بررسی فعالیت کاتالیستی نانوکامپوزیت پالادیم- نانولوله های کربنی جهت الکترواکسایش متانول در پیل های سوختی و مقایسه آن با کاتالیست پلاتینی

محورهای موضوعی : خوردگی و حفاظت مواد

رقیه خالقیان مقدم ¹ (استادیار، دانشکده فنی و مهندسی، مجتمع آموزش عالی اسفراین، اسفراین، خراسان شمالی، ایران)

تاریخ دریافت : 1395/10/13 تاریخ پذیرش : 1396/04/24 تاریخ انتشار : 1396/03/01

کلید واژه: متانول, پالادیم, پلاتین, نانولوله های کربنی, الکترواکسایش,

چکیده مقاله :

در این تحقیق، نانوکامپوزیت پالادیم- نانولوله‌های کربنی- چیتوسان سنتز و با تکنیک های XRD و TEM شناسایی شد. نانوکامپوزیت سنتزشده برای اصلاح سطح الکترودهای کربن شیشه ای مورد استفاده واقع گردید. با استفاده از تکنیک‌ ولتامتری چرخه‌ای، فعالیت الکتروشیمیایی الکترود اصلاح‌شده (GC/MWCNTs-PdNPs-CH) برای الکترواکسایش متانول در محلول 5/0 مولار سدیم هیدروکسید و 0/1 مولار متانول مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاکی از آن بود که نانو کامپوزیت سنتز شده فعالیت بسیار بالایی جهت اکسایش متانول از خود نشان می دهد و از این رو، قابلیت استفاده به عنوان آند پیل های سوختی متانولی را داراست. اثر عوامل تجربی نظیر غلظت‌ های متانول و الکترولیت، محدوده پتانسیل و سرعت روبش پتانسیل بر دانسیته جریان آندی و پتانسیل اکسایش متانول نیز مورد بررسی واقع شد. همچنین در مقایسه فعالیت الکتروشیمیایی نانوکاتالیست پالادیم جهت اکسایش متانول با نوع پلاتینی مشخص گردید که نانوکاتالیست پالادیم، فعالیتی قابل ملاحظه و در حد کاتالیست حاوی نانوذرات پلاتین دارد و از این رو می تواند جایگزین بسیار مناسبی برای پلاتین در فرآیند الکترواکسایش متانول باشد. همچنین این جایگزینی، قیمت تمام شده کاتالیست را نیز کاهش می دهد.

چکیده انگلیسی:

In this study, the nanocomposite of palladium-carbon nanotubes-chitosan was synthesized and characterized by XRD and TEM techniques. The synthesized nanocomposite was used for the modification of glassy carbon electrods surfaces. Using cyclic voltammetry (CV) technique, the electrochemical activity of modified electrode (GC/PdNPs-MWCNTs-CH) toward methanol oxidation was investigted in a solution of 0.5 M sodium hydroxide and 1.0 M methanol. The results revealed that the synthesized nanocomposite shows a high catalytic activity toward methanol oxidation and thus has an efficiency for use as anode for the methanol fuel cells. The effects of different parameters such as methanol and electrolyte concentrations, potential range, and potential scan reate on the anodic current density and the peak potential of methanol oxidation were also investigted. Moreover, comparing the electrochemical activity of the palladiun nanocatalyst for methanol oxidation with that of the platinum-type, it was concluded that the former has a considerable activity closed to the platinum one. Therefore, it coulde be a souitable substituer for platinum in the methonl oxidation process. This substitution, also reduces the catalyst price.

منابع و مأخذ:

 

[1]    H. Zhao, J. Yang, L. Li, H. Li, J. Wang & Y. Zhang, “Effect of over-oxidation treatment of Pt-Co/polypyrrole-carbonnanotube catalysts on methanol oxidation” International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 34, pp. 3908 – 3914, 2009.

 

[2]    V. S. Bagotsky, “Fuel Cells, Problems and Solutions”, John Wiely & Sons Inc., America, 2009.

 

[3]    Elvers, B. (editor), “Handbook of Fuels, Energy Sources for Transportation” John Wiely & Sons, Inc., America, 2008.

 

[4]    J. Hosseini, & A. Bodaghi, “Preparation of palladium nanoparticles-titanium electrodes as a new anode for direct methanol fuel cells”, Journal of Solid State Electrochemistry, Vol. 15, pp. 795 – 800, 2011.

 

[5]    K. J. Hong, C. S. MookHoon, N. S. Ho, S. M. Hee & C. S. Bae, “Influence of Sn content on PtSn/C catalysts for electrooxidation of C1–C3 alcohols: Synthesis, characterization, and electrocatalytic activity”, Applied Catalysis B: Environmenal, Vol. 102, pp. 82-89, 2008.

 

[6]    M. K. Jeon, K. R. Lee, H. Daimon, A. Nakahara & S. I. Woo, “Pt45Ru45M10/C (M = Fe, Co, and Ni) catalysts for methanol electro-oxidation” Catalysis Today, Vol. 132, pp. 123–126, 2008.

 

[7]    H. X. Huang, S. X. Chen & C. Yuan, “Platinum nanoparticles supported on activated carbon fiber as catalyst for methanol oxidation”, Journal of Power Sources, Vol. 175, pp. 166–174, 2008.

 

[8]    S. H. Joo, C. Pak, D. J. You, S. A. Lee, H. I. Lee, J. M. Kim, H. Chang & D. Seung, “Ordered mesoporous carbons (OMC) as supports of electrocatalysts for direct methanol fuel cells (DMFC): Effect of carbon precursors of OMC on DMFC performances”, Electrochimica Acta, Vol. 52, pp. 1618–1626, 2006.

 

[9]    S. H. Ahn, O. J. Kwon, S. K. Kim, I. Choi & J. J. Kim, “Electrochemical preparation of Pt-based ternary alloy catalyst for direct methanol fuel cell anode”, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 35, pp. 13309–13316, 2010.

 

[10]    س. م. دانشمند، م. ذاکری، ع. م. بیگی، و ع. نظری، "تاثیر گرافن بر خواص مکانیکی نانوکامپوزیت مس/گرافن"، فصلنلمه علمی-پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 9، شماره 2، صفحه 141-148، 1394.

 

[11] H. Tong, H. L. Li & X. G. Zhang, “Ultrasonic synthesis of highly dispersed Pt nanoparticles supported on MWCNTs and their electrocatalytic activity towards methanol oxidation”, Carbon, Vol. 45, pp. 2424–2432, 2007.

 

[12] L. Yang, J. Chen, X. Wei, B. Liu & Y. Kuang, “Ethylene diamine-grafted carbon nanotubes: A promising catalyst support for methanol electro-oxidation”,Electrochimica Acta, Vol. 53, pp. 777–784, 2007.

[13] م. ترابی و م. فربودی، "تهیه نانوکامپوزیت پلی استایرن-کربن نانوتیوب چنددیواره با خواص مکانیکی بهبودیافته با بکارگیری روش رویه پاسخ"، فصلنلمه علمی-پژوهشی فرآیندهای نوین در مهندسی مواد، دوره 10، شماره 3، صفحه 49-65، 1395.

 

[14] R. Pattabiraman, “Electrochemical investigations on carbon-supported palladium catalysts”, Applied Catalysis A: General, Vol. 153, pp. 9-20, 1997.

 

[15] F. Nitze, M. Mazurkiewicz, A. Malolepszy, A. Mikolajczuk, P. Kedzierzawski, C. W. Tai, G. Hu, K. J. Kurzydłowski, L. Stobinski, A. Borodzinski & T. Wågberg, “Synthesis of palladium nanoparticles decorated helical carbon nanofiber as highly active anodic catalyst for direct formic acid fuel cells”, Electrochimica Acta, Vol. 63, pp. 323– 328, 2012.

 

[16] J. Li, J. Ren, G. Yang, P. Wang, H. Li, X. Sun, L. Chen, J. T. Ma & R. Li, “Simple and efficient deposition of Pd nanoparticles on Fe₃O₄ hollow nanospheres: A new catalytic system for methanol oxidation in alkaline media”, Materials Science and Engineering B, Vol. 172, pp. 207-212, 2010.

 

[17] Z. Liu, X. Zhang & L. Hong, “Physical and electrochemical characterizations of nanostructured Pd/C and PdNi/C catalysts for methanol oxidation”, Electrochemistry Communications, Vol. 11, pp. 925-928, 2009.

 

R. Khaleghian-Moghadam, M. Noroozifar, M. Khorasani-Motlagh & M. S. Ekrami-Kakhki, “Electrochemical activities of platinum-decorated multi-walled carbon nanotube/chitosan composites for the oxidations of alcohols”, Journal of Solid State Electrochemistry, Vol. 17, pp. 643–654, 2013.