چکیده
کامپوزیت های ورقه ای شکل کربن – نیتروژن (CNx)/ گرافن با مقدار زیاد نیتروژن (x ≤ 0.15) به وسیله ی عملیات کربوریزه کردن کامپوزیت تشکیل شده از پلی پیرول (PPy) و اکسید احیا شده (کاهش یافته) ی گرافن (r G O) در دمای 800-600 درجه ی سانتی گراد به دست آمدند . به منظور جلوگیری از تجمع PPy به جای ورقه های اکسید گرافن (G O) از (r G O) به عنوان زیرلایه استفاده شد زیرا ذرات کامپوزیت های PPy/GO به دلیل دی هیدراته شدن گروه های محتوی اکسیژن اضافی بر روی ورقه های GO در طول فرایند خشک کردن ، به راحتی کلوخه (آگلومره) می شود . PPy/rGO خشک شده و( CNx/گرافن ) های به دست آمده از آن ، پ€راکندگی بالا و ظرافت پودری خود را حفظ می کنند . مقدار کل نیتروژن کامپوزیت های آماده سازی شده ی ( CNx/گرافن ) در حدود 10 درصد و حالت نیتروژن آن ها معمولا نوع پیریدینیک یا گرافینیک است . کامپوزیت های( CNx/گرافن) عملکرد بسیار عالی ای در واکنش احیای اکسیژن که به طور اختصار ORR خوانده می شود . به عنوان فعالیت الکتروکاتالیستی ، پایداری و مصونیت در برابر هم گذری متانول (این اصطلاح در بخش متمم توضیح داده شده است .) و مسمومیت ناشی از CO دارند و بنابراین که پتانسیل خوبی برای استفاده به عنوان الکتروکاتالیست های عاری از فلز در ORR دارند .
مقدمه
پیل های سوختنی دمای پایین ذخیره ی انرژی پربازده و متناسبی با محیط زیست دارند که می توان در آینده از آن ها برای حمل و نقل وکاربردهای همراه انرژی(باتری) استفاده کرد . هرچند ، علی رغم تلاش های گسترده در سراسر دنیا در چند دهه ی اخیر کاربرد گسترده ی آن ها در زندگی روزمره به دلیل این که مشکلاتی از قبیل منابع کمیاب ، قیمت بالا و موضوعات پایداری در کاتالیزورهای تجاریPt/C جدید ، مخصوصا درکاتدهایی که در آن ها واکنش احیای اکسیژن (ORR) از نظر سینتیکی آهسته است وجود دارد ، هنوز یک چالش است . بنابراین ، انجام تحقیقات بر روی فلزات کم قیمت یا حتی کاتالیزورهای عاری از فلز با فعالیت و پایداری بالای ORR بسیار در توسعه ی پیل های سوختنی اهمیت دارند .
امروزه ، کربن های حاوی نیتروژن مانند ابرمولکول های دوره ای ، پلیمرها و نانومواد به عنوان نوع مهمی از بلوک های ساختمانی در آماده سازی کاتالیزورهای جایگزین Pt/C استفاده می شوند . ترکیبات کربن-نیتروژن (CNx) حاوی آهن یا کبالت ، فعالیت قابل ملاحظه ای درمقایسه با کاتالیزورهای Pt/C در سیستم های اسیدی دارند . پلی پیرول تصحیح شده با کربن و هیدروکسید کبالت می تواند به عنوان یک کاتالیزور کاتدی یا آندی در پیل های سوختنی بوروهیدرایدی مستقیم استفاده شود . نتایج جدیدی که از PEDOT های عاری از فلز و نانولوله های کربن حاوی نیتروژن (NCNTs) (Nitrogen Carbon Nano Tubes) برای سیستم های قلیایی گزارش شده است نشان می دهدکه آن ها فعالیت الکتروکاتالیستی ، پایداری و مصونیت در برابر همگذری متانول و مسمومیت CO ، خوبی دارند . خصوصا NCNT ها به خاطر مساحت سطح بالایشان ، پایداری حرارتی و شیمیایی خوب و همچنین هدایت الکتریکی بالا ، بسیار جذاب به نظر می رسند . تحقیقات نشان داده اند که با افزایش مقدارنیتروژن و تعداد عیوب در NCNT ها فعالیت الکتروکاتالیستی آن ها در برابر ORR بیشتر می شود . علاوه بر این نانولوله های (NCNT) یک بعدی ، ظهور گرافن حوزه ای جدید در تحقیقات بر روی الکتروکاتالیست های دوبعدی (2D) باز کرد . گرافن خواص مشابه زیادی با CNT ها ( نانولوله های کربنی بدون نیتروژن) دارد و صفحات دوبعدی آن در انتقال الکترون مفید بوده و بنابراین یک ماده ایده آل برای استفاده درالکترودها می باشد . گرافن های حاوی نیتروژن با غلظت نیتروژن پایین و در حدود 2%at تا 5% at را می توان با فرایند رسوب بخارشیمیایی یا با نیتریده کردن اکسیدگرافن ، ساخت . به منظور افزایش مقدار نیتروژن محققان یک پلیمر حاوی نیتروژن مانند پلی آنیلین یا پلی ملامین را بر روی سطح گرافن اکسید(GO) جمع کرده و کامپوزیت های پلیمر/ GO را به دست می آورند که این کامپوزیت ها می توانند با کربنیزه شدن به کامپوزیت های CNx /گرافن تبدیل شده و ORR را کاتالیزه کنند . چالش اصلی در آماده سازی پودرهای کامپوزیت های میانی پلیمر/ GO ، پرهیز از کلوخه شدن بعد از خشک سازی است زیرا این احتمال وجود دارد که ورقه GO دی هیدراته شود . بنابراین ، باید گروه های حاوی اکسیژن از روی ورقه های GO با روش احیا حذف شده و در عین حال پراکندگی زیاد GO های احیا شده (r G O) در محلول (جامد) حفظ شوند . در این مطالعه ، محلول(جامد) r G O بسیار پراکنده را به وسیله ی احیای هیدروترمال به دست آورده و سپس پلی پیرول (PPy) را به ورقه های r G O اضافه کرده و کامپوزیت PP/rGO تولید می شود . نهایتا کامپوزیت CNx/گرافن با مقدار نیتروژن حدود 10 درصد با یک کربونیزاسیون ساده به دست آمد . کامپوزیت های CNx/گرافن به عنوان یک الکتروکاتالیست عاری از فلز برای واکنش ORR با فعالیت الکتروکاتالیستی خوب ، پایداری عملیاتی طولانی وتحمل زیاد اثر همگذری (متانول) پتانسیل خوبی برای استفاده در پیل های سوختنی دارند.
این مقاله در نشریه اسپرینگر منتشر شده و ترجمه آن با عنوان احیای اکسیژن در سایت ای ترجمه به صورت رایگان قابل دانلود می باشد. جهت دانلود رایگان مقاله فارسی و انگلیسی روی عنوان فارسی (آبی رنگ) کلیک نمایید.
منبع:
Carbon-nitrogen/graphene composite as metal-free electrocatalyst for the oxygen reduction reaction
