راهنمای نگارش پایان نامه درباره بررسی فعالیت نانوکاتالیست آندی بر پایه پلاتین جهت کاربرد در ... |
۱-۷-۲-۱- پیل سوختی ۲-پروپانولی مستقیم
از ۲-پروپانول بهدلیل سمیت کمتر و عدم عبور از غشاء پیل سوختی میتوان بهعنوان سوخت استفاده کرد. اگر از ۲-پروپانول بهطور مستقیم در آند پیل سوختی استفاده شود به این پیل سوختی، پیل سوختی ۲-پروپانولی مستقیم میگویند. بررسیهایی که روی عملکرد این پیل در غلظتهای مختلف الکل، درجه حرارت سل و شرایط مختلف با اکسیدان اکسیژن انجام شده است نشان میدهد که این پیل در محیط اسیدی عملکرد بالاتری از پیل سوختی متانولی مستقیم، مخصوصا در چگالی جریان کمتر از حدود ۲۰۰ میلی آمپر بر سانتی متر مربع را دارد. ۲-پروپانول می تواند ولتاژ مدار باز بیشتر، میانعبور کمتر و بازده بالاتری نسبت به متانول داشته باشد، بههمین جهت میتوان از ۲-پروپانول بهعنوان سوخت پیل سوختی الکلی مستقیم استفاده کرد. اما یکی از مشکلات ۲-پروپانول بهعنوان سوخت، مسمومیت کاتالیزور آندی مورد استفاده میباشد. واکنش کلی اکسایش ۲-پروپانول به صورت زیر است [۱۵]:
CH3CHOHCH3 + ۱۸ OH− → ۳CO2 + ۱۳ H2O + 18 e− (۷-۱)
۱-۷-۳- پروپیلنگلیکول
پروپیلنگلیکول یا ۱و۲-پروپاندیال با فرمول شیمیایی C3H8O2 یک مایع بیرنگ و جاذب رطوبت است. پروپیلنگلیکول صنعتی، ازپروپیلناکسید تولید می شود. همچنین پروپیلنگلیکول می تواند ازگلیسرول، که یک محصول جانبی بیودیزل است نیز تولید شود. پروپیلنگلیکول الکلی ویسکوز، با فراریت پایین، غیرخورنده و بر خلاف اتیلنگلیکول سمیت پایینی دارد. این الکل به دلیل بو و طعم و مزه معمولا برای استفادههای صنعتی مورد توجه قرار گرفته است. ۴۵٪ از پروپیلنگلیکول تولید شده بهعنوان مواد خام شیمیایی برای تولید رزینهای پلیاستر غیراشباع مصرف می شود. در این راستا، پروپیلنگلیکول با مخلوطی از انیدریدمالئیک غیراشباع و ایزوفتالیکاسید برای تشکیل یک کوپلیمر واکنش میدهد. پروپیلنگلیکول بهعنوان مادهای ایمن برای استفاده در موادغذایی توسط سازمان غذا و داروی ایالات متحده شناخته شده، وآن را بهعنوان حلال و نگهدارنده در مواد غذایی، در محصولات توتون و تنباکو (سیگارهای الکتریکی) و بهعنوان حلال در بسیاری ازمواد دارویی، و فرمولاسیونهای خوراکی استفاده می شود. این الکل مانند اتیلنگلیکول، قادر به کاهش نقطه انجماد آب است، بههمین دلیل از آن بهعنوان ضدیخ در هواپیما و اتومبیل استفاده می شود.
۱-۷-۳-۱- پیل سوختی ۱و۲-پروپاندیال مستقیم
پیل سوختی ۱و۲-پروپاندیال مستقیم نیز، زیر مجموعه ای از پیلهای سوختی تبادل پروتون میباشد که در آن ۱و۲-پروپاندیال مستقیماً به پیل سوختی خورانده می شود. پروپیلنگلیکول مایع در آند، اکسید شده و تولید CO2، الکترون و آب مینماید. در کاتد نیز اکسیژن هوا و الکترون واکنش می دهند. واکنشهای انجام شده در این پیل به شرح ذیل میباشد:
واکنش آندی C3H8O2 + ۱۶OH- ۳CO2 + ۱۲ H2O + 16e- (۱-۸)
واکنش کاتدی۱/۲O2 + H2O + 2e- ۲OH - (۱-۹)
یکی از مزیتهای اصلی استفاده از پروپیلنگلیکول بهعنوان سوخت این است که سینتیک واکنش آندی آن در محیط قلیایی سریعتر از متانول است ولی مطالعات کمی در زمینه اکسیداسیون آن روی فلزاتی مانند پلاتین انجام شده است. معایب و مزایای سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی در جدول ۱-۱ ذکر شده است.
جدول ۱-۱- معایب و مزایای سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی.
سوخت | مزایا | معایب |
هیدروژن | پاک (تنها محصول جانبی آب است)، واکنش آندی سریع | مشکلات ذخیره (چگالی پایین و نشت گاز)، امنیت پائین هیدوژن |
متانول | ارزان، مایع، تولید از زیست توده | واکنش آندی کند، اشتعال پذیر، سمیت و میانعبور متانول |
۲-پروپانول | سمیت کمتر نسبت به متانول و عدم عبور از غشاء پیل سوختی | واکنش آندی کند در محیط قلیایی، تولید از منابع تجدیدناپذیر |
۱و۲- پروپاندیال | سمیت کم، فراریت کم، غیرخورنده، سنتیک واکنش آندی در محیط قلیایی سریعتر از متانول | واکنش آندی کند در مقایسه با پیل سوختی هیدروژنی |
۱-۸-کاتالیزور مورد استفاده در آند پیلهای سوخت
در پیل سوختی هیدروژنی و الکلی، و اکنشگرها باید روی سطح آند بهترتیب، فرایندهای جذب، واکنش سطح و واجذب را انجام دهند. برای انجام این فرایندها انتخاب یک کاتالیزور مناسب که از طرفی سینتیک واکنش را بهبود ببخشد و از طرف دیگر مسمومیتها روی آن اثر کمتری داشته باشند ضروری بهنظر میرسد.
پلاتین و آلیاژهای آن معمولاً بهعنوان آند در پیل سوختی مورد استفاده قرار میگیرند. در پیلهای سوختی متانولی، مسموم کنندههایی مانند CO روی سایتهای فعال پلاتین جذب میشوند و روند انجام واکنش را مختل می کنند. CO جذب شده روی سطح کاتالیزور را میتوان با افزایش پتانسیل آند به CO2 اکسید کرد اما انجام این واکنش موجب کاهش بازده خواهد شد و عملی نیست [۱۶].
در DAFCs نیز مانند پیل سوختی متانولی، CO یکی از حدواسطهای تولید شده میباشد و موجب بروز مشکلات مشابهی روی سطح الکتروکاتالیزورهای پلاتین می شود. از اینرو توسعه الکتروکاتالیزورهایی که در برابر مسمومیت و مزاحمتهای CO مقاوم باشند یک فاکتور مهم و اساسی برای بهبود عملکرد پیلهای سوختی محسوب می شود.
۱-۸-۱- بهبود کاتالیزور پلاتین با بهره گرفتن از بسترهای مختلف
بهمنظور بهبود بخشیدن ظرفیت انتقال پروتون در یک واکنش الکتروکاتالیزوری، در طول تهیه جوهر کاتالیزور، محلول نفیون به جوهر کاتالیزور اضافه می شود. مقدار مناسب نفیون در این جوهر در حدود ۱۰% تا ۳۰% است. اضافه کردن نفیون می تواند ظرفیت انتقال پروتون را بهبود ببخشد، ولی این روش ناخواسته تعداد زیادی از سایتهای فعال کاتالیزور را میپوشاند. اصلاح کردن بستر کربن روش مفیدی جهت بهبود بهرهبرداری از کاتالیزورهای فلزی گرانقیمت نظیر پلاتین است. این روش نه تنها ظرفیت انتقال پروتون را افزایش میدهد بلکه مقدار نفیون گرانقیمت را کاهش میدهد که می تواند هزینه پیل سوختی را کاهش دهد [۱۷].
برای دستیابی به پراکندگی خوب، بهره برداری بالا و نانوذرات فلزی پایدار، استراتژی های بستر کاتالیزور مورد ارزیابی قرار گرفتند. در مقایسه با کاتالیزورهای فلزی بدون بستر، کاتالیزورهای بستر شده پایداری و فعالیت بالایی را از خود نشان می دهند. در بیشتر موارد ذرات کربن به دلیل پایداری نسبی در دو محیط اسیدی و بازی، هدایت الکتریکی خوب و مساحت سطح ویژه بالا بهعنوان بسترهای کاتالیزور استفاده میشوند. ماده کربن تأثیر بهسزایی بر روی خصوصیات کاتالیزورهای فلزی نجیب بستر شده دارد. این تأثیرات عبارتند از:
۱- اندازه ذرات فلزی
۲- مورفولوژی
۳- توزیع اندازه ذرات
۴- درجه آلیاژ شدن
۵- پایداری و پراکندگی ذرات.
از طرف دیگر بسترهای کربن همچنین میتوانند بر روی عملکرد کاتالیزورهای بستر شده در پیلهای سوختی نیز تأثیرگذار باشند. این تأثیرات عبارتند از:
۱- انتقال جرم و هدایت الکترونی لایه کاتالیزور
فرم در حال بارگذاری ...
[جمعه 1400-07-30] [ 05:43:00 ب.ظ ]
|