تهیه چندسازه نانولوله‌های کربنی/ پلاتین بلک و کاربرد آن برای الکتروکاتالیست واکنش آزادسازی هیدروژن

محورهای موضوعی : شیمی تجزیه

ابراهیم شجاعی ¹ , شهلا فتحی ² , فرشته چکین ³

1 - کارشناسی ارشد، گروه شیمی، دانشگاه آزاد اسلامی واحد آیت ا... آملی، آمل، ایران
2 - استادیار شیمی تجزیه، دانشگاه آزاد اسلامی واحد آیت ا... آملی ، آمل، ایران
3 - دانشیار شیمی تجزیه، دانشگاه آزاد اسلامی واحد آیت ا... آملی ، آمل، ایران

تاریخ دریافت : 1396/12/20 تاریخ پذیرش : 1397/04/20 تاریخ انتشار : 1397/06/01

کلید واژه: نانولوله‌های کربنی, پلاتین بلک, واکنش آزادسازی هیدروژن, الکتروکاتالیست,

چکیده مقاله :

در این پژوهش، ابتدا چندسازه نانولوله‌های کربنی/ پلاتین بلک با روش ساده، مؤثر و ارزان تهیه شد. نمونه تهیه شده با روش‌های میکروسکوپی الکترونی عبوری (TEM) و پراش انرژی پرتو ایکس (EDX) مورد بررسی قرار گرفت. تصاویر TEM نشان داد که نانوذره‌های پلاتین به‌صورت دانه‌های تسبیح روی دیواره خارجی نانولوله‌های کربنی تثبیت شده و وجود عنصر پلاتین (Pt) در طیف EDX دلیل بر حضور Pt در چندسازه است. سپس، با ساخت الکترود خمیر کربن اصلاح شده (CPE) با این نانو چندسازه، فعالیت کاتالیستی نانو چندسازه تهیه شده در محیط اسیدی به‌وسیله روش‌های الکتروشیمی از قبیل ولتامتری روبش خطی در واکنش آزادسازی هیدروژن مورد بررسی قرار گرفت. نتایج ولتامتری روبش خطی نشان داد که الکترود CPE اصلاح شده با Pt-CNT نسبت به الکترود CPE، با چگالی جریان بالاتر و پتانسیل کم منفی‌تر در واکنش آزادسازی هیدروژن ظاهر می‌شود. اثر عامل‌های متفاوت مانند نوع و غلظت الکترولیت و نسبت پلاتین بلک به نانولوله‌های کربنی در الکتروکاتالیست واکنش آزادسازی هیدروژن مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که سولفوریک اسید M 1/0 و نسبت 2:5 از پلاتین بلک به نانولوله‌های کربنی به‌عنوان شرایط بهینه در واکنش آزادسازی هیدروژن است. تثبیت چنین نانو چندسازه‌ای روی الکترود، موجب پتانسیل شروع فرایند آزادسازی هیدروژن حدود V2/0- و کمترین شیب تافل V-1 dec-14 شد. ضریب انتقال الکترون و چگالی مبادله جریان برای Pt-CNT/CPE با استفاده از شیب نمودار تافل به ترتیب حدود 3/1 وmA cm-2 12/0 برای واکنش آزادسازی هیدروژن به‌دست آمده است.

چکیده انگلیسی:

n this work, the carbon nanotubes/platinum black composite was prepared by easy, efficient, and cheap method and morphology of composite was investigated by using tunnelling electron microscopy (TEM) and energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX). The TEM images showed that Pt was immobilized like rosary seeds on external walls of carbon nanotubes and the Pt in EDX spectra confirmed presence of Pt element in composite. Then catalytic activity of this nanocomposite was investigated using carbon paste electrode modified with this nanocomposite for hydrogen evolution reaction in acidic media by electrochemical methods such as linear sweep voltammetry. The linear sweep voltammetry of Pt-CNT/CPE electrode exhibits higher current density and less negative value of potential towards hydrogen evolution reaction than the CPE. Effects of different parameters such as electrolyte type, electrolyte concentration, and platinum black/carbon nanotubes ratio were studied for electrocatalysis of hydrogen evolution reaction. The results showed that sulphuric acid 0.1 M and 2:5 ratio was choice as optimum condition for hydrogen evolution reaction. The deposition of this nanocomposite on the electrode caused onset potential of -0.2 V and the lowest Tafel slope of 4.0 V-1 dec-1 for hydrogen evolution reaction. The electron transfer coefficient and exchange current density for the Pt-CNT/CPE were calculated by Tafel plot about 1.3 and 0.12 mA cm-2, respectively for hydrogen evolution reaction.

منابع و مأخذ:

[1] Canales, C.; Varas-Concha, F.; Mallouk, T.E.;  Ramírez, G.;  Applied Catalysis B: Environmental 188, 169-176, 2016.

[2] Huang, Y.G.; Fan, H.L.; Chen, Z.K.; Gu, C.B.; Sun, M.X.; Wang, H.Q.; Li, Q.Y.; Int. J. Hydrogen Energy 41, 3786-3793, 2016.

[3] Ojha, K.;  Saha, S.; Kolev, H.;  Kumar, B.;  Ganguli, A.K.; Electrochimica Acta 193, 268-274, 2016.

[4] فرزانه، ن؛ اکرمی کاخکی، م.ا.؛ اصلاح الکترود کربن شیشه‌ای با نانو چندسازه گرافن اکساید کاهش یافته/مس-پلاتین و بهینه سازی عوامل مؤثر در ساخت الکترود به‌منظور انجام واکنش آزادسازی هیدروژن، دومین کنفرانس ملی مکانیک-مواد و فناوری‌های پیشرفته، مجتمع عالی فنی-مهندسی اسفراین، اسفراین، 1395. 

[5]  Sun, M.;  Chen, Y.;  Tian, G.; Wu, A.;  Yan, H.;  Honggang,  Fu.H.; Electrochica Acta 190, 186-192, 2016.

[6] Chen, D.; Chen, Ch.; Baiyee, Z.M.; Shao, Z.; Ciucci, F.; Chem. Rev. 115, 9869-9921, 2015.  

[7] Tang, J.; Zhao, X.; Zuo, Y.; Ju, P.; Tang, Y.; Electrochim. Acta 174, 1041-1049, 2015. 

[8] Tonga, Y.Y.; Gua, C.D.; Zhanga, J.L.; Tanga, H.; Lia, Y.; Wanga, X.L.; Tua, J.P.; Electrochimica Acta 37, 187-197, 2016.

[9] Guo, L.; Jiang, W.J.; Zhang, Y.; Hu, J.S.; Wei, Z.D.; Wan, L.J.; ACS Catal. 5, 2903-2909, 2015. 

[10] Raoof, J.B.; Hosseini, S.R.; Ojani, R.; Mandegarzad, S.; Energy 90, 1075-1081, 2015. 

[11] Mandegarzad, S.; Raoof, J.B.; Hosseini, S.R.; Ojani, R.; Electrochimica Acta 190, 729-736, 2016. 

[12] Guo, L., Chen, S., Li, L., Wei, Z., J. Power Sources, 247- 356-360 (2014). 

[13] Balan, B.K.; Kurungot, S.; Inorg. Chem. 51, 9766-9772, 2012. 

[14] Kan, M.; Bin Yousaf, A.; Chen, M.; Wei, Ch.; Wu, X.; Huang, N.; Qi, Z.; Li, L.; Nano Research 9, 837-848, 2016.

[15] Huff, C.; Dushatinski, Th.; Abdel-Fattah, T.M.; Int. J. Hydrogen Energy 42, 18985-18990, 2017.

[16] Cui, Z.; Tianhao, L.; Tang, D.; Chemistry SELECT 2, 1019-1024, 2017.

[17] Lin, T.W.; Liu, Ch.J.; Dai, Ch.Sh.; Applied Catalysis B 154, 213-220, 2014.

[18] Chekin, F.; Bagheri, S.; Abd Hamid, Sh.B.; J. Chinese Chemical Society 60, 447-451, 2013. 

[19] Kaluza, L.; Larsen, M.J.; Zdrazil, M.; Gulkova, D.; Vit, Z.; Solcova, O.; Soukup, K.; Kostejn, M.; Bonde, J.L.; Maixnerova, L.; Odgaard, M.; Catalysis Today 256, 375-383, 2016.

[20] Chekin, F.; Bagheri, S.; Abd Hamid, Sh.B.; Sensors Actuators B 7, 893-903, 2013.

[21] Raoof, J.B.; Ojani, R.; Asghari Esfeden, S.; Rashid Nadimi, S.; Int. J. Hydrogen Energy 35, 3937-3944, 2010. 

[22] Raoof, J.B.; Hosseini, S.R.; Mousavi-Sani, S.Z.; Chinese J. Catalysis 36, 216-220, 2015.

[23] Grigoriev, S.N.; Yu Fominski, V.; Romanov, R.I.; Volosova, M.A.; Shelyakov, A.V.; Thin Solid Films 592, 175-181 (2015).

[24] Ojani, R.; Valiollahi, R.; Raoof, J.B.; Energy 74, 871-876, 2014. 

[25] Conway, B.E.;, Tilak, B.V.; Electrochim Acta 7, 3571-3594, 2002. 

[26] Zhang, H.; Mathe, M.; Int. J. Hydrogen Energy 36, 1960-1964, 2011.

[27] Ojani, R.; Raoof, J.B.; Hasheminejad, E.; Int. J. Hydrogen Energy 38, 92-99, 2013.