نوع مقاله : مقاله پژوهشی کامل
نویسندگان
گروه شیمی، دانشگاه پیام نور، صندوق پستی 4667-16365 ،تهران، ایران
چکیده
پیل های سوختی می توانند به طور مستقیم، با بازده بالا و بدون آلودگی انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. عوامل متعددی بر تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی در پیلهای سوختی موثر است که از آن جمله واکنش کاهش اکسیژن روی کاتد است. این واکنش یک فرآیند جنبشی کند است و بر عملکرد کلی یک پیل سوختی واکنش کاهش اکسیژن تاثیر دارد و از دو طریق ممکن است انجام شود: یکی مسیر مستقیم چهار الکترونی است که در آن O2 مستقیماً بدون دخالت پراکسید هیدروژن به آب کاهش می یابد. دیگری مسیر دو مرحله ای دو الکترونی است که در آن پراکسید هیدروژن به عنوان یک واسطه تشکیل می شود و با کاهش بازده پیل همراه است. برای دستیابی به یک پیل سوختی با بازده بالا، انجام واکنش کاهش اکسیژن از مسیر چهار الکترونی ارجح است. با توجه به اینکه فرآیند واکنش کاهش اکسیژن در طبیعت بسیار کند است، استفاده از کاتالیزورها جهت تسهیل مسیر چهار الکترونی و افزایش کارایی پیلهای سوختی لازم است و پلاتین و آلیاژهای آن کاتالیزورهای معروفی در این زمینه اند که به علت قیمت بالا و نیز مسمومیت با CO، استفاده از آنها برای مصارف صنعتی به صرفه نیست. تحقیقات زیادی برای یافتن کاتالیزورهای مناسب به جای پلاتین و آلیاژهای آن در واکنش کاهش اکسیژن انجام شده است. در این تحقیق با استفاده از پارامترهای محاسبه‌شده NMR و NQR در برخی ورقه‌های گرافن حاوی نیتروژن (با یک یا دو نیتروژن)، تأثیر اتم نیتروژن بر چگالی بار اتم‌های کربن بررسی شد. نتایج نشان داد که در حضور نیتروژن، چگالی بار برخی از اتم‌های کربن کاهش می‌یابد و این اتم‌ها به‌عنوان جایگاه فعال کاتالیزور بهتر از گرافن خالص هستند.
کلیدواژه‌ها
- Y. Chan, J. Ding, J. Ren, S. Cheng, K. Y. Tsang, Supported mixed metal nanoparticles as electrocatalysts in low temperature fuel cells, J. Material Chem. 14 (1994) 595-516.
- J. Schmidt, M. Noeske, H. A. Gasteiger and R.J. Behm, Pt-Ru Alloy Colloids as Precursors for Fuel Cell Catalysts, J. Electrochem. Soc. 145 (1998) 925-931.
- Liu, J.Y. Lee, W. Chen, M. Han and L.M. Gan, Physical and electrochemical characterizations of microwave-assisted ploy preparation of carbon-supported Pt-Ru nanoparticles., Langmuir 20 (2004)171-173.
- M. Felix-Navarro, M. Beltran-Gastelum, E. A. ReynosoSoto, F. Paraguay-Delgado, G. Alonso-Nu˜nez and J.R. Flores-Hernandez, Bimetallic Pt–Au nanoparticles supported on multi-wall carbon nanotubes as electrocatalysts for oxygen reduction, Renew. Energy 87 (2016) 31-41.
- Chen and A. Kucernak, Electrocatalysis under conditions of high mass transport rate: Oxygen reduction on single submicrometer-sized Pt particles supported on carbon, J. Phys. Chem. B, 108 (2004) 3262-3276.
- J. Janik, C.D. Taylorand and M.Neurock, First-principles analysis of the initial electroreduction steps of oxygen over Pt(111) J. Electrochem. Soc., 156 (2009) B126-B135.
- Eberle, B. Horstmann, Oxygen Reduction on Pt(111) in Aqueous Electrolyte: Elementary Kinetic Modeling, Electrochim. Acta, 137 (2014) 714-720.
- Ge, X. et al. Oxygen reduction in alkaline media: from mechanisms to recent advances ocatalysts. ACS Catal.5, 4643–4667 (2015).
- Liu, X.Y.Ling, X. Su and J.Y.Lee, Carbon-Supported Pt and PtRu Nanoparticles as Catalysts for a Direct Methanol Fuel Cell, J. phy. Chem. B, 197(2004) 7234-7249.
- Bock, C. Paquet, M. Couillar, G.A. Botton and B.R. MacDougall, Size-selected synthesis of PtRu nanocatalyst: reaction and size control mechanism., J. Am. Chem. Soc., 126 (2004) 7927-7933.
- A.C. Lucken, Nuclear quadrupole coupling constants. Academic Press, London (1969).
- A. Rafiee and T. Partoee, Investigation of the Binding Affinity between Styrylquinoline Inhibitors and HIV Integrase Using Calculated Nuclear Quadrupole Coupling Constant (NQCC) Parameters (A Theoretical ab initio Study) Bull. Kor. Chem. Soc. 32(2011) 297–212.
- A. Rafiee, Comparison of High Pressure-Induced Phases of Mg(AlH4)2 as Hydrogen Storage Using Ab Initio Calculated NQCC Parameters, Int. J. Nano Dim. 6(3) (2017)279–295.
- J. Frisch, G.W. Trucks, H.B. Schlegel, G.E. Scuseria, M.A. Robb, J.R. Cheeseman, V.G. Zakrzewski, J.A. Montgomery, Jr, R.E. Stratmann, J.C. Burant, S. Dapprich, J.M. Millam, A.D. Daniels, K.N. Kudin, M.C. Strain, O. Farkas, J. Tomasi, V. Barone, M. Cossi, R. Cammi, B. Mennucci, C. Pomelli, C. Adamo, S. Clifford, J. Ochterski, G. A. Petersson, P.Y. Ayala, P.Y. Cui, K. Morokuma, D.K. Malick, A. D. Rabuck, K. Raghavachari, J.B. Foresman, J. Cioslowski, J.V. Ortiz, B.B. Stefanov, G. Liu, A. Liashenko, P. Piskorz, I. Komaromi, R. Gomperts, R.L. Martin, D.J. Fox, T. Keith, M. A. Al-Laham, C. Y. Peng, A. Nanayakkara, C. Gonzalez, M. Challacombe, P.M.W. Gill, B. Johnson, W. Chen, M.W. Wong, J.L. Andres, C. Gonzalez, M. Head-Gordon, E.S. Replogle, and J.A. Pople, (2009), Gaussian 09 computer program.
- K. Nørskov, J.Rossmeisl, A. Logadottir, L. Lindqvist, J.R. Kitchin, T. Bligaard and H. Jonsson, Origin of the overpotential for oxygen reduction at a fuel-cell cathode.J. Phys. Chem. B 108 (2004) 17886-17892.
- Ma, G. Lin, ,Y.Zhou, Q. Liu, T. Zhang, G. Shan, M. Yang, J. Wang, A review of oxygen reduction mechanisms for metal-free carbon-based electrocatalysts. npj Comput Mater5 (2019)1-15.
- Katsounaros, W. Schneider, J.C. Meier, U. Benedikt, P.U. Biedermann, A.A. Auer, K.J. J. Mayrhofer, Hydrogen peroxide electrochemistry on platinum: Towards understanding the oxygen reduction reaction mechanism, Phys. Chem. Chem. Phys. 14 (2012) 7384-7391.
- Katsounaros and K.J.J. Mayrhofer, The influence of non-covalent interactions on the hydrogen peroxide electrochemistry on platinum in alkaline electrolytes, Chem. Commun. 48 (53) (2012) 6660-6662.
- Katsounaros, W.B. Schneider, J.C. Meier, U. Benedikt, P.U. Biedermann, Á. Cuesta, A. A. Auer and K.J.J. Mayrhofer, The impact of spectator species on the interaction of H2O2with platinum – implications for the oxygen reduction reaction pathways, Phys. Chem. Chem. Phys. 15 (21) (2013) 8058-8068.
)