کارایی نانوکاتالیست‌های آلی فلزی بر روی واکنش پیل سوختی اکسیژن-پروپانول
محورهای موضوعی : نانومواد
Arezoo Tahan
1
(Semnan Branch, Islamic Azad University, Semnan, Iran)
کلید واژه: سلول سوختی, نانوکاتالیست‌های آلی فلزی, کاهش اکسیژن, اکسایش پروپانول, جذب سطحی.,
چکیده مقاله :
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.
In this study, the effects of organometallic nanocatalysts with the general formula TMC4H4 and TMC5H5 (TM was each of transition metals Ni, Cu, and Zn) in activating and increasing the reactivity of the "oxygen-propanol" fuel cell were investigated at B3PW91/6-311++G** level of theory. The results showed that the adsorption of oxygen and propanol on the above catalysts was energetically and thermodynamically favorable, exothermic and spontaneous, and the electron current was from the catalysts as donors to oxygen and propanol as electron acceptors. The most electron exchange occurred between NiC4H4 with oxygen and propanol, and O2/NiC4H4 and P/NiC4H4 complexes were formed with adsorption energy values of -825.97 and -30.044 kcal/mol at the cathode and anode of fuel cell, respectively. When molecular oxygen at the cathode and propanol at the anode were adsorbed by the catalysts, the bonds O = O, C-O and O-H were stretched at the adsorbed oxygen and propanol and the greatest elongation at the O = O bond was in O2 / ZnC4H4 and O2 /NiC4H4 complexes and it was also observed in the C-O bond of propanol in P/ZnC4H4 and P/NiC4H4 complexes. On the other hand, The O2 /ZnC4H4 and O2 /NiC4H4 complexes at the cathode and P/CuC4H4 and P/NiC4H4 at the anode had the lowest chemical hardness among the formed complexes and had the highest reactivity. From the total results, it can be stated that NiC4H4 was the most effective catalyst in the activation of O2 at the cathode and CuC4H4 and NiC4H4 were the most effective catalysts in the activation of propanol at the anode of "propanol-oxygen" fuel cell. From the comparison of the results obtained in this study with the reported experimental results, it can be concluded that with the increase of the specific surface area of the transition metals included in the investigated carbon bases, their catalytic efficiency was increased in reduction of oxygen at the cathode and oxidation of propanol at the anode.
[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.