Skip to main content
SUPERVISOR
حسین غریبی (استاد مشاور) فرانچسکو ویزا (استاد مشاور) محمد ژیانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Saeid Barzi
سعید برزی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1393

TITLE

Fabrication and evaluation of abiotically glucose fuel cell: near human body physiological conditions
The purpose of the current thesis is to build, evaluate and optimize an energy generator based on glucose fuel cell (GFC) capable of operating in conditions near to the physiological conditions of the human body, in the following three studies: In the first part of the thesis, a non-platinum catalyst based on Fe-Co /C with an average particle size of 3 nm is introduced as the cathode of the GFC. Its activity and performance has been evaluated using a three-electrode assembly and a GFC, respectively and the results has been compared with a conventional Pt/C catalyst. The results show that the Fe-Co/C cathode shows the oxygen reduction reaction (ORR) peak in phosphate-buffered saline () and also selectively reduces oxygen in the presence of glucose, amino acids and also in a real human blood serum. During 11 hours under a discharge current of 0.2 mA cm-2 in containing glucose, the cathode potential drop was 16%, indicating that the cathode selectivity performed ORR in the presence of glucose. In the second part of the thesis, studies covered the anode side of the GFC including the introduction and evaluation of Pt/rGO (reduced graphene oxide) for glucose oxidation in an abiotic GFC in medium. During 15 hours of constant current discharge of 0.01 mA cm-2, a 23% drop in cell voltage occurred while the fuel ( containing 5 mM glucose) was stationary. When the fuel was circulated in anode side (based on human arm’s vein blood flow rate, 0.33 mLs-1), the cell voltage increased by 10% due to the improvement of glucose mass transfer on the surface of the anode electrode. In the third part, the performance of an abiotic GFC (anode: Pt/rGO and cathode: Fe-Co/C) as an energy generator is evaluated and compared with an abiotic GFC (anode: commercial Pt/C) in three physiological environments: /glucose, /glucose/amino acids, and real human blood serum. The cell voltage drop during 8 hours under constant load of 0.01 mA cm-2 in /glucose /amino acids and serum media were 9.87 and 17.25 mV h-1, respectively which are much higher than the ideal medium (/glucose) which was 1.5 mV h-1. In addition, in real human blood serum, the efficiency of the GFC utilizing the synthetized Pt/rGO anode catalyst is higher than that of a GFC utilizing commercial Pt/C anode catalyst which were 12.5 µW cm-2 (under 54 µA cm-2 discharge load, 230 mV voltage) compared to 4.6 µW cm-2 (under 45 µA cm-2 discharge load, 103 mV voltage)
هدف از انجام رساله جاری ساخت، ارزیابی و بهینه¬سازی یک مولد انرژی بر پایه پیل سوختی گلوکزی با قابلیت کارکرد در شرایط نزدیک به شرایط فیزیولوژی بدن انسان می باشد. با توجه به رویکردهای موجود در مطالعه، بررسی و ارزیابی پیل های سوختی گلوکزی کاشتنی و ضرورت تحقیق جهت رفع موانع رشد و توسعه این تجهیزات، در این تحقیق در سه بخش بررسی هایی به شرح زیر انجام شده است: در بخش اول رساله ،کاتالیست غیرپلاتینی بر پایه آهن –کبالت (Fe-Co/C) با متوسط اندازه ذرات 0/3 نانومتر، جهت کاربرد به عنوان کاتد در پیل سوختی گلوکزی معرفی شده و کارایی آن با استفاده از سیستم سه الکترودی و نیز در پیل سوختی مورد ارزیابی قرار گرفته و نتایج سه الکترودی با کاتالیست مرسوم Pt/C مقایسه شده است. نتایج نشان می دهد که کاتد فوق در محلول بافر فسفات پیک احیای اکسیژن را نشان داده و همچنین در حضور گلوکز، آمینواسیدها و محیط واقعی سرم خون بدن انسان به صورت گزینشی احیای اکسیژن را انجام داده و هیچگونه مسمومیتی نسبت به این مواد نشان نمی دهد. در طول 11 ساعت و جریان دشارژmA cm-2 020/0 در محلول بافر فسفات/گلوکز، افت پتانسیل کاتد 0/16 درصد بوده است که بیانگر گزینش پذیری کاتد در واکنش احیای اکسیژن در حضور گلوکز می باشد. در بخش دوم رساله، مطالعات در بخش آند پیل سوختی گلوکزی شامل معرفی و ارزیابی کاتالیست Pt/rGO جهت کاربرد در اکسایش گلوکز در پیل سوختی گلوکزی ابیوتیک در محلول بافر فسفات است. فعالیت کاتالیست با استفاده از روش ولتامتری چرخه ای بررسی شده وسپس درون پیل سوختی در حالت سوخت ایستا وگردشی مورد ارزیابی قرار گرفت. در مدت 15 ساعت در دشارژ جریان ثابت mA cm-2 010/0 به میزان 0/23 درصد افت ولتاژ سل با سوخت ایستا (محلول بافر فسفات حاوی 0/5 میلی مولار گلوکز) اتفاق افتاد. با گردش سوخت سمت آند(براساس گردش خون در رگ دست انسان با دبی mL s-1 33/0)، ولتاژ سل به میزان 0/10 درصد رشد داشته است که دلیل آن بهبود انتقال جرم گلوکز روی سطح الکترود آند بوده است. در بخش سوم، عملکرد پیل سوختی گلوکزی ابیوتیک(آند: Pt/rGO و کاتد: Fe-Co/C ) به عنوان یک مولد انرژی در سه محیط فیزیولوژی محلول بافر فسفات/ گلوکز، محلول بافر فسفات/ گلوکز/آمینواسیدها و محیط واقعی سرم خون ارزیابی گردید. میزان افت ولتاژ سل در مدت زمان 8 ساعت در جریان دشارژ µA cm-2 00/10 در محلول بافر فسفات/گلوکز/آمینواسیدها و سرم خون به ترتیب 87/9 و 25/17 میلی ولت به ازای هر ساعت بوده که به مراتب بسیار بیشتر از محیط ایده ال محلول بافر فسفات/گلوکز( 50/1 میلی ولت در واحد زمان) بوده است . اگرچه میزان غلظت گلوکز و اکسیژن در محیط های فوق تقریبا برابر است ولی حضور آمینواسیدهای متعدد در محلول محلول بافر فسفات/گلوکز/آمینواسیدها دلیل کاهش عملکرد پیل سوختی نسبت به محلول ایده ال محلول بافر فسفات/گلوکز می باشد. همچنین وجود انواع متعدد آمینواسیدها، مولکول های آلی، ترکیبات یونی و ویسکوزیته بیشتر نسبت به محیط قبلی دلیل افت ولتاژ پیل سوختی در محیط سرم خون می باشد. علاوه بر این در محیط واقعی سرم خون کارایی پیل سوختی تجهیز شده با آندی که از کاتالیست سنتزی Pt/rGO استفاده می کند بیشتر از پیل سوختی تجهیز شده با آندی است که از کاتالیست تجاری Pt/C استفاده می کند و به ترتیب برابر است با µW cm-2 50/12 ( در جریان µA cm-2 00/54 ، ولتاژ 00/230 میلی ولت) و µW cm-2 60/4 ( در جریان µA cm-2 00/45 ، ولتاژ 00/103 میلی ولت) در محیط سرم خون می باشد.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی