پایان نامه کارشناسی ارشد بررسی فعالیت نانوکاتالیست آندی بر پایه پلاتین جهت کاربرد در پیل های سوختی الکلی مستقیم

دانلود متن کامل پایان نامه مقطع ارشد شیمی

گرایش : شیمی فیزیک

عنوان : بررسی فعالیت نانوکاتالیست آندی بر پایه پلاتین جهت کاربرد در پیل های سوختی الکلی مستقیم (متانول، 2-پروپانول و،2،1- پروپان دی ال)

دانشگاه مازندران

دانشکده شیمی

پایان نامه دوره کارشناسی ارشد در رشته شیمی گرایش شیمی­فیزیک

موضوع:

بررسی فعالیت نانوکاتالیست آندی بر پایه پلاتین جهت کاربرد در پیل های سوختی الکلی مستقیم (متانول، 2-پروپانول و،2،1- پروپان دی ال)

استاد راهنما:

دکتر عبدالله عمرانی

استاد مشاور:

دکتر عباسعلی رستمی

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب:

فصل اول:مقدمه­ ای بر پیل­های سوختی

1-1- مقدمه…………………………………………………………………………………………. 2

1-2- پیل سوختی چیست؟………………………………………………………………………. 2

1-3- تاریخچه………………………………………………………………………………….. 4

1-4- کاربرد­های پیل سوختی…………………………………………………………………… 6

1-5- انواع پیل سوختی………………………………………………………………………… 7

1-5-1- پيل سوختي پليمري يا غشاء مبادله کننده پروتون…………………………… 7

1-6- پیل­های سوختی الکلی مستقیم………………………………………………………… 9

1-7- سوخت­های مورد استفاده در پیل­های سوختی الکلی……………………………….. 10

1-7-1- متانول به­عنوان سوخت……………………………………………………………….. 10

1-7-1-1- پيل سوختي متانول مستقيم…………………………………………………….. 11

1-7-2- 2-پروپانول………………………………………………………………………………. 15

1-7-2-1- پيل سوختي 2-پروپانولی مستقيم……………………………………………. 15

1-7-3- پروپیلن­گلیکول………………………………………………………………………. 16

1-7-3-1- پیل سوختی 1و2-پروپان­دی­ال مستقیم………………………………………….. 16

1-8- کاتالیست مورد استفاده در آند پیل­های سوختی……………………………………. 17

1-8-1- بهبود کاتالیست پلاتین با استفاده از بسترهای مختلف……………………….. 18

1-8-1-1- کربن بلک………………………………………………………………………….. 19

1-9- مطالعه اکسیداسیون الکل­ها روی الکتروکاتالیست­های بر پایه پلاتین………………….. 20

1-9-1- سینیتیک واکنش اکسیداسیون متانول در DMFC…………………………………..

1-9-2- مکانيسم اکسايش متانول………………………………………………………….. 22

1-9-2- اکسیداسیون 2-پروپانول و پروپیلن­گلیکول روی الکتروکاتالیست­های برپایه پلاتین……… 23

1-10- اهداف پروژه………………………………………………………………………………….. 29

فصل دوم مبانی نظری

2-1- مقدمه…………………………………………………………………………………… 31

2-2- تکنیک­های مورد استفاده……………………………………………………………….. 31

2-3- ولتامتري……………………………………………………………………………………. 32

2-3-1- ولتامتري با روبش خطي پتانسيل…………………………………………………… 32

2-3-2- ولتامتري چرخه‏اي………………………………………………………………….. 32

2-3-3- عوامل موثر در واکنش­های الکترودی در حین ولتامتری چرخه­ ای………………. 33

2-3-4- نحوه عمل در ولتامتری چرخه ­ای………………………………………………… 34

2-4- نمودارهاي تافل…………………………………………………………………… 35

2-5- روش طيف­‏نگاري امپدانس الکتروشيميايي………………………………………… 36

2-6- مشخصه­یابی سطح الکترود……………………………………………………………. 48

2-6-1- SEM…………………………………………………………………………………..

2-6-2- EDS………………………………………………………………………………………

فصل سوم: بخش تجربی

3-1- مواد شیمیایی……………………………………………………………………….. 41

3-2- دستگاه‌هاي مورد استفاده…………………………………………………………… 41

3-3- الکترود­های به­کار گرفته شده در روش­های ولتامتری………………………………… 44

3-4- تهیه کاتالیست پلاتین/کربن…………………………………………………………. 44

3-5-تهيه جوهر کاتاليست………………………………………………………………… 44

3-6- آماده­سازی الکترود کربن­شیشه………………………………………………… 45

فصل چهارم: بحث و نتیجه­ گیری

4-1- کلیات………………………………………………………………………………….. 47

4-2- بررسی ریخت­شناسی و تجزیه عنصری……………………………………………. 47

4-3- ولتامتری چرخه­ایPt/C  در محلول قلیایی…………………………………………. 49

4-4- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست  Pt/Cدر محلول بازی متانول………………. 51

4-4-1- بررسی ولتاموگرام چرخه­ای الکترود Pt/C/GC در محلول بازی متانول…………. 51

4-4-2- بررسی منحنی­‌های EIS و کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسایش متانول…. 53

4-5- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست  Pt/Cدر محلول قلیایی 2-پروپانول……….. 56

4-5-1- بررسی ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C در اکسیداسیون 2-پروپانول………… 56

4-5-2- بررسی منحنی­‌های نایکوئیست و کرونوآمپرومتری کاتالیست Pt/C در اکسایش 2-پروپانول… 59

4-6- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست  Pt/Cدر اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال……….. 60

4-6-1- ولتامتری چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در محلول قلیایی 1و2-پروپان‌دی‌ال…………… 60

4-6-2-بررسی پایداری Pt/C اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال………………………………… 62

4-7- بررسی عملکرد کاتالیست پلاتین/کربن در اکسیداسیون سوخت‌های مختلف…. 64

4-7-1- بررسی و مقایسه ولتاموگرام‌های چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال در محیط قلیایی…..65

4-7-2- مقايسه و بررسي نمودارهای ولتامتری روبش خطی Pt/C در اکسیداسیون الکل­های مختلف………67

4-7-3-  مقايسه و بررسي نمودارهای تافل کاتالیست Pt/C  در اکسیداسیون الکل‌ها…………. 68

4-7-4- بررسی نمودارهای کرونوآمپرومتری الکترود  Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل‌های مختلف… 69

4-7-5- مطالعات اسپکتروسکوپي امپدانس الکتروشیمیایی الکترود  Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل‌های مختلف.. 72

4-8-نتیجه گیری……………………………………………………………………………………….. 75

4-9-پیشنهادات…………………………………………………………………………………….. 76

4-10-منابع………………………………………………………………………………………. 77

چکیده:

در این پروژه ابتدا نانوکاتالیست پلاتین/کربن به وسیله‌ی کاهش شیمیایی نمک پلاتین با کاهنده شیمیایی سدیم بور هیدرید سنتز شد. ویژگی‌های ساختاری و مورفولوژی نانوکاتالیست سنتز شده با استفاده از طیف­سنجی پراکنش انرژی و میکروسکوپ روبش الکترونی مورد بررسی قرار گرفت. فعالیت و پایداری نانوکاتالیست Pt/C در الکترواکسیداسیون الکلهای مختلفی مانند متانول، 2- پروپانول و 1و2- پروپان­دی­ال در محیط قلیایی مورد بررسی قرار گرفت. تکنیک‌های ولتامتری چرخه‌ای، کرونوآمپرومتری و اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی برای بررسی واکنش اکسیداسیون استفاده شدند. Pt/C دانسیته جریان بالایی در اکسیداسیون 1و2-‌ پروپان­دی­ال در مقایسه با متانول و 2- پروپانول نشان می‌‌دهد. مقدار پتانسیل آغازی برای Pt/C در اکسیداسیون 1و2- پروپان دی ال مقدار منفی تر نسبت به اکسیداسیون متانول دارد که این امر به دلیل سنتیک سریع واکنش اکسیداسیون 1و2- پروپان دی ال می­باشد. نتایج آزمایشات کرونوآمپرومتری تایید می­‌کند که Pt/C دانسیته جریان پایدارتری در اکسیداسیون 1و2-‌‌‌ پروپان‌دی‌ال نشان می‌­دهد. نتایج حاصل از امپدانس الکتروشیمیایی پس از طی 100 چرخه نشان داد که مقاومت انتقال بار در اکسیداسیون 1و2-‌‌‌ پروپان‌دی‌ال کمترین مقدار و برای 2-پروپانول بیشترین مقدار را دارد. دلیل این امر این است که در اکسیداسیون1و2-‌‌‌ پروپان‌دی‌ال مقاومت کاتالیست در برابر جذب حد واسط بالاست و حد واسط ها به راحتی نمی­‌توانند سایت‌های فعال واکنش را مسدود کنند.

فصل اول: مقدمه ای بر پیل های سوختی

1-1- مقدمه

امروزه در استفاده از سوخت‌­هاي فسيلي که 80 درصد انرژي زمين را تأمين مي­‌کنند دو مشکل اساسي وجود دارد. اول اينکه ذخاير اين سوخت‌­ها محدود است و دير يا زود تمام خواهند شد. دوم اينکه سوخت‌هاي فسيلي از عوامل اساسي ايجاد مشکلات زيست محيطي مثل گرم شدن کره زمين، تغييرات آب و هوايي، ذوب کوه‌هاي يخي، بالا آمدن سطح درياها، باران‌هاي اسيدي، از بين رفتن لايه ازن و … هستند [1].

در اوايل سال 1970 استفاده از انرژي هيدروژن براي حل مشکلات ناشي از مصرف سوخت‌هاي فسيلي پيشنهاد شد. هيدروژن يک منبع انرژي عالي با ويژگي‌هاي فراوان است. هيدروژن سبک‌ترين، تميزترين و پر­بازده‌ترين سوخت به­حساب مي­آيد. يکي از ويژگي‌هاي هيدروژن اين است که طي فرآيندهاي الکتروشيميايي در پيل­هاي سوختي مي­‌تواند به انرژي الکتريکي تبديل شود. قابل ذکر است بازده چنين تبديلي در پيل سوختي بالاتر از راندمان يک موتور احتراق داخلي است که انرژي سوخت فسيلي را به انرژي مکانيکي تبديل مي­کند. علاوه بر اين سوخت، سوخت‌هاي ديگري نيز همچون الکل‌ها به­خصوص متانول و اتانول به­دليل چگالی بالاي انرژي و آساني ذخيره‌سازي و حمل آن­ها نيز مورد توجه قرار گرفته‌اند.

2-1- پیل سوختی چیست؟

پيل سوختي يک وسيله الکتروشيميايي است که انرژي شيميايي سوخت را به­طور مستقيم به انرژي الکتريکي تبديل مي­کند. معمولاً فرآيند توليد انرژي الکتريکي از سوخت‌هاي فسيلي شامل چند مرحله تبديل انرژي است:

– احتراق که انرژي شيميايي سوخت را به گرما تبديل مي­کند.

– گرماي توليد شده براي به‌جوش آوردن آب و توليد بخار استفاده مي­شود.

– بخار، توربيني را به حرکت در مي آورد و در اين فرآيند انرژي گرمايي به انرژي مکانيکي تبديل مي­شود.

– انرژي مکانيکي باعث راه­اندازي يک ژنراتور و در نتيجه توليد انرژي الکتريکي مي­شود.

در يک پيل سوختي براي توليد انرژي الکتريکي نيازي به عمل احتراق نيست و هيچ بخش متحرکي مورد استفاده قرار نمي‌­گيرد، به­عبارت ديگر به­جاي سه مرحله تبديل انرژي، در يک مرحله انرژي الکتريکي توليد مي‌­شود (شکل1-1).

نکته مهم ديگر که به آن مي‌توان اشاره داشت اين است که اين پيل‌ها موتورهاي الکتروشيميايي هستند نه موتور گرمايي و به­همين دليل تابع محدوديت سيکل کارنو نبوده و لذا بازده آن­ها بالا مي­‌باشد.

مزاياي فناوري پيل سوختي عبارتند از:

آلودگي بسيار پايين و در حد صفر.

پيل­های سوختي که با هيدروژن کار مي­کنند آلودگي در حد صفر دارند و تنها خروجي آن­ها هواي اضافي و آب مي­‌باشد. اين ويژگي نيز باعث شده پيل‌هاي سوختي نه تنها براي حمل و نقل مورد توجه قرار گيرند بلکه براي کاربردهاي خانگي و نظامي نيز مورد استفاده قرار گيرند. اگر پيل سوختي از سوخت ديگري براي توليد هيدروژن مورد نياز خود استفاده کند يا اگر متانول را جايگزين هيدروژن در پيل سوختي کنيم آلودگي‌هايي از جمله دي­ اکسيد‌کربن توليد مي­شود، ولي مقدار اين آلودگي­ها کمتر از آلودگي­هايي است که وسايل معمول توليد انرژي به­وجود مي­آورند.

وابستگي کمتر به نفت.

هرچند هيدروژن به سادگي در دسترس نيست ولي مي­توان آن را از الکتروليز آب يا سوخت­هاي هيدروکربني به­ دست آورد.

عدم وجود بخش­هاي متحرک و طول عمر بالا.

از آنجايي که پيل سوختي هيچ بخش متحرکي ندارد از نظر تئوري در شرايط ايده­آل طول عمر يک پيل سوختي تا زماني که سوخت به آن مي­رسد مي­‌تواند بي‌نهايت باشد.

وزن و اندازه.

پيل‌هاي سوختي در ظرفيت­هاي متفاوتي ساخته مي­شود (از ميکرووات تا مگاوات) که باعث مي­شود براي کاربردهاي مختلف مورد استفاده قرار گيرند.

– آلودگي صوتي بسيار پايين.

راندمان بالا نسبت به فناوري‌هاي ديگر.

3-1- تاریخچه

در سال 1839 ويليام گرو[1] فيزيکدان و روزنامه نگار انگليسي اصول کار پيل سوختي را کشف کرد (شکل 1-2). گرو، چهار پيل بزرگ که هر کدام داراي ظرفي محتوي هيدروژن و اکسيژن بودند را براي توليد الکتريسيته به­کار برد. الکتريسيته حاصل آب را در يک ظرف کوچک‌تر به اکسيژن و هيدروژن تبديل مي‌‌‎کرد [1].

اما سابقه توليد پيل سوختي به سال 1889 بر مي­گردد که اولين پيل سوختي توسط لودويک مند[1] و چارلز لنجر[2] ساخته شد. در اوايل قرن بيستم تلاش­هايي در جهت توسعه پيل سوختي صورت گرفت. در سال 1995 پيل سوختي قليايي پنج کيلو­واتي ساخته شد.

از سال 1960 سازمان فضايي آمريکا (ناسا) از پيل­هاي مزبور در سفينه­هاي جيميني و آپولو جهت توليد الکتريسيته و تهيه آب مورد نياز فضانوردان استفاده کرد. در طي دهه هفتاد فن­آوري پيل سوختي در وسايل خانگي و خودرو به­کار گرفته شد. اولين خودروي مجهز به پيل سوختي حدود سال 1970 توسط شرکت جنرال موتورز آمريکا ساخته شد. با سرمايه­گذاري جدي وزارت انرژي آمريکا از زمان جنگ خليج فارس و نيز سرمايه گذاري بعدي اين وزارتخانه فن­آوري پيل سوختي توسعه چشم­گيري پيدا کرده است.

از دهه هشتاد به بعد شرکت بالارد در کانادا تحت حمايت دولت با انجام پروژه ساخت زيردريايي که در آن از پيل سوختي استفاده مي­شد به­عنوان پيش­رو اين صنعت در دنيا معرفي شد.

هواپيماي پيل سوختي ناسا در سال 2000 ميلادي با نيروي محرکه دوگانه باتري خورشيدي و پيل سوختي مورد بهره­برداري قرار گرفت که توان پرواز طولاني (شش ماه) بدون وقفه را دارد.

پيشرفت‌هاي بعدي همه در جهت بهينه کردن هر چه بيشتر اين پيل‌ها و افزايش بازده کارآيي آنها مي­باشد تا اين پيل­ها را به شکل يک محصول تجاري در دسترس تبديل کنند [2].

4-1- کاربردهای پیل سوختی

در شکل (1-3) منابع تأمين کننده هيدروژن و تقاضاهاي مورد استفاده از هيدروژن و سهم هر يک به صورت شماتيک رسم شده است.

همان‌طوري­که در شکل 1-4 مشخص است، مي‌توان کاربردهاي پيل سوختي را به سه بخش کاربرد وسايل قابل حمل، کاربرد در بخش حمل و نقل و وسايل متحرک و کاربرد­هاي نيرو­گاهي تقسيم نمود.

[1]Ludwig Mond

[2]Charles Lenjer

[1] William Grove

تعداد صفحه : 101

قیمت :14700 تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

:        ****       info@elmyar.net

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

***  *** ***

جستجو در سایت : کلمه کلیدی خود را وارد نمایید :

 

برای جستجو بر اساس موضوع های پایان نامه ها اینجا کلیک کنید

مطالب مشابه را هم ببینید

 

فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید ! سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های دانشگاهی است. مطالب مشابه را هم ببینید. برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید