پديد آورنده :
قاضي زاده احسائي، عابد
عنوان :
مدلسازي نظري و مطالعه تجربي تعيين مكانيسم تجزيه حامل هيدروژن آلي مايع "ايزوپروپيل الكل" بر روي خوشههاي پلاتين: بررسي اثرات پيكربندي و اندازه ساختار
مقطع تحصيلي :
كارشناسي ارشد
محل تحصيل :
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
توصيفگر ها :
حاملهاي هيدروژن آلي مايع , هيدروژن سبز , ايزوپروپيل الكل , خوشههاي فلزي , نانوذرات پلاتين , DFT , DFNS
تاريخ ورود اطلاعات :
1402/07/09
تاريخ ويرايش اطلاعات :
1402/07/15
چكيده فارسي :
در اين پژوهش سعي بر آن شده است كه با استفاده از تلفيق محاسبات DFT و روشهاي آزمايشگاهي مكانيسم تجزيه ايزوپروپيل الكل بهعنوان حامل هيدروژن آلي مايع بر روي خوشههاي پلاتين مشخص گردد. در گام نخست به منظور بررسي نظري، خوشهاي متشكل از 13 اتم پلاتين با پيكربندي D5h انتخاب گرديد و تمامي مسير محتمل براي تفكيك و تجزيه پيوندهاي ايزوپروپيل الكل بر روي آن بررسي شد. مشاهده گرديد كه مسير منتهي به پروپن-2-ال/هيدروژن در نتيجه تفكيك متوالي پيوندهاي C2-H2 و C1-H3 مطلوبترين مسير براي تجزيه ايزوپروپيل الكل بر روي خوشه D5h ميباشد. سپس در قدم بعد مسيرهاي اصلي داراي كمترين مقادير سد انرژي براي بررسي نحوه اثرگذاري تغيير پيكربندي و اندازه خوشه بر روند مكانيسم، بر روي خوشههاي 13 اتمي پلاتين با پيكر بندي Ih و C2v و دو خوشه 12 و 14 اتمي مورد مطالعه قرار گرفتند. مشخص شد كه با كاهش تقارن پيكربندي خوشه 13 اتمي و يا افزايش تعداد اتمهاي تشكيل دهنده خوشه، مسير تجزيه ايزوپروپيل الكل تغيير يافته و مسير منتهي به توليد استون/هيدروژن در نتيجه شكست متوالي پيوندهاي O-H1 و C2-H2 از سد انرژي كمتري نسبت به ديگر مسيرها يرخوردار است. اما در بررسي صورت گرفته شده بر روي خوشه 13 اتمي با تقارن بالا و خوشه 12 اتمي مسير اصلي تجزيه، نسبت به خوشه D5h تغيير نكرد. در گام دوم براي بررسي اطلاعات بدست آمده از محاسبات تئوري، آزمايشي با استفاده از يك راكتور بستر ثابت در حضور كاتاليست ناهمگن تهيه شده از نانوذرات فوق كوچك و شبه تك اتمهاي پلاتين تثبيت شده بر روي بستر نانوسيليس فيبري (Pt3.4%/DFNS)، طراحي شد و عملكرد آن در شرايط عملياتي مختلف مورد بررسي قرار گرفت. همانطور كه محاسبات تئوري براي ايزوپروپيل الكل، تاكيد بر غالب بودن واكنش هيدروژنزدايي نسبت به واكنش آبگيري دارد، نتايج آزمايشات تجربي نيز واكنش هيدروژنزدايي ايزوپروپيل الكل به استون و هيدروژن را در دماهاي پايين عملياتي بهعنوان واكنش غالب براي اين الكل نوع دوم نشان داد كه با افزايش دما اين روند به طور كامل تغيير كرده و توليد پروپن/آب واكنش غالب براي ايزوپروپيل الكل ميشود. نانو كاتاليست تهيه شده در شرايط دمايي 190 درجه سانتيگراد و تنها با يك مرتبه عبور جزء واكنشدهنده، منجر به تحقق نرخ تبديل 41-43 درصد نسبت به توليد استون/هيدروژن با گزينشپذيري 100 درصد شد.
چكيده انگليسي :
In this research density functional theory (DFT) calculations in combination with experimental studies are applied to the evaluation of the utilization of the isopropyl alcohol as a Liquid Organic Hydrogen Carrier (LOHC) and the fundamental understanding of its decomposition mechanism in the presence of platinum cluster. In the theoretical section, at first, all possible fragmentation paths for isopropyl alcohol decomposition on the surface of 13-atoms platinum cluster with D5h symmetry point were investigated. Comparing energy profiles for fragmentation paths, it was found that sequential dissociation of C2-H2 and C1-H3 bonds, resulting in propen-2-ol/hydrogen molecules is the more desirable path. Through investigation of the effect of size and symmetry of clusters on the mechanism, all paths with the lowest energy were performed in the presence of 12 and 14-atom platinum D5h cluster and 13-atoms C2v and Ih platinum cluster. It was determined that reducing the symmetry of cluster or increasing the number of constituent atoms dissociation of O-H1 and C2-H2 bonds resulting in the formation of acetone/hydrogen molecules has the most appropriate energy barrier. Also, any significant change in the decomposition mechanism was not observed by applying high symmetry 13-atoms cluster or 12-atoms clusters compared to 13-atoms cluster with D5h symmetry. Inspired by this mechanism determination and in order to demonstrate the application of platinum-based catalyst for producing hydrogen through isopropyl alcohol decomposition, a fixed bead reactor, and Pt3.4%/DFNS catalyst was selected in the experimental section. In accordance with DFT calculation outcomes, it was found out for the decomposition of isopropyl alcohol at low-temperature condition, the dehydrogenation reaction is more favorable than the dehydration which results in producing acetone and hydrogen molecules. Also with increasing the temperature, the path of decomposition changes towards the production of propene and water.
استاد راهنما :
عليرضا نجفي چرمهيني
استاد مشاور :
حسين فرخ پور
استاد داور :
محمد ديناري , حسين توكل