توصيفگر ها :
الكتروكاتاليست , باتري روي-هوا , روي اكسيد , كربن دي اكسيد , واكنش كاهش اكسيژن
چكيده فارسي :
در فصل اول اين پايان¬نامه، معرفي باتري¬هاي روي-هوا، الكتروكاتاليست¬هاي آن¬ها و چالش¬هاي مربوط به اين باتري ارائه خواهد شد و هم چنين پژوهش¬هاي انجام شده توسط ديگر محققان بررسي مي¬شود. هدف از اين پايان نامه يك بررسي مقايسه¬اي بين عملكرد الكتروشيميايي كاتاليست¬هاي Fe-Co/Kb و 30 درصد وزني Pt/C در حضور ناخالصي¬هاي روي اكسيد و كربنات است. در فصل دوم وسايل، مواد آزمايشگاهي و روش انجام آزمون ها ارائه شده است.
در فصل سوم، در ابتدا ريز ساختار سطحي كاتاليست¬ها توسط تكنيك ميكروسكوپ روبشي خطي مورد مطالعه قرار گرفت و اين نتيجه حاصل شد كه Fe-Co/Kb داراي ذرات با اندازه¬هاي بسيار ريز تا درشت است و داراي سطح و تخلخل بيشتري است. سطح ويژه¬ي كاتاليست¬ها اندازه گيري شد و سطح ويژه¬ي Fe-Co/Kb به دليل استفاده از ketjen black حدود 5 برابر بيشتر از Pt/C است. در بخش بعدي فعاليت الكتروشيميايي كاتاليست¬ها در يك سيستم سه الكترودي مطالعه شد. براي بررسي تاثير ناخالصي¬هاي روي اكسيد و كربنات، مقادير مختلف اين ناخالصي¬ها به الكتروليت پتاسيم هيدروكسيد اضافه شد. با استفاده از ولتامتري چرخه¬اي و ولتامتري روبش خطي مشاهده شد كه براي Fe-Co/Kb پتانسيل پيل از 15/0- ولت نسبت به Ag/AgCl به حدود 05/0- ولت و براي كاتاليست پلاتين از 3/0- ولت به 2/0- ولت تغيير داشته است. يعني ناخالصي¬ها تا حدي سينتيك كاهش اكسيژن را بهبود داده¬اند كه مي¬تواند به دليل جذب بهتر اكسيژن باشد. كرونوآمپرومتري در الكتروليت¬هاي ذكر شده به منظور بررسي نرخ نگهداري جريان كاهشي توسط كاتاليست¬¬ها انجام شد و مشاهده شد براي كاتاليست فلز غير نجيب در پتانسيل 12/0- ولت نرخ نگداري جريان كاهشي در الكتروليت بدون ناخالصي¬هاي روي¬اكسيد و كربنات 2 برابر الكتروليت حاوي ناخالصي¬ها است و در مورد كاتاليست پلاتين در الكتروليت حاوي كربنات نرخ نگداري جريان كاهشي، بيشتر از الكتروليت ها¬ي بدون ناخالصي و حاوي ناخالصي روي¬اكسيد و 180 ثانيه بود. امپدانس الكتروشيميايي به منظور بررسي مقاومت تماسي و مقاومت انتقال بار در سطح كاتاليست¬ها در پتانسيل¬هاي كاهشي انجام شد و براساس نمودار¬هاي نايكسيت براي Fe-Co/Kb، Rohm با افزودن روي اكسيد و كربنات از 44/49 به ترتيب به 04/44 و 56/41 اهم كاهش يافت؛ در اين مورد ناخالصي ها باعث كاهش مقاومت پيل شد و در مورد پلاتين با افزودن روي اكسيد و كربنات از 42/25 به 52/43 و 74/16 اهم تغيير داشت، ناخالصي كربنات باعث كاهش مقاومت شد.
در بخش سوم به منظور بررسي عملكرد كاتاليست¬ها در باتري روي-هوا ، دو باتري روي هوا بر پايه ي كاتاليست¬هاي Fe-Co/Kb و 30 درصد وزني Pt/C ، به عنوان كاتاليست كاتدي ساخته¬شد. آزمون¬هاي تخليه¬ي باتري در چگالي جريان¬هاي مختلف انجام شد. براساس نتايج حاصل باتري¬ها عملكرد نزديك به هم داشتند. در پتانسيل 1 ولت، چگالي توان mW/cm2240 و چگالي جريان mA/cm2300 براي كاتاليست Fe-Co/Kb و براي كاتاليست پلاتين چگالي توان mW/cm2250 و چگالي جريان mA/cm2320 مشاهده¬شد. آزمون تخليه باتري در چگالي جريان mA/cm220 انجام شد و باتري بر پايه ي كاتاليست Fe-Co/Kb به مدت 1 ساعت و 15 دقيقه و باتري مبتني بر كاتاليست پلاتين به مدت 1 ساعت و 40 دقيقه افت پتانسيل را نشان دادند. براساس آزمون امپدانس، Rohm، Rct1 و Rct2 براي Fe-Co/Kb برابر با 55/0 و 267/0 و 68/2 اهم و براي پلاتين برابر با 455/0 و 103/0 و 456/0 اهم به¬دست¬آمد. بر اين اساس عملكرد باتري مبتني بر كاتاليست فلز غير نجيب قابل مقايسه با باتري مبتني بر كاتاليست پلاتين ارزيابي شد.
چكيده انگليسي :
At the beginning of this thesis, a review of zinc-air batteries, their electrocatalysts, and the challenges related to this battery, as well as the research done by other researchers, was done. The purpose of this thesis is a comparative investigation of the electrochemical performance of Fe-Co/Kb catalysts and 30 wt% Pt/C in the presence of zinc oxide and carbonate impurities. At first, the surface microstructure of the catalysts was studied by linear scanning microscope technique and it was concluded that Fe-Co/Kb has particles with very small to large sizes and has more surface area and porosity. The specific surface of the catalysts was measured and the specific surface of Fe-Co/Kb is about 5 times higher than Pt/C due to the use of ketjen black. The electrochemical activity of the catalysts was studied in a three-electrode system. To investigate the effect of zinc oxide and carbonate impurities, different amounts of these impurities were added to the potassium hydroxide electrolyte. Using cyclic voltammetry and linear scanning voltammetry, it was observed that for Fe-Co/Kb, the cell potential was from -0.15 V vs. Ag/AgCl to -0.05 V, and for platinum catalyst from -0.3 V, it has changed to -0.2 V. That is, the impurities have partially improved the kinetics of oxygen reduction. Chronoamperometry was carried out to check the current density concerning the time at certain potentials and it was observed that for the non-noble metal catalyst at the potential of -0.12 V by adding zinc oxide, the current density changed from 27 to 65 and 40 mA/cm2, respectively. found, and in the case of the platinum catalyst, it was changed from 8.4 to 6.6 and 20 mA/cm2, respectively, at the potential of -0.3. Electrochemical impedance was carried out to check the contact resistance and charge transfer resistance on the surface of the catalysts in reducing potentials and for Fe-Co/Kb, Rohm with the addition of zinc oxide and carbonate increased from 49.44 to 44.04 and 56.04 Ohm; In this case, the impurities decreased the ohmic resistance of the battery, and in the case of platinum, by adding zinc oxide and carbonate, it changed from 25.42 to 43.52 and 16.74 Ohm, the carbonate impurity decreased the ohmic resistance. In the next part, two air batteries were made based on Fe-Co/Kb catalysts and 30% Pt/C by weight. Battery discharge tests were performed at different current densities. Based on the results, the batteries had similar performance. At a potential of 1 V, the power density of 240 mW/cm2 and the current density of 300 mA/cm2 were observed for the Fe-Co/Kb catalyst, and for the platinum catalyst, the power density was 250 mW/cm2 and the current density was 320 mA/cm2. The battery discharge test was performed at a current density of 20 mA/cm2 and the battery based on Fe-Co/Kb catalyst for 1 hour and 15 minutes and the battery based on the platinum catalyst for 1 hour and 40 minutes showed a potential drop. Based on this, the performance of the battery based on the non-noble metal catalyst was evaluated as comparable to the battery based on the platinum catalyst.