بهینه سازی ساخت آند ni/gdc و بررسی فرایند آغشته سازی آن با نانوکاتالیزورهای فلزی

استفاده بی رویه از ذخایر سوخت فسیلی (ذغال سنگ، نفت و گاز) برای تولید برق در دو قرن اخیر، موجب اتمام این منابع انرژی و افزایش آلاینده های زیست محیطی در جهان شده است به طوری که کشورهای مختلف برای انتخاب و تامین مناسب ترین فناوری های انرژی پاک، ارزان، کوچک و کارامد نسبت به منابع سوخت فسیلی و هسته ای، با چالش مواجهه شده اند. پیل سوختی اکسید جامد (sofc)، وسیله مناسبی برای تبدیل انرژی شیمیایی سوخت به انرژی الکتریکی است. sofc نسبت به انواع دیگر پیل های سوختی، به دلیل مواد نسبتا ارزان، دوام الکترولیت جامد، تنوع سوخت مصرفی، راندمان کاری بالاتر و توان برق بیشتر، هم اکنون در زمره تجهیزات تولید برق کارامد به شمار می رود. عملکرد دما بالای sofc، موجب تخریب حرارتی، کاهش عمر و افزایش هزینه می شود آنقدر که هدف اصلی در توسعه sofc، کاهش دمای کاری است. برای جبران تلفات الکتریکی حاصل از کاهش دما، نیاز به الکترولیت هایی با هدایت الکتریکی بالاتر و نیز ارتقا کارایی کاتد و آند است. سرمت نیکل/سریا دوپه شده با گادولینیم (ni/gdc)، با هدایت الکتریکی بیشتر نسبت به آند نیکل/زیرکونیا تثبیت شده با ایتریا (ni/ysz)، به عنوان آند معمول پیل سوختی اکسید جامد (sofc) در دمای بالا و متوسط بکار می رود. اهمیت کاهش دمای کاری ایجاب می کند تا کارایی آند ni/gdc به منظور کاربرد در دمای پایین، ارتقا یابد. در این پژوهش، برای اولین بار از آسیاب پرانرژی در قیاس با آسیاب معمولی جهت آماده سازی تر پودر nio0.6:gdc200.4 wt% استفاده شد. تاثیر نوع آسیاب مکانیکی تر بر ریزساختار پودر، کامپوزیت، سرمت و آند به کمک آنالیزهای psa، xrd و sem و نیز بر کارایی آند ni/gdc در سوخت h2 مرطوب در محدوده c° 600-400 (lt-sofc) بوسیله طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (eis) آندی مورد بررسی قرار گرفت. در اثر 2 ساعت آسیاب کاری، پودر نانوکامپوزیت nio/gdc با اندازه ذرات ریزتر، اندازه دانه کوچکتر و کرنش پسماند بیشتر نسبت به پودر حاصل از آسیاب معمولی بدست آمد. شدت فرایند آسیاب و خواص مکانیکی فازهای nio و gdc بویژه مدول یانگ در این رابطه تعیین کننده بود. پودرهای nio/gdc به روش چاپ توری روی الکترولیت gdc، شکل دهی و سینتر شدند. با بهبود نفوذ ماده در دمای سینتر c°1350، ریزساختاری متخلخل با اتصالات سطح-به-سطح بین ذرات حاصل شد. توزیع همگن ذرات شبه کروی منجر به رشددانه محدود ریزساختار کامپوزیت nio/gdc تهیه شده از پودر آسیاب پرانرژی شد. اندازه گیری eis آندی به کمک پیل ni/gdc|gdc|pd و تحلیل سازوکار کارایی آند براساس شبیه سازی مدار معادل الکتریکی انجام گردید. بهینه سازی ساخت آند ni/gdc با کاربرد پودر آسیاب پرانرژی علاوه بر 35% کاهش مقاومت پلاریزاسیون آندی و 20% کاهش انرژی فعالسازی مربوط به واکنش اکسایش h2، فرایندهای انتقال بار و تفکیک/جذب/نفوذ h2، منجر به رشددانه کمتر پس از عملکرد lt-sofc به دلیل توزیع همگن ذرات در ریزساختار شد. این امر نقش موثر اصلاح ریزساختاری پودر را در اثر آسیاب پرانرژی بر کارایی آند ni/gdc اثبات نمود. در مرحله بعد، آند بهینه به منظور افزایش بیشتر کارایی، تحت فرایند آغشته سازی تر کاتالیزورهای فلزی m=pt,pd,rh,ru قرار گرفت و برای اولین بار، از پیش ماده های کلریدی استفاده گردید. ریزساختار و کارایی آندهای آغشته سازی شده m-ni/gdc برای واکنش اکسایش h2 در lt-sofc بررسی شد. نتایج آغشته سازی mg/cm2 03/0 کاتالیزورهای m در آند ni/gdc، افزایش اندازه نانوذرات را به ترتیب pd>pt>rh>ru نشان داد. قابلیت سینتر نانوذرات براساس ttamman و تمایل به تبخیر فلزات کاتالیزوری در محیط احیا، علت روند مذکور تشخیص داده شد. مقایسه مقاومت پلاریزاسیون آندهای آغشته سازی شده بدون تاثیرپذیری از اندازه نانوذرات، نشانگر افزایش کارایی آندها به ترتیب آغشته سازی با pd>ru>pt>rh بود. ارتقا بیشتر کارایی آند pd-ni/gdc ناشی از برتری خواص کاتالیزوری پالادیم برای اکسایش h2 نسبت به دیگر کاتالیزورها تشخیص داده شد. در نهایت، تاثیر آغشته سازی پالادیم با 1 تا 8 بار بارگذاری بر ریزساختار و کارایی آندهای آغشته سازی شده pd-ni/gdc برای اکسایش h2 به تفصیل مورد بررسی قرار گرفت. با کاهش دمای تکلیس به c°600، فاز pdo، نشانگر عدم حضور فاز کلریدی تضعیف کننده کاتالیزوری تشخیص داده شد. دراحیا درجا در محیط هیدروژن، تشکیل بلورک های pd0 فلزی رشدیافته در امتداد صفحات {111} و pdhx، موید سازوکار سرریزی h2 برای انتقال گونه فعال هیدروژن بود. کارایی آندهای pd-ni/gdc، متاثر از میزان بارگذاری پالادیم، ابتدا کاهش و در بارگذاری های بیش از حد معمول، به نحو چشمگیری (حدود100%) افزایش یافت. دلیل این موضوع، تغییر سازوکار نانوساختارسازی پالادیم، از کلوخه سازی شدید به سمت تشکیل سازه متخلخل بهم پیوسته ای از نانوذرات ریزدانه (nm40?) بدون ارجحیت در پوشش ذرات ni یا gdc بود. بررسی xps آند mg/cm2 pd-ni/gdc 26/0 نشان داد که بواسطه آزمون پیل، 45 درصد از pd0 فلزی حاصل از احیا به pdo تبدیل می شودکه نتیجه انتقال گونه های فعال اکسیژن gdc به نانوذرات پالادیم و مشارکت آنها در اکسایش h2 از طریق سرریزی اکسیژن بود. ظهور pd0/pdo، شاهد مستقیمی برای انتقال گونه های فعال اکسیژن و هیدروژن با سازوکار سرریزی تحت lt-sofc، نشانگر تغییر محل های فعال واکنش اکسایش h2 در اثر بارگذاری پالادیم از سطح آند ni/gdc به زوج ردکس pd0/pdo و موید حفظ بهتر مشخصه نانومتری ذرات در آند pd-ni/gdc بود. کلید واژه: lt-sofc، آند ni/gdc، آسیاب پر انرژی، آغشته سازی، نانوذرات فلزی.