استفاده از فناوری نانو برای بهبود عملکرد مجموعه الکترود و غشاء(mea)پیلهای سوختی هیدروژنی از طریق الکتروکاتالیست و لایه های جدید کاتالیستی

در این پروژه در بخش اول فیلم نانو کامپوزیت نانو ذرات پلاتین-کبالت رسوب کرده بر پایه نانو صفحات گرافن بر روی لایه نفوذ گازی توسط روش الکتروشیمیایی شامل چندین مرحله متوالی فرآیند الکتروشیمیایی ساخته شد. نانو ذرات پلاتین-کبالت با اندازه ذرات 11 نانومتر به روش همرسوبی جریان ثابت در حمام الکتروشیمیایی بر روی سطح نانو صفحات گرافن احیا شده به روش الکتروشیمیایی نشانده شدند. ویژگیهای توپوگرافی ، ساختاری ، مورفولوژی و ترکیب نمونه های فیلم تهیه شده بوسیله میکروسکوپ نیروی اتمی،اسپکتروسکوپی رامان،آنالیز طیف مادون قرمز، پراش اشعه ایکس، میکروسکوپ الکترونی با نشر میدانی و اسپکتروسکوپی پخش انرژی مشخص شدند. همزمان فعالیت کاتالیستی الکترودهای تهیه شده برای واکنش احیای اکسیژن توسط ولتامتری سیکلی ، ولتامتری با روبش خطی ،کرونوامپرومتری و اندازه گیریهای اسپکتروسکوپی امپدانس مورد ارزیابی قرار گرفت.اندازه گیریهای رامان ساختار گرافیتی صفحات گرافن تولید شده را تایید نمود. همچنین نانو ذرات فیلم بصورت کروی بوده و بخوبی در سطح نگه دارنده پخش شده بودند.خواص کاتالیتیکی الکترود pt-co/gnp/gdl با الکترود آماده شده با نمونه تجاریpt/c/gdl با استفاده از اندازه گیریهای پلاریزاسیون نیم سل بر اساس فعالیت جرمی و فعالیت ویژه مقایسه شد. الکترود پلاتین-کبالت نشانده شده بر روی صفحات گرافن فعالیت کاتالیتیکی بالایی برای واکنش احیای اکسیژن که به تغییرات ساختاری ایجاد شده توسط آلیاژ نمودن و مساحت سطح ویژه بالای نانوصفحات گرافن نسبت داده می شود از خود نشان داد. در بخش دوم الکتروکاتالیستpt/pani/wc/c برای افزایش فعالیت الکترواکسیداسیون متانول و واکنش احیای اکسیژن و بهبود پایداری الکتروکاتالیستpt/c تجاری توسعه پیدا کرد.برای این منظور کاربید تنگستن/کربن با پلی آنیلین در واکنش پلیمریزاسیون در جا با آنیلین پروتونه شد.نتایج طیف مادون قرمز حضور پلی آنیلین را در کامپوزیت نشان داد.همچنین هدایت تنگستن کاربید پوشش داده شده با پلی آنیلین با هدایت مخلوط های کاربید تنگستن و ولکان بطور جداگانه مقایسه شد. نتایج تفرق اشعه ایکس اندازه ذرات پلاتین پخش شده بر روی نگه دارنده را10 نانومتر نشان داد. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبش نشان داد که تنگستن کاربید در اندازه نانو بطور موفقیت آمیزی توسط پلی آنیلین پوشش داده شده اند. بر اساس خواص الکتروشیمیایی تعیین شده توسط ولتامتری سیکلی ، دفع مونواکسید کربن و اندازه گیریهای الکترود دیسک چرخان مشخص شد که الکتروکاتالیست pt/pani/wc/c فعالیت قابل مقایسه ای برای واکنش اکسیداسیون متانول و احیای اکسیژن نسبت به نمونه تجاری نشان می دهد. کاهش قابل ملاحظه ای در پیک پتانسیل الکترو اکسیداسیون مونواکسید کربن از 75/0 ولت برای نمونه تجاری به 52/0 ولت برای الکتروکاتالیستpt/pani/wc/c بیانگر افزایش فعالیت برای الکترواکسیداسیون مونواکسیدکربن با جایگزینی ولکان با تنگستن کاربید/کربن پوشش داده شده با پلی آنیلین هست.نتایج کرونوآمپرومتری همچنین نشان داد که در حضور متانول الکتروکاتالیستpt/pani/wc/cهنوز دانسیته جریان بالایی نسبت بهpt /wc/cوpt/c را نشان می دهد. در بخش سوم این مطالعه روش نوین دو مرحله ای برای تهیه کاتالیستcu/pt-pd با ساختار هسته-پوسته بر روی الکترود کاغذ کربنی برای پیل سوختی با غشاء پلیمری توسعه یافت. نانو ذرات مس با توزیع قطر160-84 نانومتر توسط رسوب الکتروشیمیایی با مدولاسیون پتانسیل بدست آمدند. در رسوب الکتروشیمیایی مس مرحله انتقال بار سریع بوده و سرعت رشد بوسیله سرعت انتقال جرم یونهای مس به مراکز رشد کنترل شد. بعد از رسوب الکتروشیمیایی جایگزینی فلز مس با پلاتین-پالادیوم بطور خود بخود با فرآیند ردوکس برگشت ناپدیر اتفاق افتاد. ماهیت و ترکیب الکترودptpd/cu بر روی کاغذ کربنی به ترتیب توسط میکروسکوپ الکترونی با نشر میدانی واسپکتروسکوپی پخش انرژی ایکس-ری تعیین شد. الکترود ptpd/cu تهیه شده ساختار هسته-پوسته با توزیع یکنواخت بر روی سطح با میانگین اندازه ذرات با قطر 41 نانومتر را نشان داد. فعالیت الکتروشیمیایی الکترود تهیه شده و الکترود نمونه تجاری در طی واکنش احیای اکسیژن توسط ولتامتری با روبش خطی مطالعه شدند. مقادیر پایین شیب تافل و انرژی فعال سازی بدست آمده بیان کردند که الکترودcu/ptpd با ساختار هسته-پوسته دارای فعالیت الکتروشیمیایی بالایی نسبت به کاتالیستpt/c می باشد. همچنین نتایج مساحت سطح فعال در طی تستهای تخریبی نشان می دهد کهcu/ptpd با ساختار هسته-پوسته دارای پایداری بالایی نسبت به نمونه تجاری می باشد. در بخش چهارم این مطالعه پلیمر هادی پلی آنیلین به منظور ترفیع ترکیب زیر لایه ماکروپرس در لایه نفوذ گازی با ولکان دوپه شد و عملکرد مجموعه الکترود و غشاء(mea) در سیستم تک سل پیل سوختی بررسی شد. نتایج نشانگر بهبود عملکرد mea با لایه ماکروپرس اصلاح شده در مقایسه با لایه اصلاح نشده می باشد.