سوختی………………………………………………………………………… 7
1-5-1- پیل سوختی پلیمری یا غشاء مبادله کننده پروتون…………………………… 7
1-6- پیل­های سوختی الکلی مستقیم………………………………………………………… 9
1-7- سوخت­های مورد استفاده در پیل­های سوختی الکلی……………………………….. 10
1-7-1- متانول به­عنوان سوخت……………………………………………………………….. 10
1-7-1-1- پیل سوختی متانول مستقیم…………………………………………………….. 11
1-7-2- 2-پروپانول………………………………………………………………………………. 15
1-7-2-1- پیل سوختی 2-پروپانولی مستقیم……………………………………………. 15
1-7-3- پروپیلن­گلیکول………………………………………………………………………. 16
1-7-3-1- پیل سوختی 1و2-پروپان­دی­ال مستقیم………………………………………….. 16
1-8- کاتالیست مورد استفاده در آند پیل­های سوختی……………………………………. 17
1-8-1- بهبود کاتالیست پلاتین با استفاده از بسترهای مختلف……………………….. 18
1-8-1-1- کربن بلک………………………………………………………………………….. 19
1-9- مطالعه اکسیداسیون الکل­ها روی الکتروکاتالیست­های بر پایه پلاتین………………….. 20
1-9-1- سینیتیک واکنش اکسیداسیون متانول در DMFC…………………………………..
1-9-2- مکانیسم اکسایش متانول………………………………………………………….. 22
1-9-2- اکسیداسیون 2-پروپانول و پروپیلن­گلیکول روی الکتروکاتالیست­های برپایه پلاتین……… 23
1-10- اهداف پروژه………………………………………………………………………………….. 29
فصل دوم مبانی نظری
2-1- مقدمه…………………………………………………………………………………… 31
2-2- تکنیک­های مورد استفاده……………………………………………………………….. 31
2-3- ولتامتری……………………………………………………………………………………. 32
2-3-1- ولتامتری با روبش خطی پتانسیل…………………………………………………… 32
2-3-2- ولتامتری چرخه‏ای………………………………………………………………….. 32
2-3-3- عوامل موثر در واکنش­های الکترودی در حین ولتامتری چرخه­ ای………………. 33
2-3-4- نحوه عمل در ولتامتری چرخه ­ای………………………………………………… 34
2-4- نمودارهای تافل…………………………………………………………………… 35
2-5- روش طیف­‏نگاری امپدانس الکتروشیمیایی………………………………………… 36
2-6- مشخصه­یابی سطح الکترود……………………………………………………………. 48
2-6-1- SEM…………………………………………………………………………………..
2-6-2- EDS………………………………………………………………………………………
فصل سوم: بخش تجربی
3-1- مواد شیمیایی……………………………………………………………………….. 41
3-2- دستگاه های مورد استفاده…………………………………………………………… 41
3-3- الکترود­های به­کار گرفته شده در روش­های ولتامتری………………………………… 44
3-4- تهیه کاتالیست پلاتین/کربن…………………………………………………………. 44

3-5-تهیه جوهر کاتالیست………………………………………………………………… 44
3-6- آماده­سازی الکترود کربن­شیشه………………………………………………… 45
فصل چهارم: بحث و نتیجه­ گیری
4-1- کلیات………………………………………………………………………………….. 47
4-2- بررسی ریخت­شناسی و تجزیه عنصری……………………………………………. 47
4-3- ولتامتری چرخه­ایPt/C در محلول قلیایی…………………………………………. 49
4-4- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر محلول بازی متانول………………. 51
4-4-1- بررسی ولتاموگرام چرخه­ای الکترود Pt/C/GC در محلول بازی متانول…………. 51
4-4-2- بررسی منحنی­ های EIS و کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسایش متانول…. 53
4-5- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر محلول قلیایی 2-پروپانول……….. 56
4-5-1- بررسی ولتاموگرام چرخه ای الکترود Pt/C در اکسیداسیون 2-پروپانول………… 56
4-5-2- بررسی منحنی­ های نایکوئیست و کرونوآمپرومتری کاتالیست Pt/C در اکسایش 2-پروپانول… 59
4-6- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر اکسیداسیون 1و2-پروپان دی ال……….. 60
4-6-1- ولتامتری چرخه ای الکترود Pt/C/GC در محلول قلیایی 1و2-پروپان دی ال…………… 60
4-6-2-بررسی پایداری Pt/C اکسیداسیون 1و2-پروپان دی ال………………………………… 62
4-7- بررسی عملکرد کاتالیست پلاتین/کربن در اکسیداسیون سوخت های مختلف…. 64
4-7-1- بررسی و مقایسه ولتاموگرام های چرخه ای الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان دی ال در محیط قلیایی…..65
4-7-2- مقایسه و بررسی نمودارهای ولتامتری روبش خطی Pt/C در اکسیداسیون الکل­های مختلف………67
4-7-3- مقایسه و بررسی نمودارهای تافل کاتالیست Pt/C در اکسیداسیون الکل ها…………. 68
4-7-4- بررسی نمودارهای کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل های مختلف… 69
4-7-5- مطالعات اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی الکترود Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل های مختلف.. 72
4-8-نتیجه گیری……………………………………………………………………………………….. 75
4-9-پیشنهادات…………………………………………………………………………………….. 76
4-10-منابع………………………………………………………………………………………. 77
چکیده:
در این پروژه ابتدا نانوکاتالیست پلاتین/کربن به وسیله ی کاهش شیمیایی نمک پلاتین با کاهنده شیمیایی سدیم بور هیدرید سنتز شد. ویژگی های ساختاری و مورفولوژی نانوکاتالیست سنتز شده با استفاده از طیف­سنجی پراکنش انرژی و میکروسکوپ روبش الکترونی مورد بررسی قرار گرفت. فعالیت و پایداری نانوکاتالیست Pt/C در الکترواکسیداسیون الکلهای مختلفی مانند متانول، 2- پروپانول و 1و2- پروپان­دی­ال در محیط قلیایی مورد بررسی قرار گرفت. تکنیک های ولتامتری چرخه ای، کرونوآمپرومتری و اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی برای بررسی واکنش اکسیداسیون استفاده شدند. Pt/C دانسیته جریان بالایی در اکسیداسیون 1و2- پروپان­دی­ال در مقایسه با متانول و 2- پروپانول نشان می دهد. مقدار پتانسیل آغازی برای Pt/C در اکسیداسیون 1و2- پروپان دی ال مقدار منفی تر نسبت به اکسیداسیون متانول دارد که این امر به دلیل سنتیک سریع واکنش اکسیداسیون 1و2- پروپان دی ال می­باشد. نتایج آزمایشات کرونوآمپرومتری تایید می­ کند که Pt/C دانسیته جریان پایدارتری در اکسیداسیون 1و2- پروپان دی ال نشان می ­دهد. نتایج حاصل از امپدانس الکتروشیمیایی پس از طی 100 چرخه نشان داد که مقاومت انتقال بار در اکسیداسیون 1و2- پروپان دی ال کمترین مقدار و برای 2-پروپانول بیشترین مقدار را دارد. دلیل این امر این است که در اکسیداسیون1و2- پروپان دی ال مقاومت کاتالیست در برابر جذب حد واسط بالاست و حد واسط ها به راحتی نمی­ توانند سایت های فعال واکنش را مسدود کنند.
فصل اول: مقدمه ای بر پیل های سوختی
1-1- مقدمه
امروزه در استفاده از سوخت ­های فسیلی که 80 درصد انرژی زمین را تأمین می­ کنند دو مشکل اساسی وجود دارد. اول اینکه ذخایر این سوخت ­ها محدود است و دیر یا زود تمام خواهند شد. دوم اینکه سوخت های فسیلی از عوامل اساسی ایجاد مشکلات زیست محیطی مثل گرم شدن کره زمین، تغییرات آب و هوایی، ذوب کوه های یخی، بالا آمدن سطح دریاها، باران های اسیدی، از بین رفتن لایه ازن و … هستند [1].
در اوایل سال 1970 استفاده از انرژی هیدروژن برای حل مشکلات ناشی از مصرف سوخت های فسیلی پیشنهاد شد. هیدروژن یک منبع انرژی عالی با ویژگی های فراوان است. هیدروژن سبک ترین، تمیزترین و پر­بازده ترین سوخت به­حساب می­آید. یکی از ویژگی های هیدروژن این است که طی فرآیندهای الکتروشیمیایی در پیل­های سوختی می­ تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود. قابل ذکر است بازده چنین تبدیلی در پیل سوختی بالاتر از راندمان یک موتور احتراق داخلی است که انرژی سوخت فسیلی را به انرژی مکانیکی تبدیل می­کند. علاوه بر این سوخت، سوخت های دیگری نیز همچون الکل ها به­خصوص متانول و اتانول به­دلیل چگالی بالای انرژی و آسانی ذخیره سازی و حمل آن­ها نیز مورد توجه قرار گرفته اند.
2-1- پیل سوختی چیست؟
پیل سوختی یک وسیله الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی سوخت را به­طور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل می­کند. معمولاً فرآیند تولید انرژی الکتریکی از سوخت های فسیلی شامل چند مرحلهتبدیل انرژیاست:
– احتراق که انرژی شیمیایی سوخت را به گرما تبدیل می­کند.
– گرمای تولید شده برای به جوش آوردن آب و تولید بخار استفاده می­شود.
– بخار، توربینی را به حرکت در می آورد و در این فرآیند انرژی گرمایی به انرژی مکانیکی تبدیل می­شود.
– انرژی مکانیکی باعث راه­اندازی یک ژنراتور و در نتیجه تولید انرژی الکتریکی می­شود.
در یک پیل سوختی برای تولید انرژی الکتریکی نیازی به عمل احتراق نیست و هیچ بخش متحرکی مورد استفاده قرار نمی ­گیرد، به­عبارت دیگر به­جای سه مرحله تبدیل انرژی، در یک مرحله انرژی الکتریکی تولید می ­شود (شکل1-1).
نکته مهم دیگر که به آن می توان اشاره داشت این است که این پیل ها موتورهای الکتروشیمیایی هستند نه موتور گرمایی و به­همین دلیل تابع محدودیت سیکل کارنو نبوده و لذا بازده آن­ها بالا می­ باشد.
مزایای فناوری پیل سوختی عبارتند از:
–آلودگی بسیار پایین و در حد صفر.
پیل­های سوختی که با هیدروژن کار می­کنند آلودگی در حد صفر دارند و تنها خروجی آن­ها هوای اضافی و آب می­ باشد. این ویژگی نیز باعث شده پیل های سوختی نه تنها برای حمل و نقل مورد توجه قرار گیرند بلکه برای کاربردهای خانگی و نظامی نیز مورد استفاده قرار گیرند. اگر پیل سوختی از سوخت دیگری برای تولید هیدروژن مورد نیاز خود استفاده کند یا اگر متانول را جایگزین هیدروژن در پیل سوختی کنیم آلودگی هایی از جمله دی­ اکسید کربن تولید می­شود، ولی مقدار این آلودگی­ها کمتر از آلودگی­هایی است که وسایل معمول تولید انرژی به­وجود می­آورند.
–وابستگی کمتر به نفت.
هرچند هیدروژن به سادگی در دسترس نیست ولی می­توان آن را از الکترولیز آب یا سوخت­های هیدروکربنی به­ دست آورد.
–عدم وجود بخش­های متحرک و طول عمر بالا.
از آنجایی که پیل سوختی هیچ بخش متحرکی ندارد از نظر تئوری در شرایط ایده­آل طول عمر یک پیل سوختی تا زمانی که سوخت به آن می­رسد می­ تواند بی نهایت باشد.
–وزن و اندازه.
پیل های سوختی در ظرفیت­های متفاوتی ساخته می­شود (از میکرووات تا مگاوات) که باعث می­شود برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گیرند.
– آلودگی صوتی بسیار پایین.
–راندمان بالا نسبت به فناوری های دیگر.
3-1- تاریخچه
در سال 1839 ویلیام گرو[1] فیزیکدان و روزنامه نگار انگلیسی اصول کار پیل سوختی را کشف کرد (شکل 1-2). گرو، چهار پیل بزرگ که هر کدام دارای ظرفی محتوی هیدروژن و اکسیژن بودند را برای تولید الکتریسیته به­کار برد. الکتریسیته حاصل آب را در یک ظرف کوچک تر به اکسیژن و هیدروژن تبدیل می ‎کرد [1].
اما سابقه تولید پیل سوختی به سال 1889 بر می­گردد که اولین پیل سوختی توسط لودویک مند[1] و چارلز لنجر[2] ساخته شد. در اوایل قرن بیستم تلاش­هایی در جهت توسعه پیل سوختی صورت گرفت. در سال 1995 پیل سوختی قلیایی پنج کیلو­واتی ساخته شد.
از سال 1960 سازمان فضایی آمریکا (ناسا) از پیل­های مزبور در سفینه­های جیمینی و آپولو جهت تولید الکتریسیته و تهیه آب مورد نیاز فضانوردان استفاده کرد. در طی دهه هفتاد فن­آوری پیل سوختی در وسایل خانگی و خودرو به­کار گرفته شد. اولین خودروی مجهز به پیل سوختی حدود سال 1970 توسط شرکت جنرال موتورز آمریکا ساخته شد. با سرمایه­گذاری جدی وزارت انرژی آمریکا از زمان جنگ خلیج فارس و نیز سرمایه گذاری بعدی این وزارتخانه فن­آوری پیل سوختی توسعه چشم­گیری پیدا کرده است.