کارایی نانوکاتالیست‌های آلی فلزی بر روی واکنش پیل سوختی اکسیژن-پروپانول
الموضوعات : نانومواد
1 - Semnan Branch, Islamic Azad University, Semnan, Iran
الکلمات المفتاحية: سلول سوختی, نانوکاتالیست‌های آلی فلزی, کاهش اکسیژن, اکسایش پروپانول, جذب سطحی.,
ملخص المقالة :
در این مطالعه، اثرات نانوکاتالیست‌های آلی فلزی با فرمول کلی TMC4H4 و TMC5H5 (TM هر یک از فلزات واسطه Ni، Cu و Zn) در فعال‌سازی و افزایش واکنش‌پذیری سلول سوختی "اکسیژن-پروپانول" در سطح محاسباتی ** B3PW91/6-311++G بررسی شدند. نتایج نشان دادند که جذب مولکول‌های اکسیژن و پروپانول بر روی کاتالیست‌های فوق از لحاظ انرژیتیکی و ترمودینامیکی مطلوب، گرمازا و خودبه‌خودی است و جریان الکترونی از کاتالیست‌ها به عنوان دهنده به سوی اکسیژن و پروپانول به عنوان گیرنده‌های الکترونی است. بیشترین تبادل الکترونی بین NiC4H4 با اکسیژن و پروپانول رخ داد و کمپلکس‌های O2/NiC4H4 و P/NiC4H4 با مقادیر انرژی جذب به ترتیب، 825/97- و kcal/mol 044/30- در کاتد و آند سلول سوختی تشکیل شدند. همچنین، وقتی اکسیژن مولکولی در کاتد و پروپانول در آند جذب کاتالیست‌های آلی فلزی شدند، پیوندهایO=O ، C-O و O-H در اکسیژن و پروپانول جذب شده کشیده شده و بیشترین کشیدگی در پیوند O=O در کمپلکس‌های O2/ZnC4H4 و O2/NiC4H4 و در پیوند C-O پروپانول نیز در P/ZnC4H4 و P/NiC4H4 مشاهده شد. از سوی دیگر، کمپلکس‌های O2/ZnC4H4 و O2/NiC4H4 در کاتد وP/CuC4H4 و P/NiC4H4 در آند نسبت به سایر کمپلکس‌های تشکیل شده سختی شیمیایی پائین‌تری داشته و بیشترین واکنش‌پذیری را دارند. بنابراین، NiC4H4 موثرترین کاتالیست در فعال‌سازی O2 در کاتد و CuC4H4 و NiC4H4 موثرترین کاتالیست‌ها در فعال‌سازی پروپانول در آند سلول سوختی بودند. از مقایسه نتایج بدست آمده با نتایج تجربی گزارش شده می‌توان نتیجه‌گیری کرد که با افزایش ناحیه سطح ویژه عناصر فلزی شامل در پایه‌های 4 و 5 کربنی بررسی شده، کارآئی کاتالیستی آن‌ها در کاهش اکسیژن در کاتد و اکسایش پروپانول در آند سلول سوختی افزایش می‌یابد.
[1] R. O’hayre, S.W. Cha, W. Colella, F.B. Prinz, Fuel cell fundamentals, John Wiley & Sons, 2016.
[2] A.G. Olabi, T. Wilberforce, M. A. Abdelkareem, Energy, 214, 2021, 118955.
[3] C.A. Martins, Alcohol fuel cell on-a-chip, Nanotechnology in Fuel Cells, 2022, 41.
[4] S.S. Siwal, S. Thakur, Q.B. Zhang, V.K. Thakur, Materials Today Chemistry, 14, 2019, 100182.
[5] Z. Amali, C. Ramli, N. Shaari, International Journal of Hydrogen Energy, 47, 2022, 22114.
[6] Y. Zuo, W. Sheng, W. Tao, Z. Li, Journal of Materials Science & Technology, 114, 2022, 29.
[7] K. Scott, W.M. Taama, P. Argyropoulos, K. Sundmacher, Journal of Power Sources, 83, 1999, 204.
[8] J. Wang, S. Wasmus, R.F. Savinell, Journal of the Electrochemical Society, 142, 1995, 4218.
[9] D. Saritha, N.M. Reddy, G.V Ramesh, Materials Today: Proceedings, 64, 2022, 357.
[10] K. Braun, M. Wolf, A.D. Oliveira, P. Preuster, P. Wasserscheid, S. Thiele, M. Wensing, Energy Technology, 10, 2022, 2200343.
[11] D.S. Mekazni, R.M. Aran-Ais, E. Herrero, J.M. Feliu, Journal of Power Sources, 556, 2023, 232396.
[12] A. Omidvar, Applied Surface Science, 434, 2018, 1239.
[13] E.M. Halim, S. Chemchoub, A.E. Attar, F.E. Salih, L. Oularbi, M.E. Rhazi, Frontiers in Energy Research, 10, 2022, 843736.
[14] C.S. Yellatur, R. Padmasale, T. Maiyalagan, S.S. Loka1, Nanotechnology, 33, 2022, 335401.
[15] X. Zhao, K. Sasaki, Accounts of Chemical Research, 55, 2022, 1226.
[16] J.C. Martinez-Loyola, A.A. Siller-Ceniceros, M.E. Sanchez-Castro, M. Sanchez, J.R. Torres-Lubian, B. Escobar-Morales, C. Ornelas, I.L. Alonso-Lemus, F.J. Rodriguez-Varela, Journal of the Electrochemical Society, 167, 2020, 164502.
[17] S.A. Kleinikova, M.G. Levchenko, A.B. Yalmaev, N.V. Talagaeva, N.N. Dremova, E.V. Gerasimova, E.V. Zolotukhina, Electrochimica Acta, 409, 2022, 139998.
[18] K. Gong, F. Du, Z. Xia, M. Durstock, L. Daj, Science, 323, 2009, 760.
[19] X. Fu, C. Wan, Y. Huang, X. Duan, Advanced Functional Materials, 32, 2022, 2106401.
[20] H. Burhan, K. Arikan, M. Hakkı Alma, M. Salih Nas, H. Karimi-Maleh, F. Sen, F. Karimi, Y. Vasseghian, International journal of Hydrogen energy, 48, 2023, 6657.
[21] A. Raveendran, M. Chandran, S.M. Wabaidur, M.A. Islam, R. Dhanusuraman, V.K. Ponnusamy, Fuel, 324, 2022, 124424.
[22] F.A. Mashkani, H. Gharibi, M. Amani, M. Zhiani, A. Morsali, Applied Surface Science, 584, 2022, 152529.
[23] R. Bashyam, P.Zelenay, Nature, 443, 2006, 63.
[24] X. Liu, L. Dai, Nature Reviews Materials, 1, 2016, 1.
[25] Z. Gao, W. Yang, X. Ding, W. Yan, Physical Chemistry Chemical Physics, 20, 2018, 7333.
[26] P. Aiswaria, S.N. Mohamed, D.L. Singaravelu, K. Brindhadevi, Chemosphere, 296, 2022, 133983.
[27] Y. Zhou, X. Hu, S. Guo, C. Yu, S. Zhong, Electrochimica Acta, 264, 2018, 12.
[28] Y. Bazvand, M. Noei, F. Khazali, Z. Saadati, Inorganic Chemistry Communications, 108, 2019, 107520.
[29] Y. Bazvand, M. Noei, F. Khazali, Z. Saadati, Journal of Molecular Structure, 1200, 2020, 127008.
[30] B. Zhou, L. Liu, P. Cai, G. Zeng, X. Li, Z. Wen, L. Chen, Journal of Materials Chemistry A, 5, 2017, 22163.
[31] S.N. Rahnama, M. Aghaie, M. Noei, H. Aghaie, Arabian Journal of Chemistry, 14, 2021, 103062.
[32] S.N. Rahnama, M. Aghaie, M. Noei, H. Aghaie, Journal of the Chinese Chemical Society, 68, 2021, 793.
[33] M. Khalkhali, M. Aghaie, M. Noei, H. Aghaie, Structural Chemistry, 33, 2022, 123.
[34] R. Collins, J. Durrant, M. He, R. Layfield, Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths, Elsevier B.V, 2019.
[35] X. Narvaez-Pita, A.L. Rheingold, E. Melendez, Journal of Organometallic Chemistry, 846, 2017, 113.
[36] D. Tosoni, G. Liberto, I. Matanovic, G. Pacchioni, Journal of Power Sources, 556, 2023, 232492.
[37] Y. Huang, P. Wu, Y. Ma, J. Tang, X. Zhou, X. Ma, W. Li, X. Zhao, C. Chen, W. Shih, D. Lin, International Journal of Hydrogen Energy, 48, 2023, 13972.
[38] R.G. Parr, R.G. Pearson, Journal of the American Chemical Society, 105, 1983, 7512.
[39] R.S. Mulliken, Journal of Chemical Physics, 2, 1934, 782.
[40] E.D. Glendening, A.E. Reed, F. Weinhold, Nbo Version 3.1, Tci., University of Wisconsin, Madison, 65, 1998, 1.
[41] M.J. Frisch, G.W. Trucks, H.B. Schlegel, G.E. Scuseria, M.A. Robb, J.R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, G.A. Petersson, Wallingford CT, 2, 2016, 4.
[42] G. Bergeret, P. Gallezot, Handbook of Heterogenous Catalysis, Wiley-VCH, 2008, 738.
[43] R. Bardestani, G.S. Patience, S. Kaliaguine, Canadian Journal of Chemical Engineering, 97, 2019, 2781.
