توسعه الكتروكاتاليست هاي نانوساختار بر پايه نيكل توليدشده به روش الكترولس جهت كاربرد در توليد هيدروژن

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مواد

دكتري

در اين پژوهش، ابتدا پوشش الكترولس دوتايي نيكل-فسفر و سپس پوشش الكترولس سه‌تايي Ni-P-M (M در اين مطالعه تنگستن، موليبدن وكبالت در نظر گرفته شده است) پوشش داده شدند و مورد بررسي خواص الكتروكاتاليستي قرار گرفتند. در پوشش دوتايي Ni-P مطالعات الكتروشيميايي نشان داد كه نمونه با درصد فسفر متوسط (MP) كه در pH تقريباً 6/4 پوشش داده‌شده است و ساختاري آمورف-كريستالي را دارد، بهترين خواص الكتروكاتاليستي را داشته است. در اين نمونه 312 η10 = -، 349-η20 = و 429- η100= بوده است. با اينكه اين نمونه نسبت به بقيه نمونه‌هاي پوشش داده‌شده نتايج بهتري داشته اما مقايسه اين نتايج با عملكرد الكترودهاي توليد شده در ديگر مطالعات نتايج خوبي نداشته است، از اين‌رو پوشش¬دهي الكترولس آلياژي با سه عنصر آلياژي در دستور كار قرار گرفت. براي پوشش¬دهي آلياژي Ni-W-P از سديم تنگستات، براي پوشش¬دهي آلياژي Ni-Mo-P از سديم موليبدات و براي پوشش¬دهي آلياژي Ni-Co-P از كلريد كبالت استفاده شد. با توجه به‌تمامي نتايج تا اين‌جا مشخص شد كه در بين پوشش‌هاي Ni-W-P نمونه WH16 با 181 η10= -، 208η20 =- و 415-=η100، در بين پوشش‌هاي Ni-Mo-P نمونه MH0.4 با 181 η10=-، 202 η20=- و 342-=η100 و در بين پوشش‌هاي Ni-Co-P نمونه CH10 با 132η10=-، 175 η20=- و 305-=η100 اورپتانسيل كم‌تر و خواص الكتروكاتاليستي بهتري را داشته است. هر چند بهبود خواص الكتروكاتاليستي به‌وضوح ديده مي‌شود اما مقايسه نتايج با الكترودهاي توليدي توسط ديگر محققين نشان مي‌دهد الكترودهاي توليد شده در اين پژوهش سينتيك تصاعد هيدروژن كمي دارند. به همين جهت الكترودهايي با سه عنصر آلياژي (Ni-W-Mo-P، Ni-Mo-Co-P و Ni-Mo-Co-P) و چهار عنصر آلياژي (Ni-W-Mo-Co-P) با موفقيت از طريق روش الكترولس توليد شدند. آناليز SEM/EDS وجود عناصر آلياژي در داخل پوشش را تأييد كرده،آزمون XRD نيز از نمونه‌ها به عمل آمد كه نشان داد ساختار پوشش‌هاي چهارتايي و پنج‌تايي توليد شده به سمت آمورف تغيير پيدا كرده است. آزمون LSV نشان داد كه نمونه‌هاي چهارتايي و پنج‌تايي خواص الكتروكاتاليستي بهتري نسبت به بقيه نمونه‌ها داشته‌اند. بررسي عميق‌تر آزمون LSV نشان داد روند افزايش سينتيك توليد هيدروژن (از كمترين سينتيك به بيشترين سينتيك) در بين نمونه‌هاي چهارتايي به ترتيب مربوط به نمونه‌هاي Ni-W-Mo-P(با 115 η10=-، 136η20=- و 208-= η100)، Ni-Mo-Co-P (با 100η10=-، 121 η20 =- و 196-= η100) و Ni-Mo-Co-P (با 79 η10=-، 94 η20=- و 154-=η100) مي‌باشد. نتايج نمونه‌هاي چهارتايي اميدواركننده بود با اين وجود نمونه پنج‌تايي Ni-W-Mo-Co-P نيز با موفقيت پوشش داده شد و نتايج آزمون LSVنشان داد كه اين نمونه 41η10=-، 46 η20 =- و 67-=η100 دارد و از تمامي نمونه‌هاي توليد شده سينتيك توليد هيدروژن بالاتري دارد و قابل‌رقابت با نتايج ديگر محققين مي‌باشد. از طريق نتايج آزمون ولتامتري سيكلي و رسم منحني‌هاي نرماليزه شده LSV اثر سطح مؤثر نمونه‌ها حذف شد و مشخص گرديد نمونه Ni-W-Mo-Co-P سريع‌ترين سينتيك توليد هيدروژن را دارد. جهت بررسي دقيق‌تر سينتيك توليد هيدروژن، آزمون طيف‌سنجي امپدانس الكتروشيميايي (EIS) روي نمونه‌هاي MP، بهترين نمونه‌هاي سه‌تايي (WH16، MH0.4 و CH10)، نمونه‌هاي چهارتايي (Ni-W-Mo-P، Ni-Mo-Co-P و Ni-Mo-Co-P) و نمونه پنج‌تايي (Ni-W-Mo-Co-P) انجام شد. نتايج EIS با نتايج LSV تطابق خوبي داشت و سريع‌ترين سينتيك متعلق به نمونه (Ni-W-Mo-Co-P) با مقاومت Ω×Cm2 6 شناسايي شد. پايداري الكترودهاي توليد شده به روش‌هاي كرنوپتانشيومتري، كرنوپتانشيومتري پله‌اي، ولتامتري سيكلي چرخه‌اي و LSV قبل و بعد از هزار سيكل ولتامتري ارزيابي شد و نتايج نشان داد تمامي نمونه‌هاي توليد شده به روش الكترولس پايداري خوبي دارند اما با توجه به سينتيك بهتر نمونه Ni-W-Mo-Co-P است، نمونه Ni-W-Mo-Co-P به‌عنوان نمونه بهينه انتخاب شد. آناليز XPS وجود عناصر نيكل، تنگستن، موليبدن، كبالت و فسفر را در اين نمونه تأييد مي‌كند. شبيه‌سازي ديناميك مولكولي جهت تأييد نتايج آزمون‌هاي الكتروشيميايي انجام شد. نتايج شبيه‌سازي‌ها پس از به دست آوردن ساختارهاي بهينه نمونه‌ها نشان داد كه نمونه Ni-W-Mo-Co-P كمترين G∆ را در بين همه نمونه‌ها داشته است. براي بررسي اثر عمليات حرارتي، ابتدا آزمون DSC انجام شد كه مشخص شد فقط نمونه‌هاي سه‌تايي و دوتايي امكان عمليات حرارتي دارند و انتخاب سيكل عمليات حرارتي مناسب نشان داد كه عمليات حرارتي باعث بهبود خواص الكتروكاتاليستي نمونه‌هاي دوتايي و سه‌تايي مي‌شود اما در سينتيك توليد هيدروژن باز قابل‌مقايسه با نمونه Ni-W-Mo-Co-P نيستند.

220688

مواد

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان