Skip to main content
SUPERVISOR
علی اصغر انصافی (استاد مشاور) محمد ژیانی (استاد راهنما) حسین غریبی (استاد مشاور)
 
STUDENT
Fariba Jalili naeem abadi
فریبا جلیلی نعیم آبادی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391

TITLE

Fabrication and evaluation of Ni-based nano catalysts on hybrid graphite/graphen support for hydrogen evolution reaction in anion exchange membrane electrolyzer
In this thesis, Ni/BG, NiCu/BG, NiCo/BG, NiCr/BG, NiZn/BG, NiMn/BG and NiFe/BG electrocatalysts were prepared and after characterization, the composites were employed as the hydrogen evolution reaction (HER) electrocatalysts in alkaline medium. In order to characterize the prepared samples, several techniques were employed such as FTIR, XRD, SEM, TEM, Raman and EDX analysis. In the first section, the non-platinum electrocatalyst (PdNiFeCo/C-Ceria) and commercial platinum (10 wt% Pt/C) were coated on the nickel foam and activity of them compared to the bare nickel foam. The non-platinum electrocatalyst showed a low Tafel slope (79 mV dec -1 ) and low overpotential (4 mV) in HER. Also, the performance of electrocatalyst as the cathode electrode was investigated in an anion exchange membrane (AEM) electrolyzer. In the second section, a mixture of graphene/graphite as support was prepared by ball milling procedure at different times and nano particles of nickel were grown into the mixture graphene/graphite substrate. The results indicated that by raising the time of the ball milling from 0 to 270 min, the HER activity of electrocatalyst first increased, and then decreased according to the increase of active sites and then agglomeration of Ni nanoparticles. Ni nanoparticles supported on the mixture with 180 min ball milling exhibited the highest HER activity with a low overpotential (118 mV), a small Tafel slope (84 mV dec -1 ). The third section was devoted to the preparation of Ni- based binary composites with available 3d row transition metals (Co, Fe, Mn, Cr, Cu and Zn) on the best mixture of hybrid graphene/graphite support with 180 min ball milling. The results showed that the Ni-Cu alloy (Ni: Cu mol ratio= 4:1) had the highest catalytic activity with a low overpotential (100 mV) and a small total resistance (167 ? cm 2 ) due to high catalytically active surface area and intrinsic catalytic activity. Also, the Ni-Cu alloy was employed as the cathode in AEM electrolyzer and showed a loss voltage of 0.03 V during 50 h operation. In the last section, composites of Ni and Cu with Ni mol ratio of 0, 25, 50, 75 and 100 are prepared into the hybrid graphene/graphite substrate with 180 min ball milling. It was found that the electrocatalytic activity for the HER depended on the composition of Ni and Cu, where Ni25Cu75 alloy exhibited considerably higher HER activity than other composites. The obtained results of this thesis introduce the investigated samples as the promising electrocatalysts which could be employed in the cathode side of water electrolyzer in alkaline media.
در این رساله، الکتروکاتالیست‌های Ni/BG، NiCu/BG، NiCo/BG، NiCr/BG، NiFe/BG، NiMn/BG و NiZn/BG تهیه شد و پس از شناسایی ریزساختار، برای واکنش تولید هیدروژن در محیط قلیایی مورد استفاده قرار گرفتند. برای شناسایی نمونه‌های ساخته شده، از چندین روش همچون طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه، پراش پرتو ایکس، تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی و میکروسکوپ الکترونی عبوری و رامان استفاده شد. در بخش اول رساله، ابتدا الکتروکاتالیست غیر پلاتینی (PdNiFeCo/C-Ceria) و پلاتین تجاری (Pt/C 10% wt.) بر روی نیکل فوم نشانده شد و فعالیت آن‌ها برای تولید هیدروژن با نیکل فوم تنها مقایسه شد. الکتروکاتالیست غیر پلاتینی شیب تافل mV dec -1 79 و اضافه ولتاژ 4 میلی‌ولت نسبت به RHE را در واکنش تولید هیدروژن از خود نشان داد. همچنین عملکرد الکتروکاتالیست به عنوان الکترود کاتد در الکترولایزر آب با غشاء تبادلی آنیون بررسی شد. در بخش دوم رساله، هیبریدی از گرافن و گرافیت به عنوان بستر با استفاده از آسیاب سیاره‌ای گرافیت طی زمان‌های مختلف تولید شد و نانو ذرات نیکل بر روی آن رشد داده شد. نتایج الکتروشیمیایی نشان داد که با افزایش زمان آسیاب سیاره‌ای از صفر تا 270 دقیقه، فعالیت واکنش تولید هیدروژن در ابتدا افزایش و سپس کاهش یافت که در نتیجه افزایش مکان‌های فعال برای واکنش و سپس کلوخه شدن نانو ذرات نیکل است. نانو ذرات نیکل که بر روی هیبریدی با 180 دقیقه زمان آسیاب سیاره‌ای نشانده شده بود، بالاترین فعالیت برای واکنش تولید هیدروژن با توجه به اضافه ولتاژ کم (118 میلی‌ولت) و شیب تافل کم (mV dec -1 84) داشت. در بخش سوم، ترکیب‌های دوتایی نیکل با فلزات واسطه در دسترس (کبالت، آهن، منگنز، کروم، مس و روی)، بر روی بهترین بستر هیبرید گرافن/گرافیت تهیه شد. نتایج نشان داد که آلیاژ نیکل- مس (با نسبت مولی نیکل به فلز مس برابر با چهار به یک) بالاترین فعالیت کاتالیستی را با اضافه ولتاژ 100 میلی‌ولت و مقاومت کلی 167 اهم سانتیمتر مربع داشت که ناشی از مساحت سطح فعال کاتالیستی بزرگ و فعالیت کاتالیستی ذاتی بود. همچنین آلیاژ نیکل- مس به عنوان الکترود کاتد در الکترولایزر آب با غشاء تبادلی آنیون به کار رفت و طی 50 ساعت عملکرد، افت ولتاژ 03/0 ولت از خود نشان داد. در بخش آخر رساله، ترکیبی از نیکل و مس با نسبت مولی نیکل (0، 25، 50، 75 و 100 درصد وزنی) بر روی هیبرید گرافن/گرافیت با زمان 180 دقیقه آسیاب ساخته شد. این نتیجه به دست آمد که فعالیت الکتروکاتالیستی برای واکنش تولید هیدروژن بستگی به ترکیب نیکل و مس دارد، جایی که آلیاژ نیکل- مس (با 75 درصد مس) به طور قابل ملاحظه‌ای فعالیت بالاتری نسبت به سایر آلیاژهای نیکل- مس برای واکنش تولید هیدروژن از خود نشان داد. نتایج بدست آمده از این رساله، الکتروکاتالیست‌هایی که می‌توانند در طرف الکترود کاتد الکترولایزر آب با غشاء تبادلی آنیون به کار روند را معرفی می‌کند.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی