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

محورهای موضوعی : شیمی معدنی

مهدی مهرپویا ¹ , سید علی موسوی ²

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

تاریخ دریافت : 1398/08/21 تاریخ پذیرش : 1399/07/17 تاریخ انتشار : 1400/03/01

کلید واژه: پیل سوختی, الکتروکاتالیست, واکنش احیای اکسیژن, چارچوب فلزی آلی, پایه غیرفلزی,

چکیده مقاله :

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. الکتروکاتالیستMOF 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.

چکیده انگلیسی:

The main target of this investigation is to synthesis and introduce several non-metallic electro catalysts with desirable performance and suitable price, for oxygen reduction reaction at cathode side. For this purpose, five electrocatalysts including graphene oxide (GO), nitrogen and sulfur doped graphene oxide (NS-RGO), copper metal organic framework (Cu-MOF), 6% GO-Cu-MOF, and 8% NS-RGO-Cu-MOF are synthesized by hydrothermal method. In continue, in order to investigate the structure, activity, and performance of synthesized electro catalysts, physical and electrochemical tests are employed, and obtained results are compared to the commercial 20% Pt/C. According to the physical tests outcomes, the structure of the synthesized electrocatalysts is uniform, and the layering is correctly performed.  As well as, it was found that the size of electrocatalysts is in the range of nanometer. Based on the electrochemical tests, amongst the synthesized electrocatalysts, 8% NS-RGO-Cu-MOF has the best chemical activity. The onset potential of this catalyst is obtained by -0.06 V vs Ag/AgCl. Also, the peak associated with oxygen reduction reaction is shown in -0.08 V, which the current density in this voltage is -4.8 mA/cm2. Besides, the electron transferred number (n) for 8% NS - RGO - Cu- MOF is computed with the value of 3.53, which it indicates the reaction occurred near to the 4 electron pathway. The onset potential of 6% GO-Cu-MOF is gained by -0.11 V vs Ag/AgCl.

منابع و مأخذ:

[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.