شماره مدرك
18567
شماره راهنما
2066 دكتري
پديد آورنده
عسگري، مسعود
عنوان
توسعه الكتروكاتاليست هاي نانوساختار بر پايه نيكل توليدشده به روش الكترولس جهت كاربرد در توليد هيدروژن
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
مواد
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1402
صفحه شمار
چهارده، 118ص. : مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
واكنش احياء هيدروژن , خواص الكتروكاتاليستي , فلزات واسطه , پوشش دهي الكترولس
تاريخ ورود اطلاعات
1402/03/16
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي مواد
دانشكده
مهندسي مواد
تاريخ ويرايش اطلاعات
1402/03/17
كد ايرانداك
2934216
چكيده فارسي
در اين پژوهش، ابتدا پوشش الكترولس دوتايي نيكل-فسفر و سپس پوشش الكترولس سهتايي Ni-P-M (M در اين مطالعه تنگستن، موليبدن وكبالت در نظر گرفته شده است) پوشش داده شدند و مورد بررسي خواص الكتروكاتاليستي قرار گرفتند. در پوشش دوتايي Ni-P مطالعات الكتروشيميايي نشان داد كه نمونه با درصد فسفر متوسط (MP) كه در pH تقريباً 6/4 پوشش دادهشده است و ساختاري آمورف-كريستالي را دارد، بهترين خواص الكتروكاتاليستي را داشته است. در اين نمونه 312 η10 = -، 349-η20 = و 429- η100= بوده است. با اينكه اين نمونه نسبت به بقيه نمونههاي پوشش دادهشده نتايج بهتري داشته اما مقايسه اين نتايج با عملكرد الكترودهاي توليد شده در ديگر مطالعات نتايج خوبي نداشته است، از اينرو پوشش¬دهي الكترولس آلياژي با سه عنصر آلياژي در دستور كار قرار گرفت. براي پوشش¬دهي آلياژي Ni-W-P از سديم تنگستات، براي پوشش¬دهي آلياژي Ni-Mo-P از سديم موليبدات و براي پوشش¬دهي آلياژي Ni-Co-P از كلريد كبالت استفاده شد. با توجه بهتمامي نتايج تا اينجا مشخص شد كه در بين پوششهاي Ni-W-P نمونه WH16 با 181 η10= -، 208η20 =- و 415-=η100، در بين پوششهاي Ni-Mo-P نمونه MH0.4 با 181 η10=-، 202 η20=- و 342-=η100 و در بين پوششهاي Ni-Co-P نمونه CH10 با 132η10=-، 175 η20=- و 305-=η100 اورپتانسيل كمتر و خواص الكتروكاتاليستي بهتري را داشته است. هر چند بهبود خواص الكتروكاتاليستي بهوضوح ديده ميشود اما مقايسه نتايج با الكترودهاي توليدي توسط ديگر محققين نشان ميدهد الكترودهاي توليد شده در اين پژوهش سينتيك تصاعد هيدروژن كمي دارند. به همين جهت الكترودهايي با سه عنصر آلياژي (Ni-W-Mo-P، Ni-Mo-Co-P و Ni-Mo-Co-P) و چهار عنصر آلياژي (Ni-W-Mo-Co-P) با موفقيت از طريق روش الكترولس توليد شدند. آناليز SEM/EDS وجود عناصر آلياژي در داخل پوشش را تأييد كرده،آزمون XRD نيز از نمونهها به عمل آمد كه نشان داد ساختار پوششهاي چهارتايي و پنجتايي توليد شده به سمت آمورف تغيير پيدا كرده است. آزمون LSV نشان داد كه نمونههاي چهارتايي و پنجتايي خواص الكتروكاتاليستي بهتري نسبت به بقيه نمونهها داشتهاند. بررسي عميقتر آزمون LSV نشان داد روند افزايش سينتيك توليد هيدروژن (از كمترين سينتيك به بيشترين سينتيك) در بين نمونههاي چهارتايي به ترتيب مربوط به نمونههاي Ni-W-Mo-P(با 115 η10=-، 136η20=- و 208-= η100)، Ni-Mo-Co-P (با 100η10=-، 121 η20 =- و 196-= η100) و Ni-Mo-Co-P (با 79 η10=-، 94 η20=- و 154-=η100) ميباشد. نتايج نمونههاي چهارتايي اميدواركننده بود با اين وجود نمونه پنجتايي Ni-W-Mo-Co-P نيز با موفقيت پوشش داده شد و نتايج آزمون LSVنشان داد كه اين نمونه 41η10=-، 46 η20 =- و 67-=η100 دارد و از تمامي نمونههاي توليد شده سينتيك توليد هيدروژن بالاتري دارد و قابلرقابت با نتايج ديگر محققين ميباشد. از طريق نتايج آزمون ولتامتري سيكلي و رسم منحنيهاي نرماليزه شده LSV اثر سطح مؤثر نمونهها حذف شد و مشخص گرديد نمونه Ni-W-Mo-Co-P سريعترين سينتيك توليد هيدروژن را دارد. جهت بررسي دقيقتر سينتيك توليد هيدروژن، آزمون طيفسنجي امپدانس الكتروشيميايي (EIS) روي نمونههاي MP، بهترين نمونههاي سهتايي (WH16، MH0.4 و CH10)، نمونههاي چهارتايي (Ni-W-Mo-P، Ni-Mo-Co-P و Ni-Mo-Co-P) و نمونه پنجتايي (Ni-W-Mo-Co-P) انجام شد. نتايج EIS با نتايج LSV تطابق خوبي داشت و سريعترين سينتيك متعلق به نمونه (Ni-W-Mo-Co-P) با مقاومت Ω×Cm2 6 شناسايي شد. پايداري الكترودهاي توليد شده به روشهاي كرنوپتانشيومتري، كرنوپتانشيومتري پلهاي، ولتامتري سيكلي چرخهاي و LSV قبل و بعد از هزار سيكل ولتامتري ارزيابي شد و نتايج نشان داد تمامي نمونههاي توليد شده به روش الكترولس پايداري خوبي دارند اما با توجه به سينتيك بهتر نمونه Ni-W-Mo-Co-P است، نمونه Ni-W-Mo-Co-P بهعنوان نمونه بهينه انتخاب شد. آناليز XPS وجود عناصر نيكل، تنگستن، موليبدن، كبالت و فسفر را در اين نمونه تأييد ميكند. شبيهسازي ديناميك مولكولي جهت تأييد نتايج آزمونهاي الكتروشيميايي انجام شد. نتايج شبيهسازيها پس از به دست آوردن ساختارهاي بهينه نمونهها نشان داد كه نمونه Ni-W-Mo-Co-P كمترين G∆ را در بين همه نمونهها داشته است. براي بررسي اثر عمليات حرارتي، ابتدا آزمون DSC انجام شد كه مشخص شد فقط نمونههاي سهتايي و دوتايي امكان عمليات حرارتي دارند و انتخاب سيكل عمليات حرارتي مناسب نشان داد كه عمليات حرارتي باعث بهبود خواص الكتروكاتاليستي نمونههاي دوتايي و سهتايي ميشود اما در سينتيك توليد هيدروژن باز قابلمقايسه با نمونه Ni-W-Mo-Co-P نيستند.
چكيده انگليسي
In this work, the electrocatalytic characteristics of a binary electroless Ni-P coating and a ternary electroless Ni-P-M coating (M being W, Mo, and Co in this study) were examined. Electrochemical investigations on Ni-P binary coating revealed that the sample with a medium phosphorus percentage (MP) coated at a pH of approximately 4.6 and an amorphous-crystalline structure had the best electrocatalytic capabilities. According to all the results so far, it was found that among the Ni-W-P coatings, sample WH16 with η10 = -181, η20=-208, and η100=-415, among Ni-Mo-P coatings, sample MH0.4 with η10 = -181, η20=-202, and η100=-342 and among the Ni-Co-P coatings, sample CH10 with η10 = -132, η20 = -175 and η100 = -305, had the lowest overpotential and the best electrocatalytic properties. Despite the obvious improvement in electrocatalytic properties, a comparison with the electrodes produced by other researchers revealed that the electrodes produced in this study had little kinetics of hydrogen evolution; consequently, electrodes containing three alloy elements (Ni-W-Mo-P, Ni-Mo -Co-P, and Ni-Mo-Co-P) and four alloy elements (Ni-W-Mo-Co-P) were successfully produced via the electroless method. The presence of alloy components in the coating was confirmed by SEM/EDS analysis. For a more thorough study, XRD tests were conducted on the samples, revealing that the structure of the quaternary and quinary coatings had altered from crystalline to amorphous. The LSV test revealed that the quaternary and quinary samples had superior electrocatalytic properties compared to the remaining samples. The kinetics of hydrogen generation increased (from the lowest kinetics to the highest kinetics) from the Ni-W-Mo-P samples (with η10 = -115, η20 = -136 and -208 η100) to the Ni-Mo-Co-P samples (with η10 = - 100, η20 = - 121 and η100=-196) and Ni-Mo-Co-P samples (with η10 = - 79, η20 = - 94 and η100=-154). The results of the quaternary samples were promising; however, the Ni-W-Mo-Co-P quinary sample was also successfully coated. The LSV results showed that the sample had η10 = - 41, η20 = - 46, and η100=-67 had higher hydrogen production kinetics compared to other samples and were comparable to the findings of other researchers. The Ni-W-Mo-Co-P sample exhibited the fastest hydrogen generation kinetics, as determined by the cyclic voltammetry test results and the normalized LSV curves plotting. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) experiments were conducted on MP samples, the best ternary samples (WH16, MH0.4, and CH10), quaternary samples (Ni-W-Mo-P, Ni-Mo-Co-P, and Ni-Mo-Co-P) and quinary samples (Ni-W-Mo-Co-P). The EIS results were found to be in good agreement with the LSV results, and the sample (Ni-W-Mo-Co-P) with a resistance of 6 Ω×Cm2 was featured with the fastest kinetics in this test. The stability of the produced electrodes was evaluated by chronopotentiometry, step chronopotentiometry, cyclic voltammetry, and LSV before and after 1000 cycles of voltammetry, and the findings demonstrated that all samples produced by the electroless approach were stable. Considering that all the samples were stable, but the Ni-W-Mo-Co-P sample had the highest kinetics, this sample was selected as the ideal sample. This sample contained nickel, tungsten, molybdenum, cobalt, and phosphorus, as confirmed by XPS examination. Molecular Dynamics Simulations were performed to validate the results of electrochemical measurements. After obtaining the ideal sample structures through simulations, the Ni-W-Mo-Co-P sample was found to have the lowest ∆G.
استاد راهنما
محمود منيرواقفي
استاد مشاور
علي اشرفي , قاسم براتي دربند
استاد داور
بهروز شايق بروجني , مسعود عطاپور , فخرالدين اشرفي زاده