ارزیابی عملکرد الکتروکاتالیست نانو ذرات Pt/C درنسبت‌های مختلف پایدار کننده سدیم سیترات در واکنش احیای اکسیژن

پژوهش های کاربردی در شیمی

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده، انتشار آنلاین از تاریخ 11 بهمن 1402   

نوع مقاله: پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.30495/jacr.2023.1978750.2093

نویسندگان

کلثوم محرابی نژاد¹؛ مهدی خیرمند^{* 2}

¹دانشجوی دکتری شیمی فیزیک، دانشگاه پیام نور اردکان، مرکز یزد، ایران

²دانشیار گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه یاسوج، یاسوج، ایران.

چکیده

در پژوهش حاضر، به ­منظور دستیابی به کارایی بیشتر و استفاده کمتر از الکتروکاتالیست پلاتین برای واکنش کاهش اکسیژن در کاتد پیل سوختی، فعالیت الکتروکاتالیستی نانوذره­ ها با 20 درصدوزنی پلاتین بر کربن (Pt(20wt%)/C) با نسبت‌های متفاوت، ماده پایدارکننده تری­ سدیم سیترات برای واکنش کاهش اکسیژن سنتز شد. نسبت‌های 1:12، 1:9 ،1:6 ،1:3 از پلاتین و تری­ سدیم سیترات (Pt/C:TC) به­ عنوان عامل پایدارکننده با روش اشباع-کاهش آماده شد. میکروسکوپ الکترونی روبشی SEM برای ریخت شناسی نانوکاتالیست و روش­های ولت ­آمپرسنجی چرخه‌ای(CV)، ولت ­آمپرسنجی با روبش خطی پتانسیل (LSV)، الکترود دیسک چرخان (RDE) و طیف­ سنجی رهبندی الکتروشیمیایی (EIS) برای ارزیابی واکنش کاهش اکسیژن در لایه کاتالیست کاتد در محیط اسیدی به ­کارگرفته شدند. نتیجه ­ها نشان داد که کارایی الکتروکاتالیست ساخته ­شده بانسبت Pt/C:TC برابر با 1:3 برای کاهش اکسیژن نسبت به سایر الکترودها بهتر است. همچنین، مقاومت انتقال بار کمتر، توزیع مناسب‌تر و سطح فعال الکتروشیمیایی (m²g_pt 7_/1) بهتری دارند. افزون ­براین، تعداد الکترون­ های واکنش کاهش اکسیژن نیز محاسبه شد که برای نسبت 1:3 از مسیر چهار الکترونی پیروی ‌کرد.
 

کلیدواژه‌ها

نانوذره های پلاتین؛ واکنش کاهش اکسیژن؛ الکتروکاتالیست؛ ‌سدیم سیترات

مراجع

[1] Li M, Bi X, Wang R, Li Y, Jiang G, Li L, et al. Relating catalysis between fuel cell and metal-air batteries‏. Matter. 2020;2(1):32–49. doi: org/10.1016/j.matt.2019.10.007

[2] Siahrostami S, Verdaguer-Casadevall A, Karamad Deiana M, Malacrida, P, Escribano B. Enabling direct H₂O₂ production through rational electrocatalyst design‏. Nature Materials. 2013;12:1137-1143. doi: org/10.1038/NMAT3795

[3] Chang Q, Zhang P, Mostaghimi B, Zhao X, Denny R, Lee H, et al. Promoting H₂O₂ production via 2-electron oxygen reduction by coordinating partially oxidized Pd with defect carbon. Nat. Commun. 2020;11:2178. doi: org/10.1038/s41467-020-15843-3

[4] Zhao Z, Hossain D, Liu S, Hsieh,H, Lee, I, Gao W, et al. Tailoring a three-phase microenvironment for high-performance oxygen reduction reaction in proton exchange membrane fuel cells. Matter. 2020;3(5):1774–1790. doi: org/10.1016/j.matt.2020.09.025

[5] Lin G, Zhou Y, Liu Q, Zhang T, Shan G, Yang M, Wang J. A review of oxygen reduction mechanisms for metal-free carbon-based electrocatalysts. npj Comput.Matter. 2019;5:78. doi: org/10.1038/s41524-019-0210-3

[6] Cao L, Zhao Z, Liu Z, Gao W, Dai S, Gha J, et al. Differential surface elemental distribution leads to significantly enhanced stability of PtNi-based ORR catalysts‏. Matter. 2019;1(6):1567-1580. doi: org/10.1016/j.matt.2019.07.015

[7] Chen L, Xu Q. Metal-organic framework composites for catalysis. ‏Matter. 2019;1(1):57-89. doi: org/10.1016/j.matt.2019.05.018

[8] Zhang N, Zhou T, Lin Y, Zhong C, Wang W, Jiao Q, et al. High-density planar-like Fe₂N₆ structure catalyzes efficient oxygen reduction‏. Matter. 2020;3(2):509-521. doi: org/10.1016/j.matt.2020.06.026

[9] Wang H, Zhang L, Wilkinson P, Zhang J. Recent progresses in oxygen reduction reaction electrocatalysts for electrochemical energy applications. Electrochem. Energy Rev. 2019;2:518–538. doi: org/10.1007/s41918-019-00052-4

[10] Liu, J.; Jiao, M.; Barkholtz, M.; Wang, Y.; Jiang, L.; Liu, D, et al. Erratum: High performance platinum single atom electrocatalyst for oxygen reduction reaction. Nature Communications. 2017;8:16160. doi: /10.1038/ncomms15938

[11] Jiang K, Back S, Akey J, Xia C, Liang W, Schaak D, et al. Highly selective oxygen reduction to hydrogen peroxide on transition metal single atom coordination. Nature Communications. 2019;10:3997. doi: org/10.1038/s41467-019-11992-2

[12] Huang F, Song J, Dou S, Wang J, Wang X. Strategies to break the scaling relation toward enhanced oxygen electrocatalysis‏. Matter. 2019;1(6):1494-1518. doi: org/10.1016/j.matt.2019.09.011

[13] Zhang J, Dai L. Heteroatom-doped graphitic carbon catalysts for efficient electrocatalysis of oxygen reduction reaction‏. ACS Catalysis. 2015;5(12):7244–7253. doi: org/10.1021/acscatal.5b01563

[14] Dekel R. Review of cell performance in anion exchange membrane fuel cells‏. Journal of Power Soruces. 2018;375:158-169. doi: org/10.1016/j.jpowsour.2017.07.117

[15] Hagesteijn L, Jiang S, Ladewig B. A review of the synthesis and characterization of anion exchange membranes. Mater Sci. 2018;53: 11131–11150. doi: org/10.1007/s10853-018-2409-y

[16] Wang X, Yang G, Chai G, Nasir MS, Wang S, Zheng X, et al. Fabrication of heterostructured UIO-66-NH₂/CNTs with enhanced activity and selectivity over photocatalytic CO₂ reduction. International Journal of Hydrogen Energy. 2020;45(55):30634-30646. doi: org/10.1016/j.ijhydene.2020.08.273

[17] Kobayashi R, Ishii T, Imashiro Y, Ozaki J. Synthesis of P-and N-doped carbon catalysts for the oxygen reduction reaction via controlled phosphoric acid treatment of folic acid‏. Beilstein J. Nanotechnol. 2019;(17):1497–1510. doi: org/10.3762/bxiv.2019.2. v1

[18] Tan H, Jiang X, Tang J, Wang Z, Qian H, Mei P, et al. Perfectly ordered mesoporous iron-nitrogen doped carbon as highly efficient catalyst for oxygen reduction reaction in both alkaline and acidic electrolytes. Nano Energy. 2017;35: 286-294. doi: org/10.1016/j.nanoen.2017.04.014

[19] Jiang Y, Yang L, Sun T, Zhao J, Lyu Z, Zhou O, Wang X. Significant contribution of intrinsic carbon defects to oxygen reduction activity.‏ ACS Catalysis. 2015;5(11): 6707–6712. doi: org/10.1021/acscatal.5b01835

[20] Liu Y, Quan X, Fan X, Wang H, Chen S. High‐yield electrosynthesis of hydrogen peroxide from oxygen reduction by hierarchically porous carbon. Angew. Chem. Int. Ed. 2015;127(23):6941-6945. doi:/10.1002/ange.201502396

[21] Garsuch A, Michaud X, Wagner G, Klepel O, Dahn JR. Templated Ru/Se/C electrocatalysts for oxygen reduction‏. Electrochimica Acta. 2009;54(4):1350-1354. doi: org/10.1016/j.electacta.2008.09.018

[22] Shao M, Peles A, Shoemaker K. Electrocatalysis on platinum nanoparticles: Particle size effect on oxygen reduction reaction activity. Nano Lett. 2011;11(9):3714-3719. doi: org/10.1021/nl2017459

[23] Kumar SS, Phani KLN. Exploration of unalloyed bimetallic Au–Pt/C nanoparticles for oxygen reduction reaction. Journal of Power Sources. 2009;187(1):19-24. doi:/10.1016/j.jpowsour.2008.10.121.

[24] Peng Z, Yang H. Designer platinum nanoparticles: Control of shape, composition in alloy, nanostructure and electrocatalytic property‏. Nanotoday. 2009;4(2):143-164. doi: org/10.1016/j.nantod.2008.10.010