فهرست:
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- پیل سوختی پلیمری یا 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- پیل سوختی متانول مستقیم.......................................................................................................................... 11
1-7-2- 2-پروپانول.......................................................................................................................................................... 15
1-7-2-1- پیل سوختی 2-پروپانولی مستقیم................................................................................................................. 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 استفاده 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- مکانیسم اکسایش 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- ولتامتری................................................................................................................................................................... 32
2-3-1- ولتامتری با روبش خطی پتانسیل....................................................................................................................... 32
2-3-2- ولتامتری چرخهای............................................................................................................................................... 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- نمودارهای تافل........................................................................................................................................................ 35
2-5- روش طیفنگاری امپدانس الکتروشیمیایی.............................................................................................................. 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- دستگاه‌های مورد استفاده......................................................................................................................................... 41
3-3- الکترودهای بهکار گرفته شده در روشهای ولتامتری.............................................................................................. 44
3-4- تهیه کاتالیست پلاتین/کربن.................................................................................................................................... 44
3-5-تهیه جوهر کاتالیست................................................................................................................................................. 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- مقایسه و بررسی نمودارهای ولتامتری روبش خطی Pt/C در اکسیداسیون الکلهای مختلف........................... 67
4-7-3- مقایسه و بررسی 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 اسپکتروسکوپی 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
منبع:
[2] Wang, C. Y. (2004). Fundamental models for fuel cell engineering. Chemical reviews, 104(10), 4727-4766.
[3] Ren, Z., Ramasamy, R. P., Cloud-Owen, S. R., Yan, H., Mench, M. M., & Regan, J. M. (2011). Time-course correlation of biofilm properties and electrochemical performance in single-chamber microbial fuel cells. Bioresource technology, 102(1), 416-421.
[4] رشیدی رنجبر ن، پیل های سوختی انرژی سبز، انتشارات ارکان دانش، 4834
[5] Nuernberg, G. B., Fajardo, H. V., Mezalira, D. Z., Casarin, T. J., Probst, L. F., & Carreño, N. L. (2008). Preparation and evaluation of Co/Al 2 O 3 catalysts in the production of hydrogen from thermo-catalytic decomposition of methane: Influence of operating conditions on catalyst performance. Fuel, 87(8), 1698-1704.
[6] Tsang, E. M., Zhang, Z., Shi, Z., Soboleva, T., & Holdcroft, S. (2007). Considerations of macromolecular structure in the design of proton conducting polymer membranes: graft versus diblock polyelectrolytes. Journal of the American Chemical Society, 129(49), 15106-15107.
[7] Ma, Y., Wang, R., Wang, H., Liao, S., Key, J., Linkov, V., & Ji, S. (2013). The effect of PtRuIr nanoparticle crystallinity in electrocatalytic methanol oxidation. Materials, 6(5), 1621-1631.
[8] Park, K. W., Han, D. S., & Sung, Y. E. (2006). PtRh alloy nanoparticle electrocatalysts for oxygen reduction for use in direct methanol fuel cells. Journal of power sources, 163(1), 82-86.
[9] Du, H., Li, B., Kang, F., Fu, R., & Zeng, Y. (2007). Carbon aerogel supported Pt–Ru catalysts for using as the anode of direct methanol fuel cells. Carbon, 45(2), 429-435.
[10] Wasmus, S., & Küver, A. (1999). Methanol oxidation and direct methanol fuel cells: a selective review. Journal of Electroanalytical Chemistry, 461(1), 14-31.
[11] Ley, K. L., Liu, R., Pu, C., Fan, Q., Leyarovska, N., Segre, C., & Smotkin, E. S. (1997). Methanol Oxidation on Single‐Phase Pt‐Ru‐Os Ternary Alloys. Journal of the Electrochemical Society, 144(5), 1543-1548.
[12] Gasteiger, H. A., Marković, N., Ross, P. N., & Cairns, E. J. (1994). Electro-oxidation of small organic molecules on well-Electrochimica Acta, 39(11), 1825-1832.
[13] Gasteiger, H. A., Markovic, N. M., & Ross Jr, P. N. (1995). H2 and CO electrooxidation on well-characterized Pt, Ru, and Pt-Ru. 1. Rotating disk electrode studies of the pure gases including temperature effects. The Journal of Physical Chemistry, 99(20), 8290-8301.
[14] Mench, M. M. (2008). Fuel cell engines. John Wiley & Sons.
[15] Liu, Y., Zeng, Y., Liu, R., Wu, H., Wang, G., & Cao, D. (2012). Poisoning of acetone to Pt and Au electrodes for electrooxidation of 2-propanol in alkaline medium. Electrochimica Acta, 76, 174-178.
[16] Mukerjee, S., & Srinivasan, S. (1993). Enhanced electrocatalysis of oxygen reduction on platinum alloys in proton exchange membrane fuel cells. Journal of Electroanalytical Chemistry, 357(1), 201-224.
[17] Shuihua, T. A. N. G., Gongquan, S. U. N., Jing, Q. I., Shiguo, S. U. N., Junsong, G. U. O., Qin, X. I. N., & Haarberg, G. M. (2010). Review of new carbon materials as catalyst supports in direct alcohol fuel cells. Chinese Journal of Catalysis, 31(1), 12-17.
[18] Liu, H., Song, C., Zhang, L., Zhang, J., Wang, H., & Wilkinson, D. P. (2006). A review of anode catalysis in the direct methanol fuel cell. Journal of Power Sources, 155(2), 95-110.
[19] Liang, Y., Zhang, H., Zhong, H., Zhu, X., Tian, Z., Xu, D., & Yi, B. (2006). Preparation and characterization of carbon-supported PtRuIr catalyst with excellent CO-tolerant performance for proton-exchange membrane fuel cells. Journal of catalysis, 238(2), 468-476.
[20] Niu, L., Li, Q., Wei, F., Wu, S., Liu, P., & Cao, X. (2005). Electrocatalytic behavior of Pt-modified polyaniline electrode for methanol oxidation: effect of Pt deposition modes. Journal of Electroanalytical Chemistry, 578(2), 331-337.
[21] Bambagioni, V., Bevilacqua, M., Bianchini, C., Filippi, J., Marchionni, A., Vizza, F., ... & Shen, P. K. (2010). Ethylene glycol electrooxidation on smooth and nanostructured pd electrodes in alkaline media. Fuel Cells, 10(4), 582-590.
[22] Chhetri, A. B., & Islam, M. R. (2008). Problems Associated with Conventional Natural Gas Processing and Some Innovative Solutions. Petroleum Science and Technology, 26(13), 1583-1595.
[23] Schell, M., Xu, Y., & Zdraveski, Z. (1996). Mechanism for the electrocatalyzed oxidation of glycerol deduced from an analysis of chemical instabilities. The Journal of Physical Chemistry, 100(49), 18962-18969.
[24] Biella, S., & Rossi, M. (2003). Gas phase oxidation of alcohols to aldehydes or ketones catalysed by supported gold. Chemical Communications, (3), 378-379.
[25] Tsivintzelis, I., Beier, M. J., Grunwaldt, J. D., Baiker, A., & Kontogeorgis, G. M. (2011). Experimental determination and modeling of the phase behavior for the selective oxidation of benzyl alcohol in supercritical CO 2. Fluid Phase Equilibria, 302(1), 83-92.
[26] Scire, S., Minico, S., Crisafulli, C., Satriano, C., & Pistone, A. (2003). Catalytic combustion of volatile organic compounds on gold/cerium oxide catalysts. Applied Catalysis B: Environmental, 40(1), 43-49.
[27] Baldi, M., Escribano, V. S., Amores, J. M. G., Milella, F., & Busca, G. (1998). Characterization of manganese and iron oxides as combustion catalysts for propane and propene. Applied Catalysis B: Environmental, 17(3), L175-L182.
[28] Scirè, S., Minicò, S., Crisafulli, C., & Galvagno, S. (2001). Catalytic combustion of volatile organic compounds over group IB metal catalysts on Fe 2 O 3. Catalysis Communications, 2(6), 229-232.
[29] Liu, S. Y., & Yang, S. M. (2008). Complete oxidation of 2-propanol over gold-based catalysts supported on metal oxides. Applied Catalysis A: General, 334(1), 92-99.
[30] Qi, Z., & Kaufman, A. (2002). Performance of 2-propanol in direct-oxidation fuel cells. Journal of power sources, 112(1), 121-129.
[31] Markiewicz, M. E., Hebert, D. M., & Bergens, S. H. (2006). Electro-oxidation of 2-propanol on platinum in alkaline electrolytes. Journal of power sources, 161(2), 761-767.
[32] Xu, C., Tian, Z., Chen, Z., & Jiang, S. P. (2008). Pd/C promoted by Au for 2-propanol electrooxidation in alkaline media. Electrochemistry Communications, 10(2), 246-249.
[33] Markiewicz, M. E., & Bergens, S. H. (2008). Electro-oxidation of 2-propanol and acetone over platinum, platinum–ruthenium, and ruthenium nanoparticles in alkaline electrolytes. Journal of Power Sources, 185(1), 222-225.
[34] Liu, J., Ye, J., Xu, C., Jiang, S. P., & Tong, Y. (2008). Electro-oxidation of methanol, 1-propanol and 2-propanol on Pt and Pd in alkaline medium. Journal of Power Sources, 177(1), 67-70.
[35] Dimos, M. M., & Blanchard, G. J. (2011). Electro-catalytic oxidation of 1, 2-propanediol at nanoporous and planar solid Pt electrodes. Journal of Electroanalytical Chemistry, 654(1), 13-19.
[36] Dash, S., & Munichandraiah, N. (2012). Electrocatalytic oxidation of 1, 2-propanediol on electrodeposited Pd–poly (3, 4-ethylenedioxythiophene) nanodendrite films in alkaline medium. Electrochimica Acta, 80, 68-76.
[37] Griffin, M. B., Rodriguez, A. A., Montemore, M. M., Monnier, J. R., Williams, C. T., & Medlin, J. W. (2013). The selective oxidation of ethylene glycol and 1, 2-propanediol on Au, Pd, and Au–Pd bimetallic catalysts. Journal of Catalysis, 307, 111-120.
[38] Ryabenkova, Y., Miedziak, P. J., Dummer, N. F., Taylor, S. H., Dimitratos, N., Willock, D. J., ... & Hutchings, G. J. (2012). The Selective Oxidation of 1, 2-Propanediol by Supported Gold-Based Nanoparticulate Catalysts. Topics in Catalysis, 55(19-20), 1283-1288.
[39] Prati, L., & Rossi, M. (1998). Gold on carbon as a new catalyst for selective liquid phase oxidation of diols. Journal of Catalysis, 176(2), 552-560.
[40] Pinxt, H. H. C. M., Kuster, B. F. M., & Marin, G. B. (2000). Promoter effects in the Pt-catalysed oxidation of propylene glycol. Applied Catalysis A: General, 191(1), 45-54.
[41] Taarning, E., Madsen, A. T., Marchetti, J. M., Egeblad, K., & Christensen, C. H. (2008). Oxidation of glycerol and propanediols in methanol over heterogeneous gold catalysts. Green Chemistry, 10(4), 408-414.
[44] گلابی، م.، مقدمهای بر الکتروشیمی تجزیه، انتشارات ستوده، 4834 .
[43] Peter, T. K., William R. H. (1983) .Cyclic voltammetry. Journal of Chemical Education .60( 9), 702-708.
[44] Gary,A.M. (1983). An introduction to cyclic voltammetry. Journal of Chemical Education,60, 697-705.
[45] Chao, C. H., Li, K. L., Wu, C. S., Lee, C. C., Chiang, H. P., Yang, Y. S., ... & Ko, F. H. (2012). Surface Effect of Assembling Enzyme and Modulation of Surface Enzyme Activity with Electric Potential Stress. International Journal of Electrochemical Science, 7(6), 5100-5114.
[46] احتشام زاده، م.، طیف نگاری امپدانس الکتروشیمیایی در مطالعات خوردگی، انتشارات دانشگاه شهید
باهنر کرمان 4831 .
[47] Chaudhari, S., & Patil, P. P. (2010). Inhibition of steel corrosion by electrosynthesized poly (o-anisidine)-dodecylbenzenesulfonate coatings. Electrochimica Acta, 55(22), 6715-6723.
[48] Ojani, R., Raoof, J. B., & Zamani, S. (2010). A novel sensor for cephalosporins based on electrocatalytic oxidation by poly (o-anisidine)/SDS/Ni modified carbon paste electrode. Talanta, 81(4), 1522-1528.
[49] Liang, Z. X., Zhao, T. S., Xu, J. B., & Zhu, L. D. (2009). Mechanism study of the ethanol oxidation reaction on palladium in alkaline media. Electrochimica Acta, 54(8), 2203-2208.
[50] Brett, G. L., He, Q., Hammond, C., Miedziak, P. J., Dimitratos, N., Sankar, M., ... & Hutchings, G. J. (2011). Selective Oxidation of Glycerol by Highly Active Bimetallic Catalysts at Ambient Temperature under Base‐Free Conditions. Angewandte Chemie, 123(43), 10318-10321.
[51] Velázquez-Palenzuela, A., Centellas, F., Garrido, J. A., Arias, C., Rodríguez, R. M., Brillas, E., & Cabot, P. L. (2011). Kinetic analysis of carbon monoxide and methanol oxidation on high performance carbon-supported Pt–Ru electrocatalyst for direct methanol fuel cells. Journal of Power Sources, 196(7), 3503-3512.
[52] Wang, Z. B., Yin, G. P., Shao, Y. Y., Yang, B. Q., Shi, P. F., & Feng, P. X. (2007). Electrochemical impedance studies on carbon supported PtRuNi and PtRu anode catalysts in acid medium for direct methanol fuel cell. Journal of power sources, 165(1), 9-15.
[53] Hoster, H., Iwasita, T., Baumgärtner, H., & Vielstich, W. (2001). Pt–Ru model catalysts for anodic methanol oxidation: Influence of structure and composition on the reactivity. Physical Chemistry Chemical Physics, 3(3), 337-346.
[54] Selvaraj, V., Vinoba, M., & Alagar, M. (2008). Electrocatalytic oxidation of ethylene glycol on Pt and Pt–Ru nanoparticles modified multi-walled carbon nanotubes. Journal of colloid and interface science, 322(2), 537-544.