Skip to main content
SUPERVISOR
HOSSEIN TAVAKOL,Behzad Rezaei,Mohammad Zhiani
حسین توکل (استاد مشاور) بهزاد رضائی (استاد مشاور) محمد ژیانی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Saeedeh Kamali
سعیده کمالی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392

TITLE

Synthesis and Evaluation of Non-Noble Catalysts Based on Nickel and its Alloys on the Modified Graphene Support for Hydrogen Evolution Reaction in Alkaline Media
In this thesis, various electrocatalysts, including of Ni nanoparticles and its alloys or mixed compounds with non-precious transition metals were prepared on the graphene support or graphene hybrids. After characterization, the products were employed as the hydrogen evolution reaction electrocatalysts in alkaline media. In order to characterize the obtained samples, several techniques were employed such as FTIR, XRD, FE-SEM, TEM, Raman and XPS analysis. Also, for the providing of graphene, chemical reduction of graphene oxide was done. In the first section, polyvinylpyrrolidone -modified graphene was synthesized as a hybrid with additional functional groups for Ni nanoparticles support. The results showed a long term durability for this sample in comparison to the Ni nanoparticles supported on the graphene and without the application of polyvinylpyrrolidone. In the next section, a facile chemical reduction procedure for the synthesis of nickel nanoparticles on a ceria–reduced graphene oxide hybrid was reported. To optimize the amount of ceria in the products, various physical and electrochemical techniques were applied. The results showed the influence of ceria incorporation in the matrix on the size of the prepared nickel nanoparticles. The prepared composites were used as electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction in alkaline media. The results showed an excellent catalytic activity of Ni/ceria–rGO (1,1) with lowest onset overpotential and Tafel slope. Also, the effect of ceria incorporation into the Ni/ceria–rGO on the electrochemical activity and impedance spectroscopy response of the samples were discussed comprehensively. The next section was devoted to the preparation of Ni alloys with available 3d row transition metals (Co, Fe, Mn, Cr, Cu and Zn) on the graphene support. The results showed the higher hydrogen evolution activity of Ni- Co alloy (Ni: Co mol ratio= 3:1) compared to other investigated samples. Also, TEM and FE- SEM images showed a cauliflower-like structures for the prepared sample. In the last section, Ni and a number of 3d row transition metals oxides were grown on the graphene support. In this work, Ni and Cr 2 O 3 mixed nanoparticles/rGO, showed a higher electrochemical activity than other Ni and M x O y /rGO samples. In order to investigate the morphology and structure of Ni- Cr 2 O 3 /rGO, the obtained sample was further characterized via TEM and XPS analysis. 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، الکتروکاتالیست هایی متشکل از نانوذرات نیکل وآلیاژ های آن با فلزات واسطه ی Co، Fe، Mn، Cr، Cu و Z یا مخلوط آن با اکسید تعدادی از این فلزات، بر روی بستر گرافن و یا هیبرید های گرافن تهیه و پس از شناسایی ریز ساختار، برای واکنش آزاد سازی هیدروژن در محیط قلیایی مورد استفاده قرار گرفت. برای شناسایی نمونه های ساخته شده در این رساله، از تکنیک های مختلفی چون طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه، پراش پرتو ایکس، تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی و میکروسکوپ الکترونی عبوری، طیف سنجی فوتوالکترونی پرتو ایکس و رامان بهره برده شد. برای تهیه ی گرافن نیز روش احیای شیمیایی گرافن اکسید مورد استفاده قرار گرفت. در بخش اول رساله، نانوذرات نیکل بر روی بستر هیبریدی گرافن و پلیمر پلی وینیل پیرولیدون رشد داده شده و ریز ساختار آن به کمک تکنیک های مختلفی شناسایی شد. سپس، فعالیت آن در واکنش آزاد سازی هیدروژن بررسی و با نمونه ی بدون پلیمر مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج بدست آمده از ارزیابی های ولتامتری، نشان دهنده ی پایداری عملکرد الکتروشیمیایی نمونه ی دارای پلیمر طی 5000 چرخه بود. در بخش دوم رساله، بستر گرافن با نانوذرات سریم (IV) اکسید به نسبت های 25، 50 و 75 درصد وزنی هیبرید شده و نانوذرات نیکل بر روی آن رشد داده شدند. پس از شناسایی نمونه های تهیه شده با درصد های مختلف سریم اکسید، نمونه ها در واکنش آزاد سازی هیدروژن مورد ارزیابی قرار گرفتند. نتایج بدست آمده نشان دهنده ی کاهش پتانسیل مازاد آغازین، کاهش شیب تافل و پتانسیل مازاد در دانسیته جریان 10 میلی آمپر بر سطح برای نمونه ی دارای 50 درصد وزنی از سریم اکسید بود. این نمونه، پتانسیل مازاد آغازین برابر با 15- میلی ولت را نشان داد. نتایج بدست آمده از ارزیابی های ولتامتری روبش خطی و چرخه ای توسط طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی نیز مورد تأیید قرار گرفت. در بخش سوم، آلیاژ های نیکل با فلزات کبالت، آهن، منگنز، کروم، مس و روی با نسبت مولی نیکل به فلز دوم برابر با سه به یک، بر روی بستر گرافن تهیه شده و مورد شناسایی قرار گرفت. نتایج الکتروشیمیایی، نشان دهنده hy;ی فعالیت بالاتر الکتروکاتالیست آلیاژ نیکل-کبالت بر روی گرافن نسبت به سایر نمونه های ساخته شده بود. پتانسیل مازاد ثبت شده برای این نمونه در دانسیته جریان 10 میلی آمپر بر سطح، برابر با 194- میلی ولت و در مقایسه با نمونه ی نیکل بر روی گرافن (331- میلی ولت)، کوچک تر بود. همچنین تصویربرداری میکروسکوپ های الکترونی روبشی و عبوری مورفولوژی این نمونه را به شکل ساختار های گل کلمی شکل نشان دادند. بخش چهارم، به ساخت مخلوط نیکل و تعدادی از اکسید های فلزات واسطه ی ردیف اول اختصاص داده شد. در این کار، مخلوط نیکل و کروم (III) اکسید بر روی بستر گرافن نتایج الکتروشیمیایی بالاتری را نسبت به دیگر نمونه های دارای نیکل و فلز اکسید نشان داد. همچنین تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی عبوری مورفولوژی این نمونه را به شکل ساختار های هسته- پوسته و یا توخالی نشان داد. اگر چه در حال حاضر، فلزات گروه پلاتین به عنوان کاراترین الکتروکاتالیست های واکنش آزاد سازی هیدروژن شناخته می شوند؛ اما نتایج بدست آمده در این رساله، چشم اندازی به سوی معرفی الکتروکاتالیست هایی مقرون به صرفه و با روش تهیه ی آسان از فلزات واسطه hy; ردیف اول، برای کاربرد در کاتد الکترولایزر های قلیایی می باشد.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی