تولید نانو ذرات کربنی متخلخل از پیش ماده‌های نانوهیبرید گالات لایه‌ای روی و بررسی کاربردآن به‌عنوان کاتالیست کاتد پیل سوختی پلیمری

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

مقاله 9، دوره 6، شماره 22- زمستان 94، بهمن و اسفند 1394، صفحه 111-126   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

مرضیه آزادفلاح¹؛ محمد یگانه قطبی^{* 2}؛ سید صابر میرحسینی سید صابر میرحسینی³

¹ارشد مهندسی مواد- سرامیک، گروه مهندسی مواد، دانشگاه ملایر.

²استادیار، عضو هیئت علمی گروه مهندسی مواد، دانشگاه ملایر

³کارشناسی ارشد مهندسی مواد- شناسایی و انتخاب مواد مهندسی، گروه مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی مالک اشتر اصفهان

تاریخ دریافت: 31 اردیبهشت 1395،  تاریخ پذیرش: 31 اردیبهشت 1395 

چکیده

 هیدروکسیدهای فلزی فاز آلفا –LH)α( مواد لایه­ای هستند که ساختاری شبیه به هیدروکسیدهای لایه­ای معروف­تر LDH دارند. –LHα و نانوهیبریدهای آن­ها پیش ماده­های مناسبی برای ساخت نانوساختارهای اکسیدی فلزی دوپ شده و دوپ نشده، فلزات و آلیاژهای فلزی، هم­چنین، برای مواد کربنی و کامپوزیت­های کربن و اکسید فلزات هستند. در این­ مقاله به روش سنتز هم رسوبی، نانو هیبرید آلی- معدنی هیدروکسیدی لایه­ای فاز آلفا با استفاده از نیترات هیدروکسید روی (Zn₅(OH)₈(NO₃)₂) تولید گردید و فلزات واسطه­ای همچون Al³⁺,Fe²⁺,Co²⁺,Ni²⁺درون ساختار آن دوپ شد و منبع کربنی گالیک اسید بین لایه­های آن افزوده شد، سپس نانوهیبرید ایجاد شده در دمای 1000 و 900 درجه سانتی گراد در اتمسفر خنثی نیتروژن، عملیات حرارتی شده و منجر به تولید مواد کربنی به همراه اکسیدهای فلزی گردید. در انتها برای از بین بردن اکسید­های فلزی تولید شده، محصول اسید شویی شد. کاربرد ماده کربنی تولید شده به­عنوان الکتروکاتالیست در کاتد پیل سوختی پلیمری بررسی شد. در همه الکترودها به دلیل وجود کربن متخلخل و هم­چنین، نیتروژن موجود در ساختار کربن، انتقال الکترون بهتر و واکنش احیای اکسیژن سریع­تر انجام شد. پتانسیل‌های مدار باز بدست آمده از آنالیز LSV مقادیری در رنج V1/1-9/0 برای همه کاتالیست­های فلزی غیر گرانبها نشان داد. این مقادیر به مقدار تئوری احیای پتانسیل استاندارد اکسیژن (V2/1)بسیار نزدیک بوده است. دانسیته جریان تبادلی برای تمامی الکترودها مضربی از^4-10 یا ^5-10 ویا ^6-10 و   هم­چنین، شیب تافلی بدست آمده برای بیش­تر الکترودها در محدوده­ mv/dec100تا 140 بوده که بسیار نزدیک به پلاتین می­باشد.

کلیدواژه‌ها

هیدروکسید لایه‌ای فاز آلفا؛ نانو هیبرید آلی- معدنی؛ پیل سوختی پلیمری؛ کاتد؛ ولتامتری روبشی خطی

عنوان مقاله [English]

Production of Porous Carbon Nanoparticles by Usingzinc Layered Gallate Nanohybrid Precursors and Investigate Its Aapplications as Polymeric Fuel Cell Cathode Catalyst

نویسندگان [English]

M Azadfalah¹؛ M yeganeh Ghotbi²؛ S. S Mirhosseini³

چکیده [English]

The α–phase metal hydroxides are layered materials whose structure is similar to that of thebetter studied layered hydroxides, LDHsα.– LHs and their nanohybrids have been suitable precursors tomake undoped and doped nanostructured metal oxides, metal and metal alloys as well as carbonmaterials and metal oxide carbon composites.In this research with co-perception synthesis method, organic/inorganic nanohybridα–phase layered hydroxide by zinc hydroxide nitrate(Zn₅(OH)₈(NO₃)₂) was produced and The initial layered materials were doped with transition metals such as Ni, Co, Fe, Al ions and carbonic resource of gallic acid added among layers. Then obtained nanohybrids were heat-treated at 900 and 1000 °C under an inert atmosphere N₂andresulting in the production of carbon materials and metal oxides.Finally, for remove the obtained metal oxides,acid etching was done.Application of produced carbon materials was investigated as elecrocatalysts in polymeric fuel cell cathode. At all electrodes due to existence of mesoporouscarbonand also nitrogenin carbon structure, excellent electron transition and faster Oxygen reduction reaction was done. Open circuit voltage that obtained from analysis of LSV showed values in range of 0/9-1/1 V for all non-precious metal catalysts. These values are very close to the theatrical amount for oxygen standard reduction potential (1.2 V). Exchange current density for all electrodes is multiple of 10^-4 or 10^-5 or 10^-6 and also obtained tofel slope for major electrodes being in range of 100-140 mv/dec that is very close to pt.

کلیدواژه‌ها [English]

α–Phase Layered Hydroxide, Organic-Inorganic Nanohybrid, Polymeric Fuel Cell, Cathode¸ Linear Sweep Voltammetry

مراجع

1- M. Y. Ghotbi, "a–Phase Layered Hydroxides, Synthesis, Types, Nanohybrids in: A. C. Carillo and D. A. Griego (ED.), Hydroxides: Synthesis, Types and Applications", Nova Science Publishers, New York, pp.141-168,2012.

2- P. S. Braterman, Z. P. Xu, F. Yarberry, " Handbook of Layered Materials", Editor, S. M. Auerbach and K. A. Carrado and P. K. Dutta, Marcel Dekker, New York, NY, USA, 2004.

3-G. G. C. Arizaga, K. G. Saty anarayana, and F. Wypych, "Layered Hydroxide Salts: Synthesis, Properties and Potential Applications", Solid State Ionics, 178, pp.1143-1162, 2007.

4-F. Cavani, F. Trifiro, and A. Vaccari, "Hydrotalcite-Type Anionic Clays: Preparation, Properties and Applications". Catal , 11, pp. 173-301, 1991.

5-M. Z. B. Hussein,M. Y. Ghotbi, A. H. Yahaya, and M. Z. Abd Rahman, "The Effect of Polymers onto the Size of Zinc Layered Hydroxide Salt and its Calcined Product", Solid State Sci, 11, pp. 368-375, 2009.

6-G. Wua, Z. Chena, K. Artyushkovab, F. H. Garzona, and P. Zelenaya, "Polyaniline derived Non-Precious Catalyst for the Polymer Electrolyte Fuel Cell Cathode", The Electrochemical Society, 16, pp.159-170, 2008.

7-M. Y.Ghotbi, M. Z. b. Hussein, A. H. Yahaya , and M. Z.Abd Rahman, "Thermal Decomposition Pathway of Undoped and Doped Zinc Layered Gallate Nanohybrid to Produce Mesoporous and High Pore Volume Carbon Material", Solid State Sci, 11, pp.2125-2132, 2009.

8-A. Yasutake,S. Aisawa, S. Takahashi, H. Hirahara and E. Narita, "Synthesis of Biopolymer Intercalated Inorganic-Layered Materials: Intercalation of Collagen Peptide and Soybean Peptide into Zn-Al Layered Double Hydroxide and Layered Zinc Hydroxide", Phys. Chem. Solids, 69, pp.1542-1546, 2008.

9-S. P. Newman, and w. Jones, "Comparative Study of Some Layered Hydroxide Salts Contiaining Exchangeable Interlayer Anions", Solid State Chem, 148, pp.26-40, 1999.

10-J.S. Hu, W.J. Jiang, Y.P. Xiao, Z.D.Wei, and L.J. Wan, "Nanostructuring Catalysts to Enhance Electrocatalytic Performance for Fuel Cell Applications", The Electrochemical Society,pp.12-19, 2014.

11-U. S. Ozkan, K. Mamtani, D. Singh, J. Tian and J. T. Miller, "Nitrogen-Containing Carbon Nanostructures (CN) Iron-Nitrogen-Carbon(Fe-N-C) as Non-Noble Metal Catalysts for Oxygen Reduction Reaction (ORR) in Acidic Media", The Electrochemical Society, 26, pp. 1533-1533, 2014.

12-م. قرطاول، "رسوب دهی الکتروشیمیایی نانوذرات پلاتین بروی نانولوله­های کربنی"، پایان­نامه کارشناسی ارشد مهندسی خوردگی و حفاظت مواد، دانشگاه صنعتی شریف،1389.

13-J. Y. Cheon, ChiyeongAhn, D. J. You, Ch. Pak, and Et. al, "Ordered Mesoporous Carbon–Carbon Nanotube Nanocomposites as Highly Conductive and Durable Cathode Catalyst Supports for Polymer Electrolyte Fuel Cells" , Mater. Chem. A,46, pp 2034-2045,2013.

14-R. D. Braun, "Introduction to Instrumental Analysis", Chem. Educ, 65, pp. 336-337,1988.

15-G. Wu, Ch. Dai , D. Wang, D. Li and N. Li, "Nitrogen-Doped Magnetic Onion-Like Carbon as Support for Pt Particles in a Hybrid Cathode Catalyst for Fuel Cells", Materials Chemistry, 20, pp.3059-3068,2010.

16-G. Wu , and P. Zelenay , "Mn-Based Non-Precious Catalyst for the Polymer Electrolyte Fuel Cell Cathode",21, pp. 951-951,2014.

17- ا.حیدری، م.جعفری و ع.صفار تلوری، سنتز و مشخصه یابی کامپوزیت های نانوکریستالی اکسید روی با سطح ویژه بالا نشانده شده در زمینه سیلیکا- آلومینا به روش سل-ژل، مجله مواد نوین، جلد4، شماره 1، پاییز 1392.

18- ا.اعتضادی، م.نصر اصفهانی و ا.صائب نوری، "بازدارندگی از خوردگی مس به وسیله فیلم های لایه نازک خود مجموعه ساز شیف باز در محیط های اسیدی"، مجله مواد نوین، جلد5، شماره 1، پاییز 1393.

19-M. Z. b. Hussein, M. Y. Ghotbi , A. H. Yahaya , and M. Z. AbdRahman, "Synthesis and Characte- Rization of (Zinc-Layered-Gallate) Nanohybrid Using Structural Memory Effect", Mater. Chem. Phys, 113, pp.491-496, 2009.

20-G. Wua, K. L. More, Ch. M. Jahnston, and P. Zelenaya, "High Performance Electrocatalysts for Oxygen Reduction Drived from Polyaniline, Iron and Cobalt", Science, pp.443-447, 2011.

21-Z. P. Xu and H. C. Zeng, "Control of surface areaand Porosity of Co₃O₄ Via intercalation of Oxidative or Nonoxidetive Anions in Hydrotalicte-like Precursors", Phys. Chem, 12, pp.3450-3465, 2000.

22-M. Y.Ghotbi, M. Z. b. Hussein, A. H. Yahaya , and M. Z.AbdRahman, "Thermal Decomposition Pathway of Undoped and Doped Zinc Layered Gallate Nanohybrid With Fe³⁺, Co²⁺ and Ni²⁺to Produce Mesoporous and High Pore Volume Carbon Material", Solid State Sci, 11, pp.2125-2132, 2009.

23-R. S. Hsu, "Nanostructured Non-Precious Metal Catalysts for Polymer Electrolyte Fuel Cell", A thesis Presented to the University of Waterloo in Chemical Engineering Waterloo, Ontario, Canada, 2010.