بازدید: 0

*عهدهدار مکاتبات: سال یازدهم، شماره ۴ ،زمستان ۹۶
۱۹
JARC
بررسی کارایی نانوذرات پالتین بر بستر چندسازه گرافن و کبالت اکسید بهعنوان الکتروکاتالیست
مقاوم در برابر نفوذ متانول در پیلهای سوختی متانولی
۴
۳ و زهره یوسفیان
منیره فرجی۱و*، پیروز درخشی۲ ، کامبیز تحویلداری
۱ -استادیار شیمی فیزیک، دانشکده شیمی، واحد تهران شمال، دانشگاه آزاد اسالمی، تهران، ایران
۲ -استادیار شیمی کاربردی، دانشکده شیمی، واحد تهران شمال، دانشگاه آزاد اسالمی، تهران، ایران
۳ -دانشیار شیمی کاربردی، دانشکده شیمی، واحد تهران شمال، دانشگاه آزاد اسالمی، تهران، ایران
۴ -استادیار شیمی، مرکز تحقیقات نانوتکنولوژی، پژوهشگاه صنعت نفت، تهران، ایران
دریافت: اسفند ۱۳۹۵ ،بازنگری: مرداد ۱۳۹۶ ،پذیرش: آذر ۱۳۹۶
چکیده: در این پژوهش سنتز نانوذرات پالتین بر بستر ترکیب نانوصفحات گرافن و کبالت اکسید بهعنوان الکتروکاتالیست الکترودهای گازی نفوذی
پیلهای سوختی با روش ساده آبگرمایی گزارش شده است. ساختار کاتالیست سنتز شده با استفاده از پراش پرتو ایکس شناسایی و ساختار سطح آن
با استفاده از میکروسکوپ الکترونی مطالعه شد. همچنین، تصاویر میکروسکوپ الکترونی نشان میدهد که بستر تهیهشده دارای ساختار متخلخل بوده
که به نفوذ واکنشگرها به سطح الکترود کمک شایانی میکند. بررسیهای الکتروشیمیایی نمونهها با ولتاموگرامهای چرخهای و روبش خطی پتانسیل
انجام شد. نتیجهها نشان میدهد که کاتالیست ساختهشده بهدلیل سطح مؤثر باال و ساختار متخلخل فعالیت الکتروکاتالیستی باالیی نسبت به کاتالیست
تجاری پالتین بر بستر کربن و پالتین بر بستر گرافن برای واکنش کاهش اکسیژن در کاتد پیلهای سوختی متانولی از خود نمایش میدهد. همچنین،
پایداری این کاتالیست نسبت به نفوذ متانول نسبت به نمونه تجاری کاتالیست پالتین بر بستر کربن باالتر است.
واژههای کلیدی: پیل سوختی، گرافن، کاهش اکسیژن، نانوذرات پالتین، اکسید کبالت
مقدمه
۱ یکی از مبدلهای
پیلهای سوختی غشاء تبادل پروتون
تمیز انرژی هستند که میتوانند در آینده سهم قابلتوجهی را
در توسعه پایدار داشته باشند. پیلهای سوختی بسپاری از
هیدروژن یا هیدروکربنها بهعنوان سوخت و هوا و یا اکسیژن
بهعنوان اکسیدان استفاده میکنند ]۱ و ۲ .]از این واکنشگرها
در طی یک واکنش الکتروشیمیایی در دماهای پایین در حدود
)۶۰ تا C°۹۰ )برای تبدیل انرژی الکتروشیمیایی به انرژی
الکتریکی بدون آلودگی استفاده میکنند. جذابیت این فناوری در
زیستسازگاربودن و همچنین، بازدهی باالی آن در تبدیل انرژی،
در مقایسه با فناوریهای تبدیل انرژی مانند موتورهای درونسوز
است. امروزه دو نوع از پیلهای سوختی بسپاری امید زیادی برای
ir.ac.tnb-iau@faraji.m
(PEM (Cell Fuel Memberane Exchange Proton. 1
۲۰
نشریه پژوهشهای کاربردی در شیمی )JARC )سال یازدهم، شماره ۴ ،زمستان ۹۶
تجاری شدن دارند. بیشترین کاربرد پیلهای سوختی بسپاری
با سوخت H2 ،میتواند برای جایگزینی با موتورهای احتراقی
درونسوز باشد و پیلهای سوختی متانولی که پتانسیل باالیی
برای استفاده در وسایل الکترونیکی قابلحمل را دارند ]۳٫]
H2 و متانول،
در خصوص پیلهای سوختی بسپاری با سوخت
بزرگترین چالش برای تجاری شدن، قیمت باال، طول عمر و
پایداری پایین آنهاست. قیمت باال و طول عمر پایین در این پیلها
بهطور عمومی به الکتروکاتالیستی که واکنشهای الکتروشیمیایی
را در کاتد و آند پیل سوختی پیش میبرد، بستگی دارد. در این
دوره، مهمترین کاتالیستهای مورداستفاده در پیلهای سوختی،
کاتالیستهایی با ساختار مبتنی بر پالتین )Pt )است. بهدلیل قیمت
/۰ تا
باال و کمبود پالتین در طبیعت، کاهش بارگذاری Pt از ۶
/۰ یکی از مهمترین راهبردهای
/۰ به ۲-mgPtcm 15
۲-mgPtcm 8
پژوهشها در زمینه پیلهای سوختی است ]۴ و ۵ .]آلیاژ کردن
پالتین با سایر فلزات، از جمله تالشها در این زمینه است ]۶ و ۷٫]
۱ ،کارایی سل بهطورمعمول از
در خصوص پیل سوختی متانولی
پیلی که با سوخت H2 کار میکند، کمتر است، به همین جهت
میزان بارگذاری پالتین نیز بهخاطر کندی واکنش اکسایش متانول
باال است. برای تجاریسازی DMFC مجموع بارگذاری پالتین
۲( MEA )یعنی کاتد و آند باید از ۲
در مجموعه الکترود-غشا
تا ۲-mgPtcm 8 به مقدار کمتر از ۲-mgPtcm 1 برسد ]۵ .]اما،
توسعهی بیشتر پیلهای سوختی متانولی هنوز با یک سری از
چالشهای تکنیکی مواجه است. از جمله این چالشها عبور
متانول از سمت آند به سمت کاتد است که مهمترین چالش است.
بنابراین، نفوذ متانول از طریق غشاء موجب افت بازده و کاهش
ولتاژ پیل سوختی بهدلیل اکسایش متانول در قسمت کاتد شده،
که این عمل بهعنوان مهمترین مسأله در کارایی پیلهای سوختی
متانولی مستقیم مطرح شده است ]۸ .]در پیلهای سوختی متانولی
مستقیم، وقتی پالتین بهعنوان کاتالیست کاتدی مورداستفاده قرار
میگیرد، بعضی از مشکالت که ناشی از عبور متانول از قسمت آند
است، منجر به ایجاد پتانسیل مخلوط در قسمت کاتد میشود ]۸ .]
امروزه برای جلوگیری از این مشکل راهکارهای متفاوتی پیشنهاد
۳ مانند
شده است. برای مثال، به آلیاژ کردن پالتین با ناجور اتمهایی
Co، Fe و Ni و یا استفاده از مواد گوناگون در بستر کاتالیست
بهدلیل تأثیرات متقابل بین ذرات فلزی کاتالیست و پایه آن میتوان
اشاره کرد. انتخاب یکپایه کاتالیست مناسب یکی از معیارهای
کلیدی مؤثر بر کارایی کاتالیستها است. کربن بهصورت گسترده
بهعنوان پایه کاتالیستی ذرات پالتین و بهمنظور کاهش میزان
بارگیری پالتین در ساخت کاتالیستها بهکار میرود ]۹ تا ۱۲٫]
در سالهای اخیر انواع متفاوتی از کربنها مانند نانولولههای
۵ ،نانوفیبرهای
۴ ،نانولولههای کربنی چند دیواره
کربنی تک دیواره
۶ بهعنوان بستر کاتالیستهای
گرافیتی و نانوکپسولهای چندتایی
پیل سوختی موردمطالعه قرارگرفتهاند ]۱۳ تا ۱۸ .]هدف از
استفاده از این مواد تأمین مساحت سطح باال برای پراکندگی
ذرات پالتین و همچنین، رسانایی الکتریکی باالست، اما وجود
۷ از جمله مقدار عمر مفید دوده ناشی از
محدودیتهایی برای دوده
۸ در طول مدت کارکرد که موجب تجمع ذرات
تغییرات ریختی
کاتالیست و کاهش عملکرد آن میشود و همچنین، نیاز به پایهای
که مانع از مسمومیت پالتین با کربن مونواکسید شود. زمینه
پژوهش برای بسترهای جدید کاتالیستی را جذاب کرده است ]۱۹٫]
ازاینرو گرافن بهعنوان یک بستر دوبعدی زمینه جدیدی از
مطالعات را به روی پژوهشگران گشوده چراکه ارزان بودن و عدم
نیاز به مراحل عاملدارکردن، مراحل سنتز و در نتیجه هزینههای
آن را کاهش داده است چراکه گرافن اکسید دارای گروههای عاملی
اکسیژندار فراوانی است که نانوذرات پالتین بر اثر برهمکنش با
این گروهها بهراحتی بر سطح گرافن جذب میشوند ]۲۰ تا ۲۲ .]
همچنین، مطالعات اخیر نشان داده است که افزایش یک ناجور
اتم مانند کبالت در بستر کاتالیست مقاومت کاتالیست را در کاتد
نسبت به نفوذ و اکسایش متانول افزایش داده و مانع افت پتانسیل
میشود ]۲۱ و ۲۳ .]ازاینرو، در این پژوهش نانوذرات پالتین بر بستر
چندسازه گرافن و کبالت اکسید آرایش یافته تهیهشده و بهعنوان
کاتالیست برای واکنش کاهش اکسیژن بهکار میرود ]۲۴ و ۲۵٫]
بررسی کارایی نانوذرات پالتین بر بستر چندسازه گرافن و …
nanotube carbon wall Single. 4 Heteroatom. 3 assembly electrode Membrane. 2) DMFC (Cell Fuel Methanol Direct. 1
morphological. 8 balck Carbon. 7 nanocapsule Stack. 6 nanotube carbon wall Multi. 5
۲۱
نشریه پژوهشهای کاربردی در شیمی )JARC )سال یازدهم، شماره ۴ ،زمستان ۹۶
بخش تجربی
مواد مورداستفاده در پژوهش حاضر، برای مثال، گرافیت،
CoCl2 ،)اتیلن گلیکول از
پرمنگنات، نمک پالتین، نمک کبالت )
۱ خریداری شد.
شرکت مرک
سنتز بستر کاتالیست
۲ تهیه شد ]۲۶ .]گرافیت اکسید
گرافیت اکسید به روش هومر
/۱ لیتر سولفوریک اسید غلیظ
از مخلوط ۵ گرم پودر گرافیت، ۲
/۲ گرم سدیم نیترات در یک بالن مخلوط شده و دمای بالن
۵
تا صفر درجه سانتیگراد پایین آورده شد. در حال همزدن
شدید این مخلوط، ۱۵ گرم پتاسیم پرمنگنات به آن افزوده شد.
سرعت افزایش پرمنگنات طوری بود که دمای ظرف به باالتر از
C°۲۰ نرسید. سپس حمام یخ جابهجا و دمای واکنش تا C°۳۵
باال برده شد و به مدت ۳۰ دقیقه در این دما نگهداشته شد.
پس از حدود ۲۰ دقیقه یک خمیر قهوهای مایل به خاکستری
تولید شد. پس از ۳۰ دقیقه، ۲۰۰ میلیلیتر آب بهآرامی و
بهتدریج به مخلوط افزوده شد. در این حالت دمای واکنش
تا C°۹۸ باال برده شد. واکنش به مدت ۱۵ دقیقه در این دما
نگهداشته شد. سپس ۷۰۰ میلیلیتر آب و در نهایت آب اکسیژنه
۳ %به ظرف افزوده شد تا پرمنگنات اضافی واکنش نداده به
دیاکسید منگنز بیرنگ تبدیل شود. افزایش آب اکسیژنه تا
زمانی ادامه داده شد که دیگر محلول از حالت جوش زدن
افتاده باشد. فراورده یک ماده زردرنگ است. فراورده صاف و
با آب مقطر شسته شد. شستشو آنقدر ادامه یافت تا pH به
۷ برسد. فراورده در آون خالء در C°۸۰ به مدت ۷۲ ساعت
/۸۰ میلیگرم نمک CoCl2 به ۱۵
خشک شد. همچنین، ۷
میلیلیتر محلول GO با غلظت ۱-mglit 2 افزوده و پس
از اختالط کامل در اتوکالو به مدت ۱۵ ساعت در دمای
C°۱۷۰ قرار داده شد. پس از پایان واکنش فراورده بهدست
آمده که چندسازه CoO-GO بود، شسته و در آون خشک
شد ]۲۶ تا ۲۸٫]
سنتز کاتالیستهای موردنظر
جدول ۱ مشخصات کاتالیستهای تهیهشده و الکترودهای
مربوط در جدول ۱ نشان داده شدهاند.
فرجی و همکاران
(GO (oxide graphene Exfoliated. 4 probe Ultrasonic. 3 Hummer. 2 Merck. 1
جدول ۱ مشخصات کاتالیستهای تهیهشده و الکترودهای مربوط
۴
بخش تجربی
مواد مورداستفاده در پژوهش حاضر، برای مثال، گرافیت، پرمنگنات، نمک پالتین، نمک کبالت )CoCl2 ،)اتیلن گلیکول از
خریداری شد. ۱ شرکت مرک
سنتز بستر کاتالیست
تهیه شد ]۲۰ .]گرافیت اکسید از مخلوط ۱ گرم پودر گرافیت، ۲/۱ لیتر سولفوریک اسید غلیظ ۲ گرافیت اکسید به روش هومر
۱/۲ گرم سدیم نیترات در یک بالن مخلوط شده و دمای بالن تا صفر درجه سانتیگراد پایین آورده شد. در حال همزدن شدید این
مخلوط، ۱۱ گرم پتاسیم پرمنگنات به آن افزوده شد. سرعت افزایش پرمنگنات طوری بود که دمای ظرف به باالتر از ºC 26
نرسید. سپس حمام یخ جابهجا و دمای واکنش تا ºC 31 باال برده شد و به مدت ۳۶ دقیقه در این دما نگهداشته شد. پس از حدود
۲۶ دقیقه یک خمیر قهوهای مایل به خاکستری تولید شد. پس از ۳۶ دقیقه، ۲۶۶ میلیلیتر آب بهآرامی و بهتدریج به مخلوط
افزوده شد. در این حالت دمای واکنش تا ºC 08 باال برده شد. واکنش به مدت ۱۱ دقیقه در این دما نگهداشته شد. سپس
۷۶۶ میلیلیتر آب و در نهایت آب اکسیژنه ۳ %به ظرف افزوده شد تا پرمنگنات اضافی واکنش نداده به دیاکسید منگنز بیرنگ
تبدیل شود. افزایش آب اکسیژنه تا زمانی ادامه داده شد که دیگر محلول از حالت جوش زدن افتاده باشد. فراورده یک ماده زردرنگ
است. فراورده صاف و با آب مقطر شسته شد. شستشو آنقدر ادامه یافت تا pH به ۷ برسد. فراورده در آون خالء در ºC 86 به مدت
۲ افزوده و پس از ۱-mglit 72 ساعت خشک شد. همچنین، ۷/۸۶ میلیگرم نمک CoCl2 به ۱۱ میلیلیتر محلول GO با غلظت
اختالط کامل در اتوکالو به مدت ۱۱ ساعت در دمای ºC 176 قرار داده شد. پس از پایان واکنش فراورده بهدست آمده که
چندسازه CoO- GO بود، شسته و در آون خشک شد ]۲۰ تا ۲۸٫]
سنتز کاتالیستهای موردنظر
جدول ۱ مشخصات کاتالیستهای تهیهشده و الکترودهای مربوط در جدول ۱ نشان داده شدهاند.
جدول ۱ مشخصات کاتالیستهای تهیهشده و الکترودهای مربوط
نام کاتالیست مشخصات نام الکترود
(ETek(C/Pt پالتین بر بستر دوده GDE1
GNS-CoO/Pt پالتین بر بستر گرافن- کبالت اکسید GDE2
GNS/Pt پالتین بر بستر گرافن GDE3

Merck. 1
/۰ در اتیلن Hummer. 2
H2 با غلظت ۰۷۷M
۵۰ میلیلیتر از محلول PtCl6
گلیکول به ۱۰۰ میلیلیتر محلول ۱:۱ آب و اتیلین گلیکول
۳ با
افزوده و به مدت ۳۰ دقیقه در معرض همزن فراصوت
توان ۲۵ وات قرار داده شد تا گرافیت اکسید تهیهشده با امواج
۴ تبدیل شود ]۲۹ و
فراصوت به گرافن اکسید ورقه ورقه شده
۳۰ .]سپس این محلول به دو قسمت تقسیم و به ۲ بالن جداگانه
که یکی حاوی ۵۰ میلیگرم GO و دیگری حاوی ۵۰ میلیگرم
)CoO.%)50wt-(GO.%)50wt )بود، افزوده شد. هرکدام از
مخلوطها را به مدت ۴۵ دقیقه با همزن فراصوت مخلوط، سپس
هر مخلوط به مدت ۲۴ ساعت تحت اتمسفر آرگون در دمای
C°۱۰۰ بازروانی شد. پس از آن مخلوطها صاف و فراورده
جمعآوری و شسته شد. سپس به مدت ۴۸ ساعت در آون خالء در
دمای C°۸۰ خشک شد ]۲۳٫]
ساخت الکترودها
الیه نفوذ
برای ساخت الیهی نفوذ، یک مخلوط wt%.30 از محلول تفلون
و wt%.70 ولکان در مخلوط آب و ۲ -پروپانول به مدت ۳۰
دقیقه با دستگاه همزن فراصوت برای بهدست آوردن محلولی
همگن همزده شد. این محلول همگن سپس روی کربن کاغذی
)Toray)(0120T-TGPH )قرار داده شد. الکترود تهیهشده در
۲۲
نشریه پژوهشهای کاربردی در شیمی )JARC )سال یازدهم، شماره ۴ ،زمستان ۹۶
آون در دمای C °۱۲۰ به مدت یک ساعت و در نهایت در دمای
۱
C °۳۰۰ به مدت ۳۰ دقیقه در کوره قرار داده شد. مقدار بارگذاری
الیه نفوذ در هر الکترود در ۲-cm mg 1 ثابت نگهداشته شد.
الیه کاتالیست
برای تهیه ۳ الکترود گازی نفوذی، الیههای کاتالیست روی
این الیههای گازی نفوذی قرار داده شدند. جوهر الیه کاتالیست
/۹ میلیگرم الکتروکاتالیستهای تولیدشده و ۷۸
شامل ۷۵
۲ )و
میلیگرم نفیون ۵( %۲۱۸( )خریداریشده از شرکت الدریچ
/۱ میلیلیتر از محلول آب مقطر و ایزوپروپیل الکل به
مقدار ۵
نسبت حجمی ۱ به ۲ در یک بوته ریخته و چند قطره گلیسیرین
به آن افزوده و به مدت ۳۰ دقیقه در دستگاه فراصوت با توان ۳
وات قرار داده شد. پس از اینکه مخلوط بهطور کامل یکنواخت
شد، جوهر بهدست آمده با استفاده از روش خالء به روی الیه نفوذ
منتقل شد. وزن الیه کاتالیست برای رسیدن به بارگذاری۲-mgcm
/۰ پالتین کنترل شد. پس از هر مرحله انتقال، الکترود در دمای
۱۵
C°۸۰ به مدت ۳۰ دقیقه خشک شد و در نهایت پس از به وزن
رسیدن الکترود در این دما، الکترود را به مدت ۳۰ دقیقه در دمای
C°۱۲۰ بهمنظور پخت نفیون قرار داده شد )دمای شیشهای نفیون
C °۱۲۵ بود.( ]۳۲ .]بهمنظور آمادهسازی الکترود کربن شیشهای
برای آزمایش ولتامتری چرخهای، الکترود کربن شیشهای پیش از
هر آزمایش بهطور کامل صیقل داده شد. ۸ میکرولیتر از محلول
کاتالیست تهیهشده بر روی کربن شیشهای قرار داده و مقدار
/۰ ثابت نگهداشته شده است.
بارگذاری فلز در ۲-cm mg 1
بررسی الکتروشیمیایی
برای بررسی کارایی الکترودهای ساختهشده و عملکرد آنها،
آزمایشهای الکتروشیمیایی در یک سامانه سه الکترودی انجام
شد. الکترود گاز نفوذی در داخل یک نگهدارنده تفلونی قرار
گرفت که امکان جریان گاز با سرعت مشخص به پشت الکترود
امکانپذیر بود. افزون بر این، الکترود با یک رابط گرافیتی با
دستگاه پتانسیواستات ارتباط الکتریکی داشت. الکترولیت، محلول
/۰ موالر، الکترود مرجع الکترود AgCl/Ag
سولفوریک اسید ۵
با محلول KCl اشباع )شرکت آذر الکترود( و الکترود کمکی از
جنس ورقه پالتینی با مساحت ۲-cm 1 بود. آزمایشها با دستگاه
پتانسیواستات- گالوانواستات )AutoLab )انجام گرفت.
نتیجهها و بحث
مطالعه پراش پرتو ایکس
برای بررسی تشکیل نانوذرات پالتین بر بستر کربنها و
همچنین تعیین اندازه ذرات تشکیلشده، الگوی پراش پرتو ایکس
کاتالیستهای سنتز شده بهدست آمد. شکل ۱-الف الگوی XRD
نمونههای کاتالیست سنتز شده بر بستر پالتین را نشان میدهد.
پیک )۰۰۲ )مربوط به گرافن است و پیکهای )۱۱۱( ،)۲۲۰ )و
)۲۰۰ )مربوط به بلورهای پالتین است. این نتایج نشان میدهد
که پالتین با موفقیت بر بستر گرافن احیا شده است. میانگین
اندازه ذرات پالتین با استفاده از پهنای پیک )۱۱۱ )و رابطه دبای
شرر، ۲cosθ/β۱/۹λ/۰=L بهدست آمد، که در آن λ نشاندهنده
طولموج پرتو ایکس، θ نشاندهنده زاویه در موقعیت بیشینه
پیک؛ ۲/۱ β نشاندهنده پهنای پیک در نصف ارتفاع )برحسب
رادیان( است. میانگین اندازه ذرات بهدست آمده برای نمونههای
GNS-CoO/Pt و GNS/ Pt ،۲ نانومتر بوده که از اندازه ذرات
/۳ تا ۴
کاتالیست تجاری )ETEK (C/Pt بهدست آمده )از ۵
نانومتر( که با مقادیر گزارش شده در منابع تطابق دارد ]۳۱ و ۳۲ ،]
کوچکتر بوده و نشان میدهد که بهدلیل سطح باالی گرافن
توزیع ذرات پالتین در بستر گرافن نسبت به دوده بهتر صورت
گرفته است ]۳۳٫]
بررسی ساختار سطح الکترودها
برای ریختشناسی نمونهها، تصویربرداری با میکروسکوپ
الکترونی از سطح گرافن و کاتالیست سنتز شده بهعمل آمد.
شکلهای ۱-ب و ۱-ج این تصاویر را نشان میدهند. همانطور
بررسی کارایی نانوذرات پالتین بر بستر چندسازه گرافن و …
Alderich. 2 Loading. 1
۲۳
نشریه پژوهشهای کاربردی در شیمی )JARC )سال یازدهم، شماره ۴ ،زمستان ۹۶
که در شکل ۱-ب مشاهده میشود گرافن میتواند بهعنوان بستری
وسیع و مناسب برای نشستن نانوذرات Pt عمل کند. این امر،
سبب افزایش برهمکنش بین نانوذرات Pt با گرافن و انتقال سریع
و مؤثر بار بین آنها میشود. در شکل ۱-ج مشاهده میشود که
ذرات پالتین بهطور یکنواخت بر بستر گرافن توزیعشده و همچنین
وجود نانوذرات کبالت اکسید باعث ایجاد تخلل و حفرههایی در
سطح شده است که عبور گاز را تسهیل میکند.
فرجی و همکاران
نتایج بررسیهای الکتروشیمیایی
مقایسه منحنیهای ولتامتری چرخهای الکتروکاتالیستهای
تهیهشده که بر روی الکترود کربن شیشهای نشانده شده است،
/۰ ،تحت اتمسفر نیتروژن و در محدوده
H2 M 5
SO4
در محلول
/۲ ولت نسبت به AgCl/Ag در شکل ۲-الف
پتانسیلی ۲ تا ۵
نشان داده شده است. چگالیهای جریان در ناحیه جذب و واجذب
هیدروژن برای الکتروکاتالیست -GNS-CoO/Pt نسبت به دو
کاتالیست دیگر GNS/Pt و C/Pt بزرگتر است. با استفاده از این
ولتاموگرامها، سطحفعال الکتروشیمیایی و با استفاده از معادله ۱
محاسبه میشود ]۳۴٫]
۷
شکل ۱ الگوی XRD کاتالیستهای سنتز شده )الف(، تصویر SEM نانوصفحات گرافن )ب(، تصویر نانوذرات پالتین بر بستر گرافن و کبالت اکسید )ج(
نتایج بررسیهای الکتروشیمیایی
مقایسه منحنیهای ولتامتری چرخهای الکتروکاتالیستهای تهیهشده که بر روی الکترود کربن شیشهای نشانده شده است، در
محلول H2SO4 M 1/6 ،تحت اتمسفر نیتروژن و در محدوده پتانسیلی ۲ تا ۱/۲ ولت نسبت به AgCl/Ag در شکل ۲-الف نشان
داده شده است. چگالیهای جریان در ناحیه جذب و واجذب هیدروژن برای الکتروکاتالیست -GNS-CoO/Pt نسبت به دو کاتالیست
دیگر GNS/Pt و C/Pt بزر تر است. با استفاده از این ولتاموگرامها، سطحفعال الکتروشیمیایی و با استفاده از معادله ۱ محاسبه
میشود ]۳۴٫]
۲۱۰ *L
( gr m (ECSA 10 *Q
Pt
۴
H 1
Pt
۲

)۱ ) 
“Q )در مکانهای ۲ -در این معادله QH با واحد )
‘Q )و واجذب هیدروژن )
cm μC )میانگین مقدار بار الکتریکی مبادله شده در جذب )
۲-cm μC )معرف مقدار بار الکتریکی ۲ -پالتین، LPt با واحد )
cm g )مقدار پالتین بارگذاری شده در سطح الکترود کار و عدد ۲۱۶ با واحد )
موردنیاز برای اکسایش تک الیهای از هیدروژن در سطح پالتین است.
)۱ )
در این معادله QH با واحد )۲-cm μC )میانگین مقدار بار
,Q )و واجذب هیدروژن ),,Q )در
الکتریکی مبادله شده در جذب )
مکانهای پالتین، LPt با واحد )۲-cm g )مقدار پالتین بارگذاری
شده در سطح الکترود کار و عدد ۲۱۰ با واحد )۲-cm μC )معرف
مقدار بار الکتریکی موردنیاز برای اکسایش تک الیهای از هیدروژن
در سطح پالتین است.
نتایج بهدست آمده با استفاده از سطح زیر منحنی ولتاموگرام
سطحفعال الکتروشیمیایی )EAS( )جدول ۲ )نشان میدهد که
الکتروکاتالیست GNS-CoO/Pt سطحفعالتری برای جذب
و واجذب هیدروژن دارد که ناشی از سطح مؤثر باالی بستر
کاتالیست چندسازهای در اثر ممانعت کبالت اکسید از چسبندگی
صفحات گرافن و کاهش سطح مؤثر است.
فعالیت کاتالیتیکی کاتالیستهای آمادهشده برای واکنش کاهش
/۰ در محلول اشباعشده
اکسیژن در محلول سولفوریک اسید M 5

از اکسیژن با روبش خطی پتانسیل با سرعت روبش ۱-s mV 1
ارزیابی شد )شکل ۲-ب(. بهدلیل سینتیک کند واکنش کاهش
اکسیژن، دادههای سینتیکی با استفاده از معادله تافلی )معادله ۲ )
بهدست آمده است ]۳۵٫]
۸
۲/۶ در حضور سولفوریک اسید M 1/6 در دمای اتاق، تحت اتمسفر ۲-cm.mg شکل ۲ ولتاموگرامهای چرخهای الکتروکاتالیستها با بارگذاری پالتین
s mV 16( الف(، ولتاموگرامهایی با روبش خطی برای الکتروکاتالیستها در غیاب متانول )ب( و در حضور محلول متانول ۱M ،۱ −نیتروژن و با سرعت روبش
t الکتروکاتالیستها در حضور سولفوریک اسید M 2/1 −۱( ج( و نمودارهای Iدر مقابل ۱-s mV سولفوریک اسید M 1/6 اشباعشده از اکسیژن و با سرعت روبش
۱/۶(د(
نتایج بهدست آمده با استفاده از سطح زیر منحنی ولتاموگرام سطحفعال الکتروشیمیایی )EAS( )جدول ۲ )نشان میدهد که
الکتروکاتالیست GNS-CoO/Pt سطحفعالتری برای جذب و واجذب هیدروژن دارد که ناشی از سطح مؤثر باالی بستر کاتالیست
چندسازهای در اثر ممانعت کبالت اکسید از چسبندگی صفحات گرافن و کاهش سطح مؤثر است.
فعالیت کاتالیتیکی کاتالیستهای آمادهشده برای واکنش کاهش اکسیژن در محلول سولفوریک اسید M 1/6 در محلول
۱/۶ ارزیابی شد )شکل ۲-ب(. بهدلیل سینتیک کند واکنش ۱-s mV اشباعشده از اکسیژن با روبش خطی پتانسیل با سرعت روبش
کاهش اکسیژن، دادههای سینتیکی با استفاده از معادله تافلی )معادله ۲ )بهدست آمده است ]۳۱٫]
)۲( ) )log
۳۰۳٫۲
۰i
i
nF
RT

شکل ۱( الف( الگوی XRD کاتالیستهای سنتز شده، )ب( تصویر SEM( 2 ) 
نانوصفحات گرافن، )ج( تصویر نانوذرات پالتین بر بستر گرافن و کبالت اکسید
۷
شکل ۱ الگوی XRD کاتالیستهای سنتز شده )الف(، تصویر SEM نانوصفحات گرافن )ب(، تصویر نانوذرات پالتین بر بستر گرافن و کبالت اکسید )ج(
نتایج بررسیهای الکتروشیمیایی
مقایسه منحنیهای ولتامتری چرخهای الکتروکاتالیستهای تهیهشده که بر روی الکترود کربن شیشهای نشانده شده است، در
محلول H2SO4 M 1/6 ،تحت اتمسفر نیتروژن و در محدوده پتانسیلی ۲ تا ۱/۲ ولت نسبت به AgCl/Ag در شکل ۲-الف نشان
داده شده است. چگالیهای جریان در ناحیه جذب و واجذب هیدروژن برای الکتروکاتالیست -GNS-CoO/Pt نسبت به دو کاتالیست
دیگر GNS/Pt و C/Pt بزر تر است. با استفاده از این ولتاموگرامها، سطحفعال الکتروشیمیایی و با استفاده از معادله ۱ محاسبه
میشود ]۳۴٫]
۲۱۰ *L
( gr m (ECSA 10 *Q
Pt
۴
H 1
Pt
۲

)۱ ) 
“Q )در مکانهای ۲ -در این معادله QH با واحد )
‘Q )و واجذب هیدروژن )
cm μC )میانگین مقدار بار الکتریکی مبادله شده در جذب )
۲-cm μC )معرف مقدار بار الکتریکی ۲ -پالتین، LPt با واحد )
cm g )مقدار پالتین بارگذاری شده در سطح الکترود کار و عدد ۲۱۶ با واحد )
موردنیاز برای اکسایش تک الیهای از هیدروژن در سطح پالتین است.
۷
شکل ۱ الگوی XRD کاتالیستهای سنتز شده )الف(، تصویر SEM نانوصفحات گرافن )ب(، تصویر نانوذرات پالتین بر بستر گرافن و کبالت اکسید )ج(
نتایج بررسیهای الکتروشیمیایی
مقایسه منحنیهای ولتامتری چرخهای الکتروکاتالیستهای تهیهشده که بر روی الکترود کربن شیشهای نشانده شده است، در
محلول H2SO4 M 1/6 ،تحت اتمسفر نیتروژن و در محدوده پتانسیلی ۲ تا ۱/۲ ولت نسبت به AgCl/Ag در شکل ۲-الف نشان
داده شده است. چگالیهای جریان در ناحیه جذب و واجذب هیدروژن برای الکتروکاتالیست -GNS-CoO/Pt نسبت به دو کاتالیست
دیگر GNS/Pt و C/Pt بزر تر است. با استفاده از این ولتاموگرامها، سطحفعال الکتروشیمیایی و با استفاده از معادله ۱ محاسبه
میشود ]۳۴٫]
۲۱۰ *L
( gr m (ECSA 10 *Q
Pt
۴
H 1
Pt
۲

)۱ ) 
“Q )در مکانهای ۲ -در این معادله QH با واحد )
‘Q )و واجذب هیدروژن )
cm μC )میانگین مقدار بار الکتریکی مبادله شده در جذب )
۲-cm μC )معرف مقدار بار الکتریکی ۲ -پالتین، LPt با واحد )
cm g )مقدار پالتین بارگذاری شده در سطح الکترود کار و عدد ۲۱۶ با واحد )
موردنیاز برای اکسایش تک الیهای از هیدروژن در سطح پالتین است.
۷
شکل ۱ الگوی XRD کاتالیستهای سنتز شده )الف(، تصویر SEM نانوصفحات گرافن )ب(، تصویر نانوذرات پالتین بر بستر گرافن و کبالت اکسید )ج(
نتایج بررسیهای الکتروشیمیایی
مقایسه منحنیهای ولتامتری چرخهای الکتروکاتالیستهای تهیهشده که بر روی الکترود کربن شیشهای نشانده شده است، در
محلول H2SO4 M 1/6 ،تحت اتمسفر نیتروژن و در محدوده پتانسیلی ۲ تا ۱/۲ ولت نسبت به AgCl/Ag در شکل ۲-الف نشان
داده شده است. چگالیهای جریان در ناحیه جذب و واجذب هیدروژن برای الکتروکاتالیست -GNS-CoO/Pt نسبت به دو کاتالیست
دیگر GNS/Pt و C/Pt بزر تر است. با استفاده از این ولتاموگرامها، سطحفعال الکتروشیمیایی و با استفاده از معادله ۱ محاسبه
میشود ]۳۴٫]
۲۱۰ *L
( gr m (ECSA 10 *Q
Pt
۴
H 1
Pt
۲

)۱ ) 
“Q )در مکانهای ۲ -در این معادله QH با واحد )
‘Q )و واجذب هیدروژن )
cm μC )میانگین مقدار بار الکتریکی مبادله شده در جذب )
۲-cm μC )معرف مقدار بار الکتریکی ۲ -پالتین، LPt با واحد )
cm g )مقدار پالتین بارگذاری شده در سطح الکترود کار و عدد ۲۱۶ با واحد )
موردنیاز برای اکسایش تک الیهای از هیدروژن در سطح پالتین است.
)الف(
)ب(
)ج(
۲۴
نشریه پژوهشهای کاربردی در شیمی )JARC )سال یازدهم، شماره ۴ ،زمستان ۹۶
که در آن ))Eocv−E (=(η تانسیل مازاد، R ثابت جهانی گازها،
i چگالی جریان تبادلی، n
T دمای مطلق، α ضریب انتقال، ۰
تعداد الکترونها و F ثابت فاراده است. تمام چگالیهای جریان در
معادله ۱ نسبت به مساحت واقعی الکترود کار محاسبهشده است.
۱ ،دو ناحیه تافلی در چگالی جریان
در همهی منحنیهای قطبش
۳( HCD )مشاهده شده است.
۲( LCD )و چگالی جریان باال
پایین
انتقال از ناحیه LCD به ناحیه HCD در ارتباط با گونههای
OH جذبشده بر روی سطح پالتین در پتانسیلهای باالست.
چگالی جریان تبادلی از طریق برونیابی بخشهای خطی نمودار
تافلی محاسبه شده است )شکل ۲-ب(. باوجود تغییر در شیبهای
تافلی، مرحله تعیینکننده سرعت در هر دو ناحیه LCD و HCD
یکسان و واکنش انتقال الکترون در آنجا روی میدهد ]۳۵ .]
بنابراین، مقدار n در معادله ۱ برابر یک است.
همانطور که در مقادیر جدول ۲ مشاهده میشود مقدار
چگالی جریان مبادله برای الکترود GDE2-GDE3 که شامل
GNS-CoO/Pt و GNS/Pt است بهطور قابلتوجهی نسبت به
GDE1 که شامل الکتروکاتالیست تجاری پالتین است، باالتر
است. دلیل این بهبود در وضعیت کارایی این الکترودها را میتوان
۴ بر اثر افزایش سطحفعال
به افزایش منطقه سه فازی واکنش
الکتروشیمیایی پالتین در بستر گرافن نسبت داد. همانطور که
در منحنیهای قطبش مشاهده میشود مقدار جریان در ناحیه
قطبش غلظتی برای الکترودهایی با پایه گرافنی باالتر است. در
نتیجه افزایش غلظت واکنشگرها در سطح کاتالیست، بهدلیل
بهبود وضعیت تخلل پایه کاتالیست در گرافن، سرعت واکنش
افزایش مییابد. وجود تخللهایی با اندازه مزو موجب تسریع
در دسترسی در انتقال آب و در نتیجه انتقال پروتنها و وجود
تخللهای میکرویی انتقال گازها به سطح واکنشگرها را افزایش
میدهد و موجب افزایش سرعت واکنش میشود. تفاوت در میزان
کارایی الکترودهای GDE2، GDE1 و GDE3 به تفاوت در
ساختار میکرویی پایههای گرافنی مربوط میشود. ازاینرو، پایه
کربنی نقش مهمی در تعیین میزان کارایی الکترود دارد.
بررسی کارایی نانوذرات پالتین بر بستر چندسازه گرافن و …
شکل ۲( الف( ولتاموگرامهای چرخهای الکتروکاتالیستها با بارگذاری پالتین
۲-cm.2mg/0 در حضور سولفوریک اسید M 5/0 در دمای اتاق، تحت اتمسفر
نیتروژن و با سرعت روبش ۱−s mV 50( ،ب( ولتاموگرامهایی با روبش خطی برای
الکتروکاتالیستها در غیاب متانول و در حضور محلول متانول ۱M( ،ج( سولفوریک
اسید M 5/0 اشباعشده از اکسیژن و با سرعت روبش ۱-s mV 1 و نمودارهای I در
t الکتروکاتالیستها در حضور سولفوریک اسید M 5/0
مقابل ۲/۱−
۸
۲/۶ در حضور سولفوریک اسید M 1/6 در دمای اتاق، تحت اتمسفر ۲-cm.mg شکل ۲ ولتاموگرامهای چرخهای الکتروکاتالیستها با بارگذاری پالتین
s mV 16( الف(، ولتاموگرامهایی با روبش خطی برای الکتروکاتالیستها در غیاب متانول )ب( و در حضور محلول متانول ۱M ،۱ −نیتروژن و با سرعت روبش
t الکتروکاتالیستها در حضور سولفوریک اسید M 2/1 −۱( ج( و نمودارهای Iدر مقابل ۱-s mV سولفوریک اسید M 1/6 اشباعشده از اکسیژن و با سرعت روبش
۱/۶(د(
نتایج بهدست آمده با استفاده از سطح زیر منحنی ولتاموگرام سطحفعال الکتروشیمیایی )EAS( )جدول ۲ )نشان میدهد که
الکتروکاتالیست GNS-CoO/Pt سطحفعالتری برای جذب و واجذب هیدروژن دارد که ناشی از سطح مؤثر باالی بستر کاتالیست
چندسازهای در اثر ممانعت کبالت اکسید از چسبندگی صفحات گرافن و کاهش سطح مؤثر است.
فعالیت کاتالیتیکی کاتالیستهای آمادهشده برای واکنش کاهش اکسیژن در محلول سولفوریک اسید M 1/6 در محلول
۱/۶ ارزیابی شد )شکل ۲-ب(. بهدلیل سینتیک کند واکنش ۱-s mV اشباعشده از اکسیژن با روبش خطی پتانسیل با سرعت روبش
کاهش اکسیژن، دادههای سینتیکی با استفاده از معادله تافلی )معادله ۲ )بهدست آمده است ]۳۱٫]
)۲( ) )log
۳۰۳٫۲
۰i
i
nF
RT

 
۸
۲/۶ در حضور سولفوریک اسید M 1/6 در دمای اتاق، تحت اتمسفر ۲-cm.mg شکل ۲ ولتاموگرامهای چرخهای الکتروکاتالیستها با بارگذاری پالتین
s mV 16( الف(، ولتاموگرامهایی با روبش خطی برای الکتروکاتالیستها در غیاب متانول )ب( و در حضور محلول متانول ۱M ،۱ −نیتروژن و با سرعت روبش
t الکتروکاتالیستها در حضور سولفوریک اسید M 2/1 −۱( ج( و نمودارهای Iدر مقابل ۱-s mV سولفوریک اسید M 1/6 اشباعشده از اکسیژن و با سرعت روبش
۱/۶(د(
نتایج بهدست آمده با استفاده از سطح زیر منحنی ولتاموگرام سطحفعال الکتروشیمیایی )EAS( )جدول ۲ )نشان میدهد که
الکتروکاتالیست GNS-CoO/Pt سطحفعالتری برای جذب و واجذب هیدروژن دارد که ناشی از سطح مؤثر باالی بستر کاتالیست
چندسازهای در اثر ممانعت کبالت اکسید از چسبندگی صفحات گرافن و کاهش سطح مؤثر است.
فعالیت کاتالیتیکی کاتالیستهای آمادهشده برای واکنش کاهش اکسیژن در محلول سولفوریک اسید M 1/6 در محلول
۱/۶ ارزیابی شد )شکل ۲-ب(. بهدلیل سینتیک کند واکنش ۱-s mV اشباعشده از اکسیژن با روبش خطی پتانسیل با سرعت روبش
کاهش اکسیژن، دادههای سینتیکی با استفاده از معادله تافلی )معادله ۲ )بهدست آمده است ]۳۱٫]
)۲( ) )log
۳۰۳٫۲
۰i
i
nF
RT

 
۸
۲/۶ در حضور سولفوریک اسید M 1/6 در دمای اتاق، تحت اتمسفر ۲-cm.mg شکل ۲ ولتاموگرامهای چرخهای الکتروکاتالیستها با بارگذاری پالتین
s mV 16( الف(، ولتاموگرامهایی با روبش خطی برای الکتروکاتالیستها در غیاب متانول )ب( و در حضور محلول متانول ۱M ،۱ −نیتروژن و با سرعت روبش
t الکتروکاتالیستها در حضور سولفوریک اسید M 2/1 −۱( ج( و نمودارهای Iدر مقابل ۱-s mV سولفوریک اسید M 1/6 اشباعشده از اکسیژن و با سرعت روبش
۱/۶(د(
نتایج بهدست آمده با استفاده از سطح زیر منحنی ولتاموگرام سطحفعال الکتروشیمیایی )EAS( )جدول ۲ )نشان میدهد که
الکتروکاتالیست GNS-CoO/Pt سطحفعالتری برای جذب و واجذب هیدروژن دارد که ناشی از سطح مؤثر باالی بستر کاتالیست
چندسازهای در اثر ممانعت کبالت اکسید از چسبندگی صفحات گرافن و کاهش سطح مؤثر است.
فعالیت کاتالیتیکی کاتالیستهای آمادهشده برای واکنش کاهش اکسیژن در محلول سولفوریک اسید M 1/6 در محلول
۱/۶ ارزیابی شد )شکل ۲-ب(. بهدلیل سینتیک کند واکنش ۱-s mV اشباعشده از اکسیژن با روبش خطی پتانسیل با سرعت روبش
کاهش اکسیژن، دادههای سینتیکی با استفاده از معادله تافلی )معادله ۲ )بهدست آمده است ]۳۱٫]
)۲( ) )log
۳۰۳٫۲
۰i
i
nF
RT

 
۸
۲/۶ در حضور سولفوریک اسید M 1/6 در دمای اتاق، تحت اتمسفر ۲-cm.mg شکل ۲ ولتاموگرامهای چرخهای الکتروکاتالیستها با بارگذاری پالتین
s mV 16( الف(، ولتاموگرامهایی با روبش خطی برای الکتروکاتالیستها در غیاب متانول )ب( و در حضور محلول متانول ۱M ،۱ −نیتروژن و با سرعت روبش
t الکتروکاتالیستها در حضور سولفوریک اسید M 2/1 −۱( ج( و نمودارهای Iدر مقابل ۱-s mV سولفوریک اسید M 1/6 اشباعشده از اکسیژن و با سرعت روبش
۱/۶(د(
نتایج بهدست آمده با استفاده از سطح زیر منحنی ولتاموگرام سطحفعال الکتروشیمیایی )EAS( )جدول ۲ )نشان میدهد که
الکتروکاتالیست GNS-CoO/Pt سطحفعالتری برای جذب و واجذب هیدروژن دارد که ناشی از سطح مؤثر باالی بستر کاتالیست
چندسازهای در اثر ممانعت کبالت اکسید از چسبندگی صفحات گرافن و کاهش سطح مؤثر است.
فعالیت کاتالیتیکی کاتالیستهای آمادهشده برای واکنش کاهش اکسیژن در محلول سولفوریک اسید M 1/6 در محلول
۱/۶ ارزیابی شد )شکل ۲-ب(. بهدلیل سینتیک کند واکنش ۱-s mV اشباعشده از اکسیژن با روبش خطی پتانسیل با سرعت روبش
کاهش اکسیژن، دادههای سینتیکی با استفاده از معادله تافلی )معادله ۲ )بهدست آمده است ]۳۱٫]
)۲( ) )log
۳۰۳٫۲
۰i
i
nF
RT
  
zone reaction dimensional-Three. 4 density current High. 3 density Low. 2 Polarization. 1
۲۵
نشریه پژوهشهای کاربردی در شیمی )JARC )سال یازدهم، شماره ۴ ،زمستان ۹۶
همچنین، بهمنظور بررسی مقاومت کاتالیستها در برابر نفوذ
متانول که از ناحیه آند به کاتد در پیلهای سوختی متانولی رخ
میدهد و منجر به افت پتانسیل پیل میشود ]۳۶ ،]منحنیهای
قطبش برای الکتروکاتالیست موردمطالعه در محلول متانول M 1
/۰ اشباعشده از اکسیژن بهدست آمد که
و سولفوریک اسید M 5
در شکل ۲-ج نشان داده شده است. واکنش کاهش اکسیژن در
حضور متانول بر روی الکتروکاتالیست GNS/Pt و C/Pt پتانسیل
مازادی حدود mV230 را نشان داده است. این افزایش در
پتانسیل مازاد بهخاطر واکنش رقابتی بین واکنش کاهش اکسیژن
و واکنش اکسایش متانول روی این الکتروکاتالیست است، اما در
منحنی قطبش الکتروکاتالیستهای GNS-CoO/Pt در محلول
متانول جریان آندی مشاهده نشده و این نشان میدهد که،
الکتروکاتالیست GNS-CoO/Pt فعالیت الکتروکاتالیتیکی ویژهای
۱ ندارد و حضور کبالت اکسید
نسبت به واکنش اکسایش متانول
مانع از واکش مزاحم اکسایش متانول در کاتد و کاهش کارایی آن
برای واکنش کاهش اکسیژن میشود.
برای بررسی مقدار نفوذ اکسیژن در سطح الکترودها از روش
کرونوآمپرومتری استفاده میشود و با استفاده از معادله کاترل
)معادله ۳ )ضریب نفوذ اکسیژن در الکترودها بهدست میآید.
۱۰
�𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬� GDE
�𝑷𝑷𝑷𝒈𝒈𝒈𝒈𝟐𝟐𝒎𝒎�)
(�𝟏�−
�𝑫�(
�𝟏�
∗�𝑪� × �𝟐�
�𝟖�−�𝟏𝟏𝟏�(
s 2/1( –
molcm )2
�𝟒�−�𝟏𝟏𝟏� × �𝟎𝒊𝒊�
(�𝟐�−�𝐜𝐜𝐜𝐀𝐀�)
�𝒃�
(�𝟏�−�𝒅𝒅𝒅𝒅𝒅𝒎𝒎𝒎𝒎�)
/۸۳
/۱ ۶۶
/۷۶ ۰۴/۱۱ ۰۶
GDE1 66
/۷۸
/۷ ۶۶
/۱۱ ۷۱
/۸۰ ۱۶
GDE2 66
/۸۰
/۰ ۶۶
/۱۲ ۴۶
/۷۷ ۶۶
GDE3 66
همچنین، بهمنظور بررسی مقاومت کاتالیستها در برابر نفوذ متانول که از ناحیه آند به کاتد در پیلهای سوختی متانولی رخ
میدهد و منجر به افت پتانسیل پیل میشود ]۳۰ ،]منحنیهای قطبش برای الکتروکاتالیست موردمطالعه در محلول متانول M 1 و
سولفوریک اسید M 1/6 اشباعشده از اکسیژن بهدست آمد که در شکل ۲-ج نشان داده شده است. واکنش کاهش اکسیژن در
حضور متانول بر روی الکتروکاتالیست GNS/Pt و C/Pt پتانسیل مازادی حدود ۲۳۶mV را نشان داده است. این افزایش در پتانسیل
مازاد بهخاطر واکنش رقابتی بین واکنش کاهش اکسیژن و واکنش اکسایش متانول روی این الکتروکاتالیست است، اما در منحنی
قطبش الکتروکاتالیستهای GNS-CoO/Pt در محلول متانول جریان آندی مشاهده نشده و این نشان میدهد که، الکتروکاتالیست
ندارد و حضور کبالت اکسید مانع از واکش ۱ GNS-CoO/Pt فعالیت الکتروکاتالیتیکی ویژهای نسبت به واکنش اکسایش متانول
مزاحم اکسایش متانول در کاتد و کاهش کارایی آن برای واکنش کاهش اکسیژن میشود.
برای بررسی مقدار نفوذ اکسیژن در سطح الکترودها از روش کرونوآمپرومتری استفاده میشود و با استفاده از معادله کاترل
)معادله ۳ )ضریب نفوذ اکسیژن در الکترودها بهدست میآید.
C) t (inFAD * 2/ 1 2/ 1( 3)
مقادیر ضریب نفوذ بهدست آمده )جدول ۲ )نشان میدهد که کبالت اکسید و بستر متخلخلی که فراهم میکند در افزایش نفوذ
اکسیژن به سطح نقش بسزایی دارد و مانع از ایجاد قطبش غلظتی و افت پتانسیل میشود.
Reaction Oxidation Methanol 1
)۳ )
مقادیر ضریب نفوذ بهدست آمده )جدول ۲ )نشان میدهد که
کبالت اکسید و بستر متخلخلی که فراهم میکند در افزایش نفوذ
اکسیژن به سطح نقش بسزایی دارد و مانع از ایجاد قطبش غلظتی
و افت پتانسیل میشود.
نتیجهگیری
در این پژوهش، سنتز نانوذرات پالتین بر بستر هیبرید گرافن و
کبالت اکسید با روش ساده و مقرونبهصرفه آبگرمایی و کارایی
آن برای واکنش کاهش اکسیژن در پیلهای سوختی متانولی
گزارش شده است. مقایسه مقاومت این کاتالیست در مقابل نفوذ
متانول با کاتالیست پالتین بر بستر گرافن خالص و نانوذرات
پالتین تجاری بر بستر دوده، نشان میدهد که استفاده از گرافن
بهعنوان پایه کاتالیست سطح مؤثر باالتری برای ذرات پالتین
فراهم میکند که موجب تماس مؤثر ذرات پالتین با واکنشگرها،
افزایش منطقه سه فازی، انتقال مناسب الکترون و کاهش اضافه
ولتاژ سینتیکی واکنش میشود. حضور کبالت اکسید بهعنوان
عامل ایجاد فاصله بین صفحات گرافن بوده و مانع از بهم پیوستن
مجدد صفحات گرافن میشود. نقش دیگر آن ایجاد یک بستر
متخلخل برای نفوذ اکسیژن، کاهش مقاومت انتقال جرم و در
نتیجه جلوگیری از قطبش غلظتی است. در نهایت مهمترین نقش
کبالت اکسید جلوگیری از انجام واکنش مزاحم اکسایش متانول و
افت پتانسیل الکترود کاتد است.
فرجی و همکاران
جدول ۲ عاملهای سینتیکی بهدست آمده از منحنیهای قطبش
۱۰
�𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬� GDE
�𝑷𝑷𝑷𝒈𝒈𝒈𝒈𝟐𝟐𝒎𝒎�)
(�𝟏�−
�𝑫�(
�𝟏�
∗�𝑪� × �𝟐�
�𝟖�−�𝟏𝟏𝟏�(
s 2/1( –
molcm )2
�𝟒�−�𝟏𝟏𝟏� × �𝟎𝒊𝒊�
(�𝟐�−�𝐜𝐜𝐜𝐀𝐀�)
�𝒃�
(�𝟏�−�𝒅𝒅𝒅𝒅𝒅𝒎𝒎𝒎𝒎�)
/۸۳
/۱ ۶۶
/۷۶ ۰۴/۱۱ ۰۶
GDE1 66
/۷۸
/۷ ۶۶
/۱۱ ۷۱
/۸۰ ۱۶
GDE2 66
/۸۰
/۰ ۶۶
/۱۲ ۴۶
/۷۷ ۶۶
GDE3 66
همچنین، بهمنظور بررسی مقاومت کاتالیستها در برابر نفوذ متانول که از ناحیه آند به کاتد در پیلهای سوختی متانولی رخ
میدهد و منجر به افت پتانسیل پیل میشود ]۳۰ ،]منحنیهای قطبش برای الکتروکاتالیست موردمطالعه در محلول متانول M 1 و
سولفوریک اسید M 1/6 اشباعشده از اکسیژن بهدست آمد که در شکل ۲-ج نشان داده شده است. واکنش کاهش اکسیژن در
حضور متانول بر روی الکتروکاتالیست GNS/Pt و C/Pt پتانسیل مازادی حدود ۲۳۶mV را نشان داده است. این افزایش در پتانسیل
مازاد بهخاطر واکنش رقابتی بین واکنش کاهش اکسیژن و واکنش اکسایش متانول روی این الکتروکاتالیست است، اما در منحنی
قطبش الکتروکاتالیستهای GNS-CoO/Pt در محلول متانول جریان آندی مشاهده نشده و این نشان میدهد که، الکتروکاتالیست
ندارد و حضور کبالت اکسید مانع از واکش ۱ GNS-CoO/Pt فعالیت الکتروکاتالیتیکی ویژهای نسبت به واکنش اکسایش متانول
مزاحم اکسایش متانول در کاتد و کاهش کارایی آن برای واکنش کاهش اکسیژن میشود.
برای بررسی مقدار نفوذ اکسیژن در سطح الکترودها از روش کرونوآمپرومتری استفاده میشود و با استفاده از معادله کاترل
)معادله ۳ )ضریب نفوذ اکسیژن در الکترودها بهدست میآید.
C) t (inFAD * 2/ 1 2/ 1( 3)
مقادیر ضریب نفوذ بهدست آمده )جدول ۲ )نشان میدهد که کبالت اکسید و بستر متخلخلی که فراهم میکند در افزایش نفوذ
اکسیژن به سطح نقش بسزایی دارد و مانع از ایجاد قطبش غلظتی و افت پتانسیل میشود.
Reaction Oxidation Methanol 1
Reaction Oxidation Methanol. 1
مراجع
,Mirzaie Abdullah.; H Gharibi.; M, Kheirmand] 1[
Sources Power J.; M, Zhiani.; M, Faraji.; R
.۲۰۰۷, ۳۳-۳۲۷), ۲(۱۶۹
-Elec., M, Kheirmand., M, Faraji., H, Gharibi] 2[
۲۶
نشریه پژوهشهای کاربردی در شیمی )JARC )سال یازدهم، شماره ۴ ،زمستان ۹۶
بررسی کارایی نانوذرات پالتین بر بستر چندسازه گرافن و …
.۲۰۱۲, ۶۴-۲۳۵۴), ۱۲(۲۴ troanalysis
;.B, Liu.; C Huang.; J, Chen.; J, Lu.; H, Pang] 3[
,۵-۲۶۱۰), ۹(۵۴٫ Acta Electrochim,; X, Zhang
.۲۰۰۹
,Chenitz.; P.J, Dodelet.; Q, Chang.; M, Shao] 4[
,(۶: (۳۵۹۴-۶۵۷, ۱۱۶ reviews Chemical.; R
.۲۰۱۶
and electrocatalysts cell fuel PEM.; “J, Zhang] 5[
;Media Business & Science Springer”, tionsapplica and fundamentals: layers catalyst
.۲۰۰۸
;.Y, Ponce-Gochi.; M.A, Muñiz-lenzuelaVa.; Y, Gómez-Verde.; I.Z, Valdez-Bedolla] 6[
;.al et. G, Berhault.; T.M, Guzmán-Oropeza
.۲۰۱۵, ۸۴-۷۶, ۱۸۶٫ Acta Electrochim
,Zhou.; A.N, Deskins.; B, Bukowski.; Z, Zhu] 7[
,۲۴-۲۲۱۶), ۵(۴۰٫ Energy Hydrogen J Int.; S.H
.۲۰۱۵
.Chem.; W.K, Wang.; W.C, Liu.; C.Y,Wei] 8 [
.۲۰۱۱, ۱۱۹۲۹-۱۱۹۲۷), ۴۳(۴۷٫ Commun
.۲۰۱۱, ۳۲-۲۵), ۲-۱(۶۵۸ Chem troanalElec J.; R, Rahul.; V, Gunasekar.; M, Neergat] 9[
,Bard.; M.C, Sánchez-Sánchez.; L.C, Lin] 10[
.Letters State-Solid and Electrochemical.; J.A
.۲۰۰۸), ۸(۱۱
;.G.X, Zhang.; L.Z, Li.; Y.Y, Kang., W, He] 11[
.۲۰۱۰; tionsTransac ECS; Editors.: H, Yang.; Q.Z, Zou
Phys J.; A, Manthiram.; W, Li.; T, Cochell] 12[
.۲۰۱۳, ۷۳-۳۸۶۵), ۸(۱۱۷٫ C Chem
Int.; Z, Chen.; J, Xu.; L, Chen.; Y, Hu.; J, Cao] 13[
.۲۰۱۷, ۲۹۴۲-۲۹۳۱), ۵(۴۲ Energy Hydrogen J
,۳), ۱۲(۲۰۱۴٫ Bulletin Cells Fuel.; S, Barrett] 14[
.۲۰۱۴
,Wang.; X, Feng.; Y, He.; H, Huang.; H, Jin] 15[
American the of Journal.; al et. L, Dai.; S
.۲۰۱۵, ۷۵۹۱-۷۵۸۸), ۲۴(۱۳۷٫ Society Chemical
Mater J.; al et. M, Sambi.; C, Durante.; L, zzoCola.; M, Cattelan.; F, Carraro.; M, Favaro] 16[
.۲۰۱۵, ۴۷-۱۴۳۳۴).۲۷(۳٫ A Chem
;.G, Shi.; Y, Hu.; H, Cheng.; Y, Zhao.; Y, Li] 17[
.۲۰۱۲, ۱۵۸), ۱(۱۳۴٫ Society calChemi American the of Journal.; al et. L, Dai
.Society Chemical American the of nalJour.; LS, Li.; L, Dai.; S, Zhang.; Q, Li] 18[
.۲۰۱۲٫ ۵-۱۸۹۳۲),۴۶(۱۳۴
;.S, Bengió.; G, Cespedes.; M, Asteazaran] 19[
,Luna Castro.; E.W, Triaca.; S.M, Moreno
Electrochemistry Applied of Journal.; M.A
.۲۰۱۵, ۱۱۹۳-۱۱۸۷),۱۱(۴۵
;.J.J, Zhang.; L.J, Li.; B.Z, Wang.; L, Zhao] 20[
.A Chem Mater J.; M.L, Zhang.; L.X, Sui
.۲۰۱۵, ۲۰-۵۳۱۳).۱۰(۳
;.Y, Zhang.; J, Duan.; W, Yuan.; X, Zhang] 21[
.۲۰۱۵, ۷-۲۳۴, ۱۴۱٫; X, Liu
;.H, Saral.; N, Atar.; T, Eren.; L.M, Yola] 22[
.۲۰۱۵٫ Electroanalysis. I Ermiş
Journal.; M, Javaheri.; H, Gharibi.; M, Faraji] 23[
.۲۰۱۶, ۶۶-۱۵۶),۲(۶ Nanostructures of
;.H, Wang.; Y, Jiao.; Y-D, Yan.;T, Ling] 24[
,۷٫ Commun Nat.; al et.; X, Zheng.; Y, Zheng
.۲۰۱۶, ۱۲۰
,Bo.; L, Guo.; D, Zhu.; M, Hassan.; J, Liang] 25[
.۲۰۱۷, ۸۶-۵۷۶, ۴۹۰٫ Sci Interface Colloid J.; X
Renew J Int.; A.A, Athawale.; L, Shahriary] 26[
.۲۰۱۴, ۶۳-۵۸), ۰۱(۲٫ Eng Environ Energy
;.B.R, Kaner.; S, Gilje.; B.M, Müller.; D, Li] 27[
,۵-۱۰۱), ۲(۳ Nanotechnol Nat.; G.G, Wallace
.۲۰۰۸
Hydrogen J Int.; Y, Huang.; W, Hu.; Q, Wang] 28[
.۲۰۱۷, ۹۰۷-۵۸۹۹), ۹(۴۲ Energy
;.J.E, Zimney.; S, Stankovich.; A.D, Dikin] 29[
.G, Evmenenko.; H.G, Dommett.; D.R, Piner
.۲۰۰۷, ۶۰-۴۵۷), ۷۱۵۲(۴۴۸٫ Nature.; al et
,Wang.; X, Gou.; J, Park.; J, Yang.; G, Wang] 30[
Physical of Journal The.; al et. H, Liu.; B
۲۷
نشریه پژوهشهای کاربردی در شیمی )JARC )سال یازدهم، شماره ۴ ،زمستان ۹۶
فرجی و همکاران
.۲۰۰۸, ۵-۸۱۹۲), ۲۲(۱۱۲, C Chemistry
;.W, Grünert.; I, Sinev.; A.A.B.A, Nassr] 31 [
-۸۴۹, ۱۴۲, Environ B Catal Appl.; M, Bron
.۲۰۱۳, ۶۰
Materials New of Journal.; al et. N, Vante-soAlon.; M, Yoshida-Miki.; F, Pola.; J, GalindoPerez.; M, Valenzuela.; B, Camacho-Ruiz] 32[
,۹-۱۸۳),۳(۱۳ Systems Electrochemical for
.۲۰۱۰
.۲۰۱۴, ۳۱-۵۲۵, ۱۱۳ merspoly Carbohydrate.; B.S, Mishra.; S, Pandey] 33[
,Zoski.; J. Leddy.; R.L, Faulkner.; J.A, Bard] 34[
;York New, Wiley”, applications and talsfundamen: methods Electrochemical.; “G.C
.۱۹۸۰
Interfacial, Electrochemistry of cyclopediaEn.; “J.E, Calvo.; M, Stratmann.; J.A,Bard] 35[
,۲ Volume”, Transport Mass and Kinetics
.۲۰۰۳; VCh-Wiley
,Sadeghi.; H, Gharibi.; F, Golmohammadi] 36[
,۸۷-۷۳۷۳), ۱۸(۴۱٫ Energy Hydrogen J Int.; S
.۲۰۱۶
Chemistry in Research Applied of Journal: Email author Corresponding*
۱۳۱
JARC
methanol a as oxide cobalt/graphene on supported nanoparticles Pt
performance and synthesis: cells fuel DMFC in electrocatalyst tolerant
investigation
Derakhshi2.P,*, Faraji1. M
Tahvildari3. K,
Yousefian4.Z and
,University Azad Islamic, Branch Tehran North, Chemistry of Faculty, Chemistry Physical of. Prof Assistant. 1
Iran, Tehran
,University Azad Islamic, Branch Tehran North, Chemistry of Faculty, Chemistry Applied of. Prof Assistant. 2
Iran, Tehran
,University Azad Islamic, Branch Tehran North, Faculty Chemistry, Chemistry Applied of. Prof Associate. 3
Iran, Tehran
,(RIPI (Industry Petroleum of Institute Research, Center Research Nanotechnology, Chemistry of. Prof Assistant. 4
Iran, Tehran
۲۰۱۷ December: Accepted, 2017 August: Revised, 2017 March: Recieved
cobalt/graphene on integrated nanoparticles Pt of synthesis the demonstrate we, Here: Abstract
synthesized The. method hydrothermal facile a through) GNS-CoO/Pt (architecture) CoO (oxide
scanning by studied was it of morphology the and diffraction ray-X by characterized was catalyst
porous tolerable unique had sample the that indicated results obtained The. microscopy electron
sites active of plenty and channels transfer mass sufficient supply can structure This. structure
as prospected was GNS-CoO/Pt synthesized The. reaction catalytic the assist to GNS-CoO/Pt on
reduction oxygen comparable presented and reaction reduction oxygen the for electrocatalyst an
was catalyst this of astability the, addition In. resistance methanol outstanding with performance
.C/Pt with comparison in improved
nanoparticles Pt, oxide Cobalt, reduction Oxygen, Graphene, cell Fuel: Keywords
ir.ac.tnb-iau@faraji.m

(Visited 2 times, 1 visits today)

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

*

code