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، 2-پروپانول و،2،1- پروپان دی ال)

دانشگاه مازندران

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، 2-پروپانول و،2،1- پروپان دی ال)

استاد راهنما:

دکتر عبدالله عمرانی

استاد مشاور:

دکتر عباسعلی رستمی

فروردین 1393

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(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)

چکيده

در این پروژه ابتدا نانوکاتالیست پلاتین/کربن به وسیله‌ی کاهش شیمیایی نمک پلاتین با کاهنده شیمیایی سدیم بور هیدرید سنتز شد. ویژگی‌های 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، 2- پروپانول و 1و2- پروپان­دی­ال در محیط قلیایی مورد بررسی قرار گرفت. تکنیک‌های ولتامتری چرخه‌ای، کرونوآمپرومتری و اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی برای بررسی واکنش اکسیداسیون استفاده شدند. Pt/C دانسیته جریان بالایی در اکسیداسیون 1و2-‌ پروپان­دی­ال در مقایسه با متانول و 2- پروپانول نشان می‌‌دهد. مقدار پتانسیل آغازی برای Pt/C در اکسیداسیون 1و2- پروپان دی ال مقدار منفی تر نسبت به اکسیداسیون متانول دارد که این امر به دلیل سنتیک سریع واکنش اکسیداسیون 1و2- پروپان دی ال می­باشد. نتایج آزمایشات کرونوآمپرومتری تایید می­‌کند که Pt/C دانسیته جریان پایدارتری در اکسیداسیون 1و2-‌‌‌ پروپان‌دی‌ال نشان می‌­دهد. نتایج حاصل از امپدانس الکتروشیمیایی پس از طی 100 چرخه نشان داد که مقاومت انتقال بار در اکسیداسیون 1و2-‌‌‌ پروپان‌دی‌ال کمترین مقدار و برای 2-پروپانول بیشترین مقدار را دارد. دلیل این امر این است که در اکسیداسیون1و2-‌‌‌ پروپان‌دی‌ال مقاومت کاتالیست در برابر جذب حد واسط بالاست و حد واسط ها به راحتی نمی­‌توانند سایت‌های 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

1-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 2

1-2- پیل سوختی چیست؟……………………………………………………………………………………………………………………………. 2

1-3- تاریخچه………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 4

1-4- کاربرد­های پیل سوختی…………………………………………………………………………………………………………………………. 6

1-5- انواع پیل سوختی………………………………………………………………………………………………………………………………….. 7

1-5-1- پيل سوختي پليمري يا غشاء مبادله کننده پروتون………………………………………………………………………………. 7

1-6- پیل­های سوختی الکلی مستقیم………………………………………………………………………………………………………………. 9

1-7- سوخت­های مورد استفاده در پیل­های سوختی الکلی…………………………………………………………………………………. 10

1-7-1- متانول به­عنوان سوخت……………………………………………………………………………………………………………………… 10

1-7-1-1- پيل سوختي متانول مستقيم………………………………………………………………………………………………………….. 11

1-7-2- 2-پروپانول……………………………………………………………………………………………………………………………………… 15

1-7-2-1- پيل سوختي 2-پروپانولی مستقيم………………………………………………………………………………………………….. 15

1-7-3- پروپیلن­گلیکول………………………………………………………………………………………………………………………………… 16

1-7-3-1- پیل سوختی 1و2-پروپان­دی­ال مستقیم………………………………………………………………………………………….. 16

1-8- کاتالیست مورد استفاده در آند پیل­های سوختی……………………………………………………………………………………….. 17

1-8-1- بهبود کاتالیست پلاتین با بهره گرفتن از بسترهای مختلف………………………………………………………………………….. 18

1-8-1-1- کربن بلک……………………………………………………………………………………………………………………………………. 19

1-9- مطالعه اکسیداسیون الکل­ها روی الکتروکاتالیست­های بر پایه پلاتین………………………………………………………….. 20

1-9-1- سینیتیک واکنش اکسیداسیون متانول در DMFC…………………………………………………………………………………………………………………………. 21

1-9-2- مکانيسم اکسايش متانول…………………………………………………………………………………………………………………… 22

1-9-2- اکسیداسیون 2-پروپانول و پروپیلن­گلیکول روی الکتروکاتالیست­های برپایه پلاتین…………………………………. 23

1-10- اهداف پروژه……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 29

فصل دوم مبانی نظری

2-1- مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 31

2-2- تکنیک­های مورد استفاده……………………………………………………………………………………………………………………….. 31

2-3- ولتامتري………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 32

2-3-1- ولتامتري با روبش خطي پتانسيل……………………………………………………………………………………………………….. 32

2-3-2- ولتامتري چرخه‏اي…………………………………………………………………………………………………………………………….. 32

2-3-3- عوامل موثر در واکنش­های الکترودی در حین ولتامتری چرخه­ای……………………………………………………………. 33

2-3-4- نحوه عمل در ولتامتری چرخه­ای………………………………………………………………………………………………………… 34

2-4- نمودارهاي تافل…………………………………………………………………………………………………………………………………….. 35

2-5- روش طيف­‏نگاري امپدانس الکتروشيميايي……………………………………………………………………………………………….. 36

2-6- مشخصه­یابی سطح الکترود…………………………………………………………………………………………………………………….. 48

2-6-1- SEM…………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 38

2-6-2- EDS……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 39

فصل سوم: بخش تجربی

3-1- مواد شیمیایی……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 41

3-2- دستگاه‌هاي مورد استفاده……………………………………………………………………………………………………………………….. 41

3-3- الکترود­های به­کار گرفته شده در روش­های ولتامتری…………………………………………………………………………………. 44

3-4- تهیه کاتالیست پلاتین/کربن…………………………………………………………………………………………………………………… 44

3-5-تهيه جوهر کاتاليست………………………………………………………………………………………………………………………………. 44

3-6- آماده­سازی الکترود کربن­شیشه……………………………………………………………………………………………………………….. 45

فصل چهارم: بحث و نتیجه­گیری

4-1- کلیات………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 47

4-2- بررسی ریخت­شناسی و تجزیه عنصری…………………………………………………………………………………………………….. 47

4-3- ولتامتری چرخه­ایPt/C  در محلول قلیایی……………………………………………………………………………………………….. 49

4-4- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست  Pt/Cدر محلول بازی متانول………………………………………………………………. 51

4-4-1- بررسی ولتاموگرام چرخه­ای الکترود Pt/C/GC در محلول بازی متانول…………………………………………………… 51

4-4-2- بررسی منحنی­‌های EIS و کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسایش متانول………………………………….. 53

4-5- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست  Pt/Cدر محلول قلیایی 2-پروپانول…………………………………………………….. 56

4-5-1- بررسی ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C در اکسیداسیون 2-پروپانول……………………………………………………. 56

4-5-2- بررسی منحنی­‌های نایکوئیست و کرونوآمپرومتری کاتالیست Pt/C در اکسایش 2-پروپانول……………………… 59

4-6- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست  Pt/Cدر اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال…………………………………………….. 60

4-6-1- ولتامتری چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در محلول قلیایی 1و2-پروپان‌دی‌ال…………………………………………….. 60

4-6-2-بررسی پایداری Pt/C اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال……………………………………………………………………………. 62

4-7- بررسی عملکرد کاتالیست پلاتین/کربن در اکسیداسیون سوخت‌های مختلف………………………………………………… 64

4-7-1- بررسی و مقایسه ولتاموگرام‌های چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال در محیط قلیایی      65

4-7-2- مقايسه و بررسي نمودارهای ولتامتری روبش خطی Pt/C در اکسیداسیون الکل­های مختلف……………………… 67

4-7-3-  مقايسه و بررسي نمودارهای تافل کاتالیست Pt/C  در اکسیداسیون الکل‌ها…………………………………………….. 68

4-7-4- بررسی نمودارهای کرونوآمپرومتری الکترود  Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل‌های مختلف…………………………. 69

4-7-5- مطالعات اسپکتروسکوپي امپدانس الکتروشیمیایی الکترود  Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل‌های مختلف……… 72

4-8-نتیجه گیری………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 75

4-9-پیشنهادات…………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 76

4-10-منابع………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 77

چکیده انگلیسی

فهرست اشکال

عنوان                                                                                                                                                        صفحه

 

شکل1-1- مقايسه تبديلات انرژي در فرايند توليد انرژي از سوخت‌هاي فسيلي با روند توليد انرژي در پيل‌هاي سوختي 3

شکل1-2- پيل سوختي اوليه ساخته شده توسط ويليام گرو………………………………………………………………………………. 5

شکل1-3 منابع تأمين کننده هيدروژن و تقاضاهاي استفاده از هيدروژن……………………………………………………………….. 6

شکل1-4- کاربردهايي از پيل سوختي در سيستم حمل و نقل دريايي، زميني، وسايل پرتابل و مصارف نيروگاهي……. 6

شکل1-5- نحوه‌ي عملکرد پيل سوختي پليمري……………………………………………………………………………………………….. 9

شکل-1-6- نحوه‌ي عملکرد پيل سوختي متانولي مستقيم………………………………………………………………………………….. 12

شکل1-7- مکانيسم اکسايش متانول و انواع حد­واسطهای توليدی……………………………………………………………………….. 21

شکل1-8- مکانیسم اکسیدسیون اتیلن­گلیکول و گلیسرول روی الکتروکاتالیست­های فلزی…………………………………….. 24

شکل1-9- مکانیسم واکنش اکسیداسیون 2-پروپانول………………………………………………………………………………………… 25

شکل1-10- مکانیسم پیشنهادی برای اکسیدسیون 1،2-پروپان­دی­ال…………………………………………………………………. 28

شکل1-11- شکل شماتیک مکانیسم اکسیدسیون 1و2-پروپان­دی­ال در محیط قلیایی…………………………………………. 29

شکل2-1- مسیر کلی واکنش الکترودی……………………………………………………………………………………………………………. 34

شکل2-2- سیگنال تهییجی برای ولتامتری چرخه ای یک موج پتانسیلی با فرم مثلثی…………………………………………. 35

شکل2-3- تصویر شماتیک از نحوه­ی عملکردSEM …………………………………………………………………………………………… 39

شکل3-1- شماي کلي دستگاه اندازه گیری الکتروشیمیایی………………………………………………………………………………… 43

شکل3-2. شماي کلي تهیه جوهر کاتالیست Pt/C……………………………………………………………………………………………… 45

شکل3-3- ولتاموگرام چرخه‌اي الکترود کربن شيشه‌اي در 20 ميلي‌ليتر محلول یک  مولار متانول و  یک  مولار KOH در دماي اتاق با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه…………………………………………………………………………………………………………………………………………… 46

شکل4-1- طیف EDS از پلاتین/کربن. ضمیمه: داده­های تجزیه عنصری حاصل……………………………………………………. 48

شکل4-2- تصاویر SEM از سطح پلاتین/کربن  با بزرگ‌نمایی­های متفاوت…………………………………………………………… 50

شکل4-3- نمودار ولتامتری چرخه­ای الکترود Pt/C در محلولKOH  1 مولار با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه.. 51

شکل4-4- ولتاموگرام چرخه­ای کاتالیست Pt/C در محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی­ولت بر ثانیه           53

شکل4-5- مکانیسم کلي اکسایش متانول توسط کاتاليست Pt/C…………………………………………………………………………….. 54

شکل4-6- نمودار نايکويست الکترود  Pt/C/GCدر محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH در پتانسيل 4/0- ولت قبل و بعد از گرفتن CV بعد از 100 چرخه با دامنه پتانسيل 10 ميلي­ولت………………………………………………………………………………………………………………. 55

شکل4-7- نمودار کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH ………………………….. 56

شکل4-8- ولتاموگرام چرخه‌اي الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 ميلي‌‌ولت بر ثانيه    57

شکل4-9- ولتاموگرام‌های چرخه­ای کاتالیست Pt/C در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه در 100 چرخه…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 59

شکل4-10- منحنی‌های نایکوئیست اکسیداسیون 2-پروپانول روی الکترود  Pt/C/GCقبل و بعد از گرفتن CV بعد از 100 چرخه            60

شکل4-11- نمودار کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH در پتانسيل 0.4- ولت    64

شکل4-12- منحنی ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در الکترواکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال با سرعت روبش 50 میلی‌ولت بر ثانیه در محلول یک مولار 1و2-پروپان‌دی‌ال و یک مولار KOH……………………………………………………………………………………………………….. 62

شکل4-13- ولتاموگرام چرخه­ای الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 1و2-پروپان‌دی‌ال و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی­ولت بر ثانیه در 100 چرخه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 64

شکل4-14 منحنی­های نایکوئیست اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال در پتانسیل 0.4- ولت  قبل و بعد از گرفتن CV 65

شکل4-15- منحنی­های کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون قلیایی 1و2-پروپان‌دی‌ال در پتانسیل 0.4- ولت     65

شکل4-16- ولتاموگرام‌های چرخه‌ای مربوط به اکسیداسیون الکلها روی Pt/C در محلول 1مولار الکل و 1مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 67

شکل4-17- الف. مقایسه بین پتانسیل آغازی و ب. دانسیته جریان اکسیداسیون الکل­های مختلف روی الکترود Pt/C/GC        67

شکل4-18- منحنی‌های ولتامتری روبش خطی کاتالیست Pt/C در محلول یک مولار الکل و 1 مولار KOH در دمای اتاق با سرعت روبش یک میلی ولت بر ثانیه………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 69

شکل4-19- منحني تافل براي محاسبه مقدار ضريب انتقال () مربوط به روبش رفت اکسیداسیون متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال با سرعت روبش 1 میلی ولت بر ثانیه……………………………………………………………………………………………………………………………… 70

شکل4-20- بررسی نمودار کرونوآمپرومتری کاتالیست  Pt/C در اکسیداسیون الکل 1 مولار و KOH 1 مولار در  پتانسیل 0.4- ولت         71

شکل4-21- نمودار جريان بر حسب t-1/2 براي به‌دست آوردن ضريب نفوذ در اکسیداسیون الکل 1 مولار و KOH 1 مولار          73

شکل 4-22- نمودار امپدانس الکتروشیمیایی الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون الکل‌های مختلف قبل و بعد از گرفتن CV در 100 چرخه در پتانسیل 0.4- ولت……………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 75

شکل 4-23- مدار معادل با دياگرام‌هاي نايکوئيست…………………………………………………………………………………………… 76

 

فهرست جداول

عنوان                                                                                                                                   صفحه

جدول1-1- معایب و مزایای سوخت­های مورد استفاده در پیل­های سوختی………………………………………………… 17

جدول3-1- مشخصات مواد شیمیایی………………………………………………………………………………………………………. 41

جدول4-1- مقایسه پارامترهای الکتروشیمیایی در اکسیداسیون بازی الکل 1 مولار + KOH 1 مولار روی کاتالیست Pt/C    68

جدول 4-2- شیب‌های تافل و ضرايب انتقال الکترون به دست آمده از فعالیت الکتروکاتالیست Pt/C در محلول‌های مختلف            70

جدول 4-3- دانسیته جریان نهایی (jf) و اولیه (ji) حاصل از اکسایش الکل‌های متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال 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 سوخت‌­هاي فسيلي که 80 درصد انرژي زمين را تأمين مي­‌کنند دو مشکل اساسي وجود دارد. اول اينکه ذخاير اين سوخت‌­ها محدود است و دير يا زود تمام خواهند شد. دوم اينکه سوخت‌هاي فسيلي از عوامل اساسي ايجاد مشکلات زيست محيطي مثل گرم شدن کره زمين، تغييرات آب و هوايي، ذوب کوه‌هاي يخي، بالا آمدن سطح درياها، باران‌هاي اسيدي، از بين رفتن لايه ازن و … هستند [1].

در اوايل سال 1970 استفاده از انرژي هيدروژن براي حل مشکلات ناشي از مصرف سوخت‌هاي فسيلي پيشنهاد شد. هيدروژن يک منبع انرژي عالي با ويژگي‌هاي فراوان است. هيدروژن سبک‌ترين، تميزترين و پر­بازده‌ترين سوخت به­حساب مي­آيد. يکي از ويژگي‌هاي هيدروژن اين است که طي فرآيندهاي الکتروشيميايي در پيل­هاي سوختي مي­‌تواند به انرژي الکتريکي تبديل شود. قابل ذکر است بازده چنين تبديلي در پيل سوختي بالاتر از راندمان يک موتور احتراق داخلي است که انرژي سوخت فسيلي را به انرژي مکانيکي تبديل مي­کند. علاوه بر اين سوخت، سوخت‌هاي ديگري نيز همچون الکل‌ها به­خصوص متانول و اتانول به­دليل چگالی بالاي انرژي و آساني ذخيره‌سازي و حمل آن­ها نيز مورد توجه قرار گرفته‌اند.

تعداد صفحه : 100

قیمت :14700 تومان

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.

:        ****       serderehi@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

***  *** ***

جستجو در سایت : کلمه کلیدی خود را وارد نمایید :
 

 

برچسب ها :