پیل های سوختی به دلیل تبدیل مستقیم انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی در سال های اخیر بسیار مورد توجه بوده اند. از میان انواع مختلف، پیل سوختی متانولی مستقیم به عنوان گزینه ای مناسب جهت تولید انرژی در وسایل الکترونیکی قابل حمل، سهم قابل توجهی از تحقیقات پیل سوختی را به خود اختصاص داده است. اگرچه در حال حاضر پلاتین متداول ترین کاتالیست در پیل های سوختی متانولی مستقیم است، اما قیمت بالای آن یکی از موانع جدی در راه تجاری سازی این نوع پیل ها به شمار می رود. ازاین رو، هدف کلی این پایان نامه ارائه راه کارهایی در جهت افزایش بهره وری از کاتالیست پلاتین به منظور کاهش مقدار مصرفی آن و در نتیجه کاهش قیمت پیل سوختی متانولی مستقیم می باشد. در این راستا، پلاتین به روش های مختلف بر روی بستر کاغذ کربنی، که به عنوان لایه نفوذ گازی در پیل های سوختی متانولی مستقیم استفاده می شود، ترسیب گردید و فعالیت الکتروکاتالیستی آن در واکنش اکسایش متانول مورد بررسی قرار گرفت. در قسمت اول، یک راکتور ترسیب بخار شیمیایی طراحی و ساخته شد و با استفاده از آن نانولوله های کربنی مستقیماً بر روی کاغذ کربنی سنتز شدند. سپس، نانولوله ها با طلا پوشانده شده و با استفاده از ترسیب زیر پتانسیل مس و جایگزینی گالوانیک، تک لایه پلاتین بر روی نانولوله ها ترسیب گردید. فرایند ترسیب تک لایه پلاتین با روش ترسیب زیر پتانسیل بر روی کاغذ کربنی فاقد نانولوله کربنی نیز انجام شد. در قسمت دوم، نانوفیبرهای کربنی به روش شعله مستقیماً بر روی کاغذ کربنی سنتز شدند و با استفاده از روش میکروویو-پلی اُل نانوذرات پلاتین بر روی الکترود حاصل ترسیب گردید. فرایند ترسیب پلاتین بر روی الکترودهای کاغذ کربنی اصلاح شده با نانوفیبرهای کربنی با استفاده از ترسیب زیر پتانسیل مس و جایگزینی گالوانیک نیز انجام شد. در قسمت سوم، راه کار دیگری برای اصلاح بستر کاتالیست اتخاذ گردید. به این منظور، کاغذ کربنی در الکترولیت های مختلف تحت اکسایش الکتروشیمیایی قرار گرفت. سپس با استفاده از فرایند تعویض یونی- احیای الکتروشیمیایی، فلز مس بر روی الکترود اصلاح شده در شرایط بهینه، ترسیب گردید و با جایگزینی گالوانیک، پلاتین به جای مس قرار گرفت. روش های مختلف الکتروشیمیایی، پراش اشعه ایکس (xrd)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (tem) و پیمایشی (sem) و رامان تا حد امکان برای بررسی ساختار و خواص الکتروکاتالیست ها یا بستر آن ها مورد استفاده قرار گرفتند. فعالیت الکتروکاتالیست های سنتز شده برای واکنش اکسایش متانول در محیط اسیدی حاکی از فعالیت قابل ملاحظه آن ها و نقش بسیار موثر اصلاح بستر کاغذ کربنی در افزایش بهره وری از پلاتین می باشد.

در مسیر توسعه پیل های سوختی متانولی مستقیم محدودیت هایی وجود دارد که از آن جمله می توان به هزینه بالای ساخت، پایین بودن سینتیک واکنش های الکتروشیمیایی، مسمومیت الکتروکاتالیست، نشت متانول از محفظه ی آندی به محفظه ی کاتدی از میان غشای پلیمری و تخریب غشاء پلیمری اشاره نمود. در سال های اخیر محققان در پی یافتن راهکارهایی جهت کاهش این محدودیت ها برآمدند که از آن جمله می توان به استفاده از الکتروکاتالیست های گزینش پذیر جایگزین پلاتین و حذف غشای پلیمری اشاره نمود. در این پژوهش از این دو راهکار جهت ساخت پیل سوختی متانولی مستقیم با واکنش گر مخلوط بدون غشاء استفاده شده است. این نوع پیل های سوختی به دلیل مخلوط شدن سوخت و اکسیدان نیازمند استفاده از الکترو کاتالیست های آندی و کاتدی با گزینش پذیری بالا هستند. بر این اساس الکتروکاتالیست پلاتین-روتنیم بر روی بستر کربنی (ptru/c) به عنوان الکتروکاتالیست آندی برای اکسایش متانول و الکتروکاتالیست روتنیم-سلنیم بر روی بستر کربنی (ruse/c) به عنوان الکتروکاتالیست کاتدی، به دلیل گزینش پذیری در واکنش احیای اکسیژن، استفاده شد. با توجه به گزارش های پیشین نسبت مولی 1 به 1 پلاتین به روتنیم، به دلیل فعالیت الکتروکاتالیستی و مقاومت بالاتر در برابر مسمومیت ناشی از واسطه های تولید شده در اکسایش متانول، و نسبت مولی 4 به 1 روتنیم به سلنیم، به دلیل بالاتر بودن فعالیت الکتروکاتالیستی کاتدی، انتخاب شد. از کربن سیاه به عنوان بستر هر دو الکتروکاتالیست و روش مایکروویو-پلی ال به عنوان روش ساخت آن ها استفاده شد. دو الکتروکاتالیست آندی وکاتدی به روش های پراش پرتو ایکس، طیف سنجی ماوراء بنفش-مرئی، میکروسکوپ الکترونی روبشی، پرتو ایکس با تفکیک انرژی، ولتامتری چرخه ای و ولتامتری پیمایش خطی مشخصه یابی شدند. در ادامه یک پیل سوختی بدون غشاء با استفاده از لایه نشانی الکتروکاتالیست ها بر روی پارچه ی کربنی و قراردادن الکترودهای حاصل در یک محفظه ی پلیمری ساخته شد و با استفاده از کرونوپتانسیومتری، طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی و ترسیم منحنی های قطبش مشخصه یابی شد. اثر تغییرات دما، غلظت، فاصله دوالکترود، سرعت جریان محلول آندی، اثر نشاندن زیرلایه کربنی و نحوه نشاندن کاتالیست بر روی عملکرد پیل بررسی شد. بیشترین مقدار دانسیته توان خروجی گرفته شده از پیل سوختی ساخته شده 4 میلی وات بر سانتی متر مربع ثبت شد.

یون‏زدایی خازنی یک فرآیند نمک‏زدایی از آب شور مبتنی بر جذب یون‏های نمک برروی الکترودهایی است که به آنها یک ولتاژ مستقیم اعمال شده است، درست مشابه فرآیندی که در یک ابر خازن رخ می‏دهد. در ابتدا کارایی سه نوع الکترود مورد بررسی قرار گرفت؛ الکترود معمول حاوی کربن فعال (ace)، الکترود با افزودن 5 درصد از رزین‏های تبادل یون (ier5)، و الکترود با افزودن 10 درصد از منگنز دی اکسید (mnoe10). بررسی مشخصات عملکردی این الکترود‏ها نشان دهنده ظرفیت الکتریکی و ضریب جذب بالاتر الکترود mnoe10 (?mol/g1/31 ، f/g38) نسبت به ace ( ?mol/g96/4 ، f/g23) و iere5(?mol/g66/5 ،‏ f/g28) است. در بخش بعدی بهره‏وری انرژی دو الکترود cdi با و بدون افزودن mno2 بر اساس سه شاخص نسبت بازیابی انرژی، مقدار نمک جذب شده بر واحد انرژی در واحد حجم، و بازده ترمودینامیکی بررسی شد. این بررسی‏ها با اعمال زمان‏های مختلف تغییر وضعیت از حالت جذب به واجذب انجام گردید و نشان داد که بهره‏وری سامانه cdi علاوه بر نوع الکترود به غلظت آب شور و زمان تعویض از جذب به واجذب نیز بستگی دارد. علاوه بر این مشاهده شد که بر خلاف معمول که الکترود‏های حاوی mno2 دارای عملکرد بهتری است، این الکترود بسته به شاخص مورد استفاده در مقایسه کارایی الکترود می‏توان عملکرد بهتر یا ضعیف‏تری نسبت به الکترود فاقد mno2 داشته باشد.