کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در محلول ۱ مولار متانول و ۱ مولار KOH ………………………….. 56
شکل۴-۸- ولتاموگرام چرخه ای الکترود Pt/C/GC در محلول ۱ مولار ۲-پروپانول و ۱ مولار KOH با سرعت روبش ۵۰ میلی ولت بر ثانیه    ۵۷
شکل۴-۹- ولتاموگرام های چرخه­ای کاتالیست Pt/C در محلول ۱ مولار ۲-پروپانول و ۱ مولار KOH با سرعت روبش ۵۰ میلی ولت بر ثانیه در ۱۰۰ چرخه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ۵۹
شکل۴-۱۰- منحنی های نایکوئیست اکسیداسیون ۲-پروپانول روی الکترود  Pt/C/GCقبل و بعد از گرفتن CV بعد از ۱۰۰ چرخه            ۶۰
شکل۴-۱۱- نمودار کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در محلول ۱ مولار ۲-پروپانول و ۱ مولار KOH در پتانسیل ۰٫۴- ولت    ۶۴
شکل۴-۱۲- منحنی ولتاموگرام چرخه ای الکترود Pt/C/GC در الکترواکسیداسیون ۱و۲-پروپان دی ال با سرعت روبش ۵۰ میلی ولت بر ثانیه در محلول یک مولار ۱و۲-پروپان دی ال و یک مولار KOH……………………………………………………………………………………………………….. 62
شکل۴-۱۳- ولتاموگرام چرخه­ای الکترود Pt/C/GC در محلول ۱ مولار ۱و۲-پروپان دی ال و ۱ مولار KOH با سرعت روبش ۵۰ میلی­ولت بر ثانیه در ۱۰۰ چرخه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. ۶۴
شکل۴-۱۴ منحنی­های نایکوئیست اکسیداسیون ۱و۲-پروپان دی ال در پتانسیل ۰٫۴- ولت  قبل و بعد از گرفتن CV 65
شکل۴-۱۵- منحنی­های کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون قلیایی ۱و۲-پروپان دی ال در پتانسیل ۰٫۴- ولت     ۶۵
شکل۴-۱۶- ولتاموگرام های چرخه ای مربوط به اکسیداسیون الکلها روی Pt/C در محلول ۱مولار الکل و ۱مولار KOH با سرعت روبش ۵۰ میلی ولت بر ثانیه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ۶۷
شکل۴-۱۷- الف. مقایسه بین پتانسیل آغازی و ب. دانسیته جریان اکسیداسیون الکل­های مختلف روی الکترود Pt/C/GC        ۶۷
شکل۴-۱۸- منحنی های ولتامتری روبش خطی کاتالیست Pt/C در محلول یک مولار الکل و ۱ مولار KOH در دمای اتاق با سرعت روبش یک میلی ولت بر ثانیه………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ۶۹
شکل۴-۱۹- منحنی تافل برای محاسبه مقدار ضریب انتقال () مربوط به روبش رفت اکسیداسیون متانول، ۲-پروپانول و ۱و۲-پروپان دی ال با سرعت روبش ۱ میلی ولت بر ثانیه……………………………………………………………………………………………………………………………… ۷۰
شکل۴-۲۰- بررسی نمودار کرونوآمپرومتری کاتالیست  Pt/C در اکسیداسیون الکل ۱ مولار و KOH 1 مولار در  پتانسیل ۰٫۴- ولت         ۷۱
شکل۴-۲۱- نمودار جریان بر حسب t-1/2 برای به دست آوردن ضریب نفوذ در اکسیداسیون الکل ۱ مولار و KOH 1 مولار          ۷۳
شکل ۴-۲۲- نمودار امپدانس الکتروشیمیایی الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون الکل های مختلف قبل و بعد از گرفتن CV در ۱۰۰ چرخه در پتانسیل ۰٫۴- ولت……………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ۷۵
شکل ۴-۲۳- مدار معادل با دیاگرام های نایکوئیست…………………………………………………………………………………………… ۷۶
 
فهرست جداول
عنوان                                                                                                                                   صفحه
جدول۱-۱- معایب و مزایای سوخت­های مورد استفاده در پیل­های سوختی………………………………………………… ۱۷
جدول۳-۱- مشخصات مواد شیمیایی………………………………………………………………………………………………………. ۴۱
جدول۴-۱- مقایسه پارامترهای الکتروشیمیایی در اکسیداسیون بازی الکل ۱ مولار + KOH 1 مولار روی کاتالیست Pt/C    ۶۸
جدول ۴-۲- شیب های تافل و ضرایب انتقال الکترون به دست آمده از فعالیت الکتروکاتالیست Pt/C در محلول های مختلف            ۷۰
جدول ۴-۳- دانسیته جریان نهایی (jf) و اولیه (ji) حاصل از اکسایش الکل های متانول، ۲-پروپانول و ۱و۲-پروپان دی ال توسط Pt/C و نسبت ji/jf……………………………………………………………………………………………………………………. 72
 
 
فهرست علائم و اختصارات
 
معادل فارسی                                          معادل انگلیسی                                   علائم و اختصارت
 
M                                    Molar                                                    مولار
S                                    Second                                                    ثانیه
Pt                                  Platinum                                                پلاتین
µA                             Microamper                                        میکروآمپر
C                              Concentration                                            غلظت
j                             Current density                                   چگالی جریان
mv s-1                      Milivolt per second                            میلی­ولت بر ثانیه
U                        Potential sweep rate                     سرعت روبش پتانسیل
cv                        Cyclic Voltametry                           ولتامتری چرخه­ای
SEM             Scsnning electron microscopy      میکروسکوپی الکترون روبشی
EDS           Energy dispersive spectroscopy         طیف­بینی پراکنش انرژی
n                Number of exchanged electron      تعداد الکنرونهای مبادله شده
c                                   Capacitor                                              خازن
DMFC        Direct Methonol fuel cell          پیل سوختی متانولی مستقیم
DAFCS       Direct Alcohol Fuel cells         پیل سوختی الکلی مستقیم

  • مقدمه

امروزه در استفاده از سوخت ­های فسیلی که ۸۰ درصد انرژی زمین را تأمین می­ کنند دو مشکل اساسی وجود دارد. اول اینکه ذخایر این سوخت ­ها محدود است و دیر یا زود تمام خواهند شد. دوم اینکه سوخت های فسیلی از عوامل اساسی ایجاد مشکلات زیست محیطی مثل گرم شدن کره زمین، تغییرات آب و هوایی، ذوب کوه های یخی، بالا آمدن سطح دریاها، باران های اسیدی، از بین رفتن لایه ازن و … هستند [۱].
در اوایل سال ۱۹۷۰ استفاده از انرژی هیدروژن برای حل مشکلات ناشی از مصرف سوخت های فسیلی پیشنهاد شد. هیدروژن یک منبع انرژی عالی با ویژگی های فراوان است. هیدروژن سبک ترین، تمیزترین و پر­بازده ترین سوخت به­حساب می­آید. یکی از ویژگی های هیدروژن این است که طی فرآیندهای الکتروشیمیایی در پیل­های سوختی می­ تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود. قابل ذکر است بازده چنین تبدیلی در پیل سوختی بالاتر از راندمان یک موتور احتراق داخلی است که انرژی سوخت فسیلی را به انرژی مکانیکی تبدیل می­ کند. علاوه بر این سوخت، سوخت های دیگری نیز همچون الکل ها به­خصوص متانول و اتانول به­دلیل چگالی بالای انرژی و آسانی ذخیره سازی و حمل آن­ها نیز مورد توجه قرار گرفته اند.
تعداد صفحه : ۱۰۰
قیمت : ۱۴۷۰۰تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        ****       [email protected]