Skip to main content
SUPERVISOR
Mohammad Zhiani
محمد ژیانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Ziba Ghasemi shervedani
زیبا قاسمی شرودانی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده شیمی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394

TITLE

Synthesis and evaluation of Fe Nano-catalysts and its alloys (Fe/rGO, FeCo/rGO, and FeCoNi/rGO) on the graphene support for hydrogen evolution reaction
Hydrogen is a low-cost, available and non-polluting energy carrier. Due to the non-renewability of fossil fuels and increasing of environmental pollutions, using of these fuels has been challenged and therefore many researchers have been devoted on the finding a sustainable replacement. The production of hydrogen fuel by water electrolysis is considered as an appropriate option due to its high efficiency and eco friendly. In this method, hydrogen and oxygen are produced in the cathode and anode, respectively. One of the main issues in this technology is enhancement of hydrogen evolution reaction efficiency and reducing of overpotentials. Using active electrocatalysts is one of the best ways to increase the efficiency of hydrogen production. In this study, iron was alloyed with cobalt and nickel metals on the reduced graphene oxide substrate. In this way, the prepared samples were FeCoNi/rGO, Fe 0.5 Co 0.5 /rGO and FeCoNi /N, PrGO. The structure of these catalysts has evaluated by XRD, SEM, TEM, EDS and FT-IR techniques. Electrocatalytic activities of the samples were also investigated by cyclic voltammetry and linear sweep voltammetry in 1 M potassium hydroxide. The evaluation results of cyclic voltammetry and linear sweep voltammetry of Fe/rGO (made by hydrazine hydrate) confirmed the efficiency of this electrocatalyst in the hydrogen evolution reaction. Fe/rGO in electrochemical measurements showed the onset over potential of -164 mV, overpotential of -290 mV at the current densiy of 10 mA cm -2 and a tafel slope of -171 mV dec -1 . Thus, to improve the electrocatalyst activity, the iron metal alloyed with cobalt and then, the incorporated metals percentage were optimized. The Fe 0.5 Co 0.5 /rGO electrocatalyst showed the initial overpotential and an overpotential at the current density of 10 mA.cm -2 equal to -129 mV and -245 mV, respectively. It also showed the tafel slope of -165 mV dec -1 which was a higher performance than Fe/rGO. Finally, the FeCoNi/rGO electrocatalyst was synthesized to improve the electrocatalytic activity and reduce the overpotentials. This electrocatalyst showed an initial overpotential of -32 mV the overpotential of -136 mV at the current density of 10 mA cm -2 as well as the tafel slope of -108 mVdec -1 , which were lower in comparison of other investigated samples. Finally, through modifying of catalyst substrate, it also tried to achieve the highest electrocatalytic efficiency in HER. This section was not successful, due to not optimization of P and N elements percentage. The obtained results were not significantly different with FeCoNi/rGO electrocatalyst. FeCoNi/N,PrGO electrocatalyst showed the onset overpotential of -25 mV after 500 CV cycles. It also showed an overpotential of -122 mV at the current density of 10 mA cm -2 as well as a tafel slope of -108 mV dec -1 . All mentioned values were lower than obtained values for FeCoNi/ rGO.
هیدروژن به‌عنوان یک حامل انرژی ارزان‌قیمت، در دسترس و بدون آلودگی از اهمیت بسیاری برخوردار است. با توجه به روبه پایان بودن سوخت‌های فسیلی و افزایش آلودگی های زیست‌محیطی، استفاده ازاین‌دست سوخت ها به چالش کشیده است و توجه محققان را به جایگزینی پایدار جلب نموده است. بدین منظور تولید سوخت هیدروژن به روش الکترولیز آب به دلیل بازده بالای تولید و نداشتن آلودگی به‌عنوان گزینه مناسبی مطرح می باشد که هیدروژن در سمت کاتد و اکسیژن در سمت آند الکترولایزر ها تولید می شود. افزایش بازده واکنش آزادسازی هیدروژن و کاهش پتانسیل مازاد مصرفی از مهم‌ترین مسائل موردبحث درزمینه ی تولید هیدروژن است. یکی از بهترین راه کار های افزایش بازده تولید هیدروژن در کاتد استفاده از الکتروکاتالیست های فعال می باشد. در این پژوهش با استفاده از کاتالیست با پایه آهن و آلیاژسازی با فلزات کبالت و نیکل بر روی بستر گرافن اکسید کاهش‌یافته، کاتالیست هایی تحت عناوین FeCoNi/rGO ،Fe 0.5 Co 0.5 /rGO و FeCoNi/N,PrGO ساخته شد. به‌منظور ارزیابی ساختاری این کاتالیست از تکنیک های شناسایی XRD، SEM، TEM،EDS ، FT-IR و... بهره گرفته شد. همچنین برای بررسی فعالیت الکتروکاتالیستی از روش های ولتامتری چرخه ای و روبش خطی در محلول1 Mol KOH بهره گرفته شد. نتایج ارزیابی های ولتامتری چرخه ای و روبش خطی الکتروکاتالیست Fe/rGO احیا شده با هیدرازین هیدرات، فعالیت الکتروشیمیایی مطلوب فلز آهن را در واکنش آزادسازی هیدروژن تأیید کرد، به این صورت که پتانسیل مازاد آغازین در حدود mV 164- و پتانسیل مازاد در چگالی جریانmA cm -2 10در حدودmV 290- و شیب تافلی حدود mV 171 به دست آمد. پس‌ازآن باهدف بهبود فعالیت الکتروکاتالیست، فلز آهن با کبالت آلیاژ و درصد فلزات بهینه شد. الکتروکاتالیست Fe 0.5 Co 0.5 /rGO با پتانسیل مازاد آغازین در حدود mV 129- و پتانسیل مازاد در چگالی جریانmA cm -2 10در حدودmV 245- و شیب تافلی کمتر حدود mV 165- نسبت به کاتالیست Fe/rGO عملکرد بهتری از خود نشان داد. نهایتاً کاتالیست FeCoNi/rGO باهدف بهبود فعالیت بیشتر الکتروکاتالیستی و کاهش پتانسیل مازاد مصرفی با فلز نیکل به نسبت مساوی آلیاژ شد که خوشبختانه با پتانسیل مازاد آغازین در حدود mV 32- و پتانسیل مازاد در چگالی جریانmA cm -2 10در حدودmV 136- و شیب تافلی کمتر حدود mV 108- نسبت به سایرکاتالیست های ساخته‌شده یعنیFe/rGO و Fe 0.5 Co 0.5 /rGO در این پروژه به‌عنوان الکتروکاتالیست فعال‌تری شناخته شد. در آخرین مرحله از پروژه با اصلاح کردن بستر کاتالیست با عناصر N ,P، نیز سعی بر رسیدن به بالاترین بازده الکتروکاتالیستی در HER شد، که به دلیل بهینه نشدن درصد عناصر فسفر و نیتروژن موفقیت‌آمیز نبود و نتایج با الکتروکاتالیست FeCoNi/rGO تفاوت چندانی نداشت. الکتروکاتالیست FeCoNi/N,PrGO ساخته‌شده بعد از 500 پیمایش با پتانسیل مازاد آغازین در حدود mV 25- ، پتانسیل مازاد در چگالی جریانmA cm -2 10در حدودmV 122- و شیب تافلی کمتر حدود mV 108- نسبت به FeCoNi/rGO دارای عملکرد مشابهی می‌باشد.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی