تولید نانو ذرات کربنی متخلخل از پیش ماده‌های نانوهیبرید گالات لایه‌ای روی و بررسی کاربردآن به‌عنوان کاتالیست کاتد پیل سوختی پلیمری

الموضوعات : فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

مرضیه آزادفلاح ¹ (ارشد مهندسی مواد- سرامیک، گروه مهندسی مواد، دانشگاه ملایر.)
محمد یگانه قطبی ² (استادیار، عضو هیئت علمی گروه مهندسی مواد، دانشگاه ملایر)
سید صابر میرحسینی سید صابر میرحسینی ³ (کارشناسی ارشد مهندسی مواد- شناسایی و انتخاب مواد مهندسی، گروه مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی مالک اشتر اصفهان)

تاريخ الإرسال : 13 الجمعة , شعبان, 1437 تاريخ التأكيد : 13 الجمعة , شعبان, 1437 تاريخ الإصدار : 11 الثلاثاء , ربيع الأول, 1437

الکلمات المفتاحية: هیدروکسید لایه‌ای فاز آلفا, نانو هیبرید آلی- معدنی, پیل سوختی پلیمری, کاتد, ولتامتری روبشی خطی,

ملخص المقالة :

 هیدروکسیدهای فلزی فاز آلفا –LH)α( مواد لایه­ای هستند که ساختاری شبیه به هیدروکسیدهای لایه­ای معروف­تر LDH دارند. –LHα و نانوهیبریدهای آن­ها پیش ماده­های مناسبی برای ساخت نانوساختارهای اکسیدی فلزی دوپ شده و دوپ نشده، فلزات و آلیاژهای فلزی، هم­چنین، برای مواد کربنی و کامپوزیت­های کربن و اکسید فلزات هستند. در این­ مقاله به روش سنتز هم رسوبی، نانو هیبرید آلی- معدنی هیدروکسیدی لایه­ای فاز آلفا با استفاده از نیترات هیدروکسید روی (Zn₅(OH)₈(NO₃)₂) تولید گردید و فلزات واسطه­ای همچون Al³⁺,Fe²⁺,Co²⁺,Ni²⁺درون ساختار آن دوپ شد و منبع کربنی گالیک اسید بین لایه­های آن افزوده شد، سپس نانوهیبرید ایجاد شده در دمای 1000 و 900 درجه سانتی گراد در اتمسفر خنثی نیتروژن، عملیات حرارتی شده و منجر به تولید مواد کربنی به همراه اکسیدهای فلزی گردید. در انتها برای از بین بردن اکسید­های فلزی تولید شده، محصول اسید شویی شد. کاربرد ماده کربنی تولید شده به­عنوان الکتروکاتالیست در کاتد پیل سوختی پلیمری بررسی شد. در همه الکترودها به دلیل وجود کربن متخلخل و هم­چنین، نیتروژن موجود در ساختار کربن، انتقال الکترون بهتر و واکنش احیای اکسیژن سریع­تر انجام شد. پتانسیل‌های مدار باز بدست آمده از آنالیز LSV مقادیری در رنج V1/1-9/0 برای همه کاتالیست­های فلزی غیر گرانبها نشان داد. این مقادیر به مقدار تئوری احیای پتانسیل استاندارد اکسیژن (V2/1)بسیار نزدیک بوده است. دانسیته جریان تبادلی برای تمامی الکترودها مضربی از^4-10 یا ^5-10 ویا ^6-10 و   هم­چنین، شیب تافلی بدست آمده برای بیش­تر الکترودها در محدوده­ mv/dec100تا 140 بوده که بسیار نزدیک به پلاتین می­باشد.

المصادر:

1- M. Y. Ghotbi, "a–Phase Layered Hydroxides, Synthesis, Types, Nanohybrids in: A. C. Carillo and D. A. Griego (ED.), Hydroxides: Synthesis, Types and Applications", Nova Science Publishers, New York, pp.141-168,2012.

2- P. S. Braterman, Z. P. Xu, F. Yarberry, " Handbook of Layered Materials", Editor, S. M. Auerbach and K. A. Carrado and P. K. Dutta, Marcel Dekker, New York, NY, USA, 2004.

3-G. G. C. Arizaga, K. G. Saty anarayana, and F. Wypych, "Layered Hydroxide Salts: Synthesis, Properties and Potential Applications", Solid State Ionics, 178, pp.1143-1162, 2007.

4-F. Cavani, F. Trifiro, and A. Vaccari, "Hydrotalcite-Type Anionic Clays: Preparation, Properties and Applications". Catal , 11, pp. 173-301, 1991.

5-M. Z. B. Hussein,M. Y. Ghotbi, A. H. Yahaya, and M. Z. Abd Rahman, "The Effect of Polymers onto the Size of Zinc Layered Hydroxide Salt and its Calcined Product", Solid State Sci, 11, pp. 368-375, 2009.

6-G. Wua, Z. Chena, K. Artyushkovab, F. H. Garzona, and P. Zelenaya, "Polyaniline derived Non-Precious Catalyst for the Polymer Electrolyte Fuel Cell Cathode", The Electrochemical Society, 16, pp.159-170, 2008.

7-M. Y.Ghotbi, M. Z. b. Hussein, A. H. Yahaya , and M. Z.Abd Rahman, "Thermal Decomposition Pathway of Undoped and Doped Zinc Layered Gallate Nanohybrid to Produce Mesoporous and High Pore Volume Carbon Material", Solid State Sci, 11, pp.2125-2132, 2009.

8-A. Yasutake,S. Aisawa, S. Takahashi, H. Hirahara and E. Narita, "Synthesis of Biopolymer Intercalated Inorganic-Layered Materials: Intercalation of Collagen Peptide and Soybean Peptide into Zn-Al Layered Double Hydroxide and Layered Zinc Hydroxide", Phys. Chem. Solids, 69, pp.1542-1546, 2008.

9-S. P. Newman, and w. Jones, "Comparative Study of Some Layered Hydroxide Salts Contiaining Exchangeable Interlayer Anions", Solid State Chem, 148, pp.26-40, 1999.

10-J.S. Hu, W.J. Jiang, Y.P. Xiao, Z.D.Wei, and L.J. Wan, "Nanostructuring Catalysts to Enhance Electrocatalytic Performance for Fuel Cell Applications", The Electrochemical Society,pp.12-19, 2014.

11-U. S. Ozkan, K. Mamtani, D. Singh, J. Tian and J. T. Miller, "Nitrogen-Containing Carbon Nanostructures (CN) Iron-Nitrogen-Carbon(Fe-N-C) as Non-Noble Metal Catalysts for Oxygen Reduction Reaction (ORR) in Acidic Media", The Electrochemical Society, 26, pp. 1533-1533, 2014.

12-م. قرطاول، "رسوب دهی الکتروشیمیایی نانوذرات پلاتین بروی نانولوله­های کربنی"، پایان­نامه کارشناسی ارشد مهندسی خوردگی و حفاظت مواد، دانشگاه صنعتی شریف،1389.

13-J. Y. Cheon, ChiyeongAhn, D. J. You, Ch. Pak, and Et. al, "Ordered Mesoporous Carbon–Carbon Nanotube Nanocomposites as Highly Conductive and Durable Cathode Catalyst Supports for Polymer Electrolyte Fuel Cells" , Mater. Chem. A,46, pp 2034-2045,2013.

14-R. D. Braun, "Introduction to Instrumental Analysis", Chem. Educ, 65, pp. 336-337,1988.

15-G. Wu, Ch. Dai , D. Wang, D. Li and N. Li, "Nitrogen-Doped Magnetic Onion-Like Carbon as Support for Pt Particles in a Hybrid Cathode Catalyst for Fuel Cells", Materials Chemistry, 20, pp.3059-3068,2010.

16-G. Wu , and P. Zelenay , "Mn-Based Non-Precious Catalyst for the Polymer Electrolyte Fuel Cell Cathode",21, pp. 951-951,2014.

17- ا.حیدری، م.جعفری و ع.صفار تلوری، سنتز و مشخصه یابی کامپوزیت های نانوکریستالی اکسید روی با سطح ویژه بالا نشانده شده در زمینه سیلیکا- آلومینا به روش سل-ژل، مجله مواد نوین، جلد4، شماره 1، پاییز 1392.

18- ا.اعتضادی، م.نصر اصفهانی و ا.صائب نوری، "بازدارندگی از خوردگی مس به وسیله فیلم های لایه نازک خود مجموعه ساز شیف باز در محیط های اسیدی"، مجله مواد نوین، جلد5، شماره 1، پاییز 1393.

19-M. Z. b. Hussein, M. Y. Ghotbi , A. H. Yahaya , and M. Z. AbdRahman, "Synthesis and Characte- Rization of (Zinc-Layered-Gallate) Nanohybrid Using Structural Memory Effect", Mater. Chem. Phys, 113, pp.491-496, 2009.

20-G. Wua, K. L. More, Ch. M. Jahnston, and P. Zelenaya, "High Performance Electrocatalysts for Oxygen Reduction Drived from Polyaniline, Iron and Cobalt", Science, pp.443-447, 2011.

21-Z. P. Xu and H. C. Zeng, "Control of surface areaand Porosity of Co₃O₄ Via intercalation of Oxidative or Nonoxidetive Anions in Hydrotalicte-like Precursors", Phys. Chem, 12, pp.3450-3465, 2000.

22-M. Y.Ghotbi, M. Z. b. Hussein, A. H. Yahaya , and M. Z.AbdRahman, "Thermal Decomposition Pathway of Undoped and Doped Zinc Layered Gallate Nanohybrid With Fe³⁺, Co²⁺ and Ni²⁺to Produce Mesoporous and High Pore Volume Carbon Material", Solid State Sci, 11, pp.2125-2132, 2009.

23-R. S. Hsu, "Nanostructured Non-Precious Metal Catalysts for Polymer Electrolyte Fuel Cell", A thesis Presented to the University of Waterloo in Chemical Engineering Waterloo, Ontario, Canada, 2010.