توصيفگر ها :
الكتروكاتاليست , واكنش آزادسازي هيدروژن , ليگاندهاي پلي پيريديلي , كمپلكسهاي روتنيم , نظريه تابعي چگالي
چكيده فارسي :
افزايش استفاده از سوخت‌هاي فسيلي چالش‌هايي مانند نگراني‌هاي مرتبط با گرمايش جهاني، آلودگي محيط‌زيست و بحران مرتبط با انرژي را در برداشته است. امروزه توليد هيدروژن و استفاده از آن يكي از راهكارهاي اصلي براي كاهش مصرف سوخت‌هاي فسيلي و بحران‌هاي جدي انرژي و محيط‌زيست است. توليد هيدروژن سبز و استفاده از الكتروكاتاليست‌ها يكي از راه‌حل‌هاي اصلي پيشنهاد شده براي اين موضوع است.
در سال‌هاي اخير، الكتروكاتاليست‌هاي بر پايه روتنيم پايداري و فعاليت الكتروكاتاليستي خوبي در واكنش آزادسازي هيدروژن (HER) و آزادسازي اكسيژن (OER) از خود نشان داده‌اند. همچنين كمپلكسهاي پلي پيريديلي روتنيم به دليل پايداري شيميايي و ويژگي¬هاي فوتوفيزيكي و الكتروشيميايي برجسته‌شان در زمينه‌هاي گوناگوني به طور گسترده مورداستفاده قرار گرفته‌اند. در اين پژوهش، يك كمپلكس پلي پيريديلي جديد از روتنيم با استفاده از ليگاند ترپيريديني با مشتق فنولي،
'4- (4-هيدروكسي فنيل)- 2، '2-'6، ''2-ترپيريدين (4-OHPh-tpy) با فرمول شيميايي [Ru (4-OHPh-tpy)Cl3] سنتز شد و با روش‌هاي تجزيه عنصري CHNS،ICP ، اسپكتروسكوپي FT-IR و اسپكتروسكوپي UV-Visشناسايي شد. همچنين سه كمپكس پلي‌پيريديلي شامل كمپلكسهاي [Ru(tpy)Cl3]، [Rh(tpy)Cl3] و[Pd(4-OHPh-tpy)Cl]Cl با استفاده از مراجع سنتز شدند. سپس فعاليت كمپلكسهاي سنتز شده به عنوان الكتروكاتاليست در فرايند آزادسازي هيدروژن در محيط اسيدي با روش‌هاي ولتامتري روبش خطي، چرخه‌اي، كرونوآمپرومتري و طيف‌سنجي امپدانس الكتروشيميايي مورد بررسي قرار گرفت. نتايج الكتروشيميايي نشان دادند كه كمپلكس جديد سنتز شده، داراي عملكرد مناسبي در محيط سولفوريك اسيد 5/0 مولار بوده و پايداري كافي از خود نشان مي‌دهد. اضافه پتانسيل كمپلكس [Ru(4-OHPh-tpy)Cl3] در چگالي جريان mA.cm-210 برابر با mV 231- و شيب تافلي آن برابر باmV.dec-1 79 است. با توجه به شيب تافل آن، واكنش از طريق مكانيسم والمر - تافل يا والمر - هيروفسكي پيش مي‌رود كه مكانيسم‌هاي مناسبي براي هر دوي آن‌ها پيشنهاد شد. سپس اين مكانيسم‌ها با استفاده از مكانيك كوانتومي نظريه تابعي چگالي (DFT) مورد بررسي قرار گرفتند. همچنين عملكرد الكتروكاتاليستي كمپلكس جديد [Ru(4-OHPh-tpy)Cl3]، با كمپلكسهاي [Ru(tpy)Cl3]، [Rh(tpy)Cl3] و
[Pd(4-OHPh-tpy)Cl]Cl مورد مقايسه قرار گرفت كه فعاليت الكتروكاتاليستي بهتري در ميان كمپلكسهاي ديگر از خود نشان داد.
چكيده انگليسي :
The increase in the use of fossil fuels has posed challenges such as concerns related to global warming, environmental pollution, and the energy crisis. Today, hydrogen production and its use are among the main strategies for reducing fossil fuel consumption and addressing serious energy and environmental crises. The production of green hydrogen and the use of electrocatalysts are among the primary proposed solutions for this issue.
In recent years, ruthenium-based electrocatalysts have demonstrated good stability and electrocatalytic activity in hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER). Additionally, poly-pyridyl ruthenium complexes have been widely used in various fields due to their chemical stability and outstanding photophysical and electrochemical properties. In this research, a new polypyridyl complex of ruthenium using terpyridine ligand with phenol derivative, 4-(4-hydroxyphenyl)-2,'2-'6,''2-terpyridine (4-OHPh-tpy) was synthesized with chemical formula of [Ru(4-OHPh-tpy)Cl3], and characterized using various methods including CHNS, ICP, FT-IR, and UV-Vis. Additionally, three poly-pyridyl complexes, including [Ru(tpy)Cl3], [Rh(tpy)Cl3], and [Pd(4-OHPh-tpy)Cl]Cl, were synthesized based on references. Then, the activity of the synthesized complexes as an electrocatalyst in the process of hydrogen evolution reaction in acidic medium (0.5 M sulfuric acid) was characterized using linear sweep voltammetry (LSV), cylic voltammetry (CV), chronoamperometry, and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) techniques.The electrochemical results showed that the new complex performs well in a
0.5 M sulfuric acid medium and demonstrates sufficient stability. The overpotential of the
[Ru(4-OHPh-tpy)Cl3] complex at a current density of 10 mA.cm-² is -231 mV, with a Tafel slope of 79 mV.dec⁻¹. Based on its Tafel slope, the reaction proceeds via the Volmer-Tafel or Volmer-Heyrovsky mechanisms. Then the density functional theory (DFT) calculations applied to propose a catalytic cycle for each mechanism. Additionally, the electrocatalytic performance of the new complex [Ru(4-OHPh-tpy)Cl3] was compared with [Ru(tpy)Cl3], [Rh(tpy)Cl3], and [Pd(4-OHPh-tpy)Cl]Cl complexes, showing superior electrocatalytic activity among the other complexes.
