بررسی تاثیر استفاده از گرافن اکسید کاهش‎یافته در بهبود عملکرد چارچوب فلزی آلی مس به‎عنوان الکتروکاتالیست برای واکنش کاهش اکسیژن در پیل‌های سوختی

پژوهش های کاربردی در شیمی

مقاله 9، دوره 15، شماره 1، خرداد 1400، صفحه 83-99   

نوع مقاله: پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/jacr.2021.682551

نویسندگان

مهدی مهرپویا^{* 1}؛ سید علی موسوی²

¹دانشیار، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، ایران

²دانشجوی دکتری مهندسی سیستم‌های انرژی، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

       هدف اصلی این پژوهش، ساخت و ارایه الکتروکاتالیست‌هایی غیرفلزی با عملکردی مطلوب برای به‎کارگیری در کاتد پیل‌های سوختی است. به همین منظور، 5 الکتروکاتالیست شامل، گرافن اکسید (GO)، گرافن اکسید عامل‌دارشده با نیتروژن و گوگرد (NS –RGO) ، چارچوب فلزی آلی مس (Cu –MOF)، MOF  GO-Cu-6 %  و MOF  NS-RGO-Cu-8 % با روش‌های آب گرمایی تهیه شدند. در ادامه، عملکرد، فعالیت و ساختار الکتروکاتالیست‌های تهیه‎شده با آزمایش‌های الکتروشیمیایی و فیزیکی موردبررسی قرارگرفت و با الکتروکاتالیست تجاری Pt/C 20 % مقایسه شد. برپایه نتیجه‎های به‎دست آمده، ساختار الکتروکاتالیست‌ها یکنواخت است و لایه نشانی‌های موردنظر به‎درستی انجام شده است. همچنین، برپایه تحلیل ریخت‎شناسی الکتروکاتالیست‌ها، اندازه ذرات در گستره نانومتر است. الکتروکاتالیست
 MOF  NS-RGO-Cu-8 % بهترین فعالیت الکتروشیمیایی را داشت، که پتانسبل آغاز آن در مقابل Ag/AgCl، V 06_/0- محاسبه شد. پیک مربوط به واکنش کاهش اکسیژن در ولتاژ V 08_/0- نمایان شد که چگالی جریان در این ولتاژ، mA/cm² 8_/4- بود. مقدار الکترون منتقل‎شده با این الکتروکاتالیست 53_/3 محاسبه شد که نشان می‌دهد به مسیر چهار الکترونی برای واکنش کاهش اکسیژن بسیار نزدیک است. همچنین، پتانسیل آغاز الکتروکاتالیست MOF   GO- Cu-6 %،  V  11_/0- به‎دست آمد.

کلیدواژه‌ها

پیل سوختی؛ واکنش احیای اکسیژن؛ الکتروکاتالیست؛ چارچوب فلزی آلی؛ پایه غیرفلزی

مراجع

[1] Hemmatabady, H.; Mehrpooya, M.; Mousavi, S.A.; Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 142, 1-19, 2020.

[2] Mehrpooya, M.; Valizadeh, F.; Askarimoghadam, R.; Sadeghi, S.; Pourfayaz, F.; Mousavi, S.A. The European Physical Journal Plus 135 (7), 1-17, 2020.

[3] Mousavi, S.A.; Mehrpooya, M.; Energy 2021, 214, 119053

[4] Ghorbani, B.; Mehrpooya, M.; Mousavi, S.A., Journal of Cleaner Production 220, 1039-1051, 2019.

[5] Fakhari, I.;  Behzadi, A.;  Gholamian, E.;  Ahmadi, P.; Arabkoohsar, A., Journal of Cleaner Production  290, 125205, 2020.

[6] Wang, H.G.;  Wu, Z.;  Meng, F.L.;  Ma, D.L.;  Huang, X.L.;  Wang, L.M.; Zhang, X.B.; Chemistry Europe  6(1), 56-60, 2013.

[7] Sun, H.; Su, H.; Ma, X.; Zhang, P.; Zhang, X.; Dai, X.; Gao, J.; Chen, C.; Sun, S.G.; Electrochimica Acta. 205, 53-61, 2016.

[8] Furukawa, H.; Cordova, K.E.; O’Keeffe, M.; Yaghi, O.M.; Science 341(6149), 1230444, 2013.

[9] Ma, S.;  Goenaga, G.A.; Call, A.V.; Liu, D. J.; Chemistry–A European Journal 17(7), 2063-2067, 2011.

[10] Proietti, E.;  Jaouen, F.;  Lefèvre, M.;  Larouche, N.;  Tian, J.;  Herranz, J.; Dodelet, J.P. J. N. C., Nature Communications 2, 416-426, 2011.

[11] Song, G.; Wang, Z.; Wang, L.; Li, G.; Huang, M.; Yin, F; Chinese Journal of Catalysis 35(2), 185-195, 2014.

[12] Fan, T.;  Yin, F.;  Wang, H.;  He, X.; Li, G.,. International Journal of Hydrogen Energy 2017, 42(27), 17376-17385.

[13] Wang, H.; Yin, F.; Li, G.; Chen, B.; Wang, Z.; International Journal of Hydrogen Energy 39(28), 16179-16186, 2014.

[14] Mao, J.; Yang, L.; Yu, P.; Wei, X.; Mao, L.; Electrocatalytic 19, 29-31, 2012.

[15] Song, G.; Wang, Z.; Wang, L.; Li, G.; Huang, M.; Yin, F.J.; Chinese Journal of Catalysis 35(2), 185-195, 2014.

[16] Barkholtz, H.M.; Liu, D.J.; Materials Horizons 4(1), 20-37, 2017.

[17] Jaouen, F.; Dodelet, J.P.; Electrochimica Acta 52(19), 5975-5984, 2007.

[18] Xia, W.; Zhu, J.; Guo, W.; An, L.; Xia, D.; Zou, R.J.; Journal of Materials Chemistry A. 2(30), 11606-11613, 2014.

[19] Ding, S.; Zheng, S.; Xie, M.; Peng, L.; Guo, X.; Ding, W.; Microporous and Mesoporous Materials 142(2-3), 609-613, 2011.

[20] Lin, Z.; Waller, G.H.; Liu, Y.; Liu, M.; Wong, C.P.; Nano Energy. 2013, 2 (2), 241-248.

[21] Niu, L.; Li, Z.; Hong, W.; Sun, J.; Wang, Z.; Ma, L.; Wang, J.; Yang, S.; Electrochimica Acta. 108, 666-673, 2013.

[22] Jiang, M.; Li, L.; Zhu, D.; Zhang, H.; Zhao, X., Journal of Materials Chemistry A 2(15), 5323-5329, 2014.

[23] He, X.; Yin, F.; Li, G.A.; International Journal of Hydrogen Energy 40(31), 9713-9722, 2015.