سنتز نانوذرات پالادیوم بر بستر گرافن دوپه شده با نیتروژن با استفاده از احیا کننده‌های سازگار با محیط زیست به منظور استفاده در واکنش اکسیداسیون اتانول

نویسندگان

گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه مراغه، مراغه، آذربایجان شرقی

چکیده

در کار حاضر پالادیوم بر بستر گرافن دوپه شده با نیتروژنPd/NRGO ودر غیاب نیتروژنPd/RGO با استفاده از چای سبز به عنوان احیا کننده سازگار با محیط زیست، سنتز شد. گرافن اکساید به عنوان بستر توسط روش هامر تهیه شده سپس Pd بر روی RGO به روش بارور سازی قرار گرفت. برای تهیه Pd/NRGO به روش بارور سازی از اوره به عنوان منبع نیتروژن و روش الکتروشیمیایی تک مرحله ای استفاده شد تا اینکه ابتدا گرافن دوپه شده و سپس پالادیوم بر بستر آن قرار گیرد. برای بررسی اندازه صفحات و مورفولوژی سطح از عکس برداری میکروسکوپ الکترونی عبوری استفاده شد. نیتروژن موجود در ساختار Pd/NRGO باعث پراکندگی بهتر نانوفلزات پالادیوم بر روی سطح گرافن شده و از تجمع آنها جلوگیری کرده است. برای بررسی رفتار کاتالیستی کاتالیست‌ها از تست ولتامتری چرخه-ای، ولتامتری روبشی خطی و کرونوامپرومتری در محیط قلیایی اتانول بهره برده شده است. Pd/NRGO فعالیت کاتالیستی بهتری نسبت به Pd/RGO برای اکسیداسیون اتانول در محیط قلیایی از خود نشان می دهد. ویژگی‌های الکتروشیمیایی Pd/RGO و Pd/NRGO توسط تست ولتامتری چرخه‌ای CV در محلول پتاسیم هیدروکسید بمنظور اندازه‌گیری سطح فعال کاتالیست و در محلول اتانول و پتاسیم هیدروکسید برای بررسی رفتار پالادیوم در بستر گرافنی و بستر گرافنی نیتروژن‌دار انجام شد. برای بررسی بیشتر رفتارهای الکتروشیمیایی از تست‌های ولتامتری روبشی خطی برای مطالعه سینتیک واکنش کاتالیست‌ها و نیز تست کرونوآمپرومتری برای مطالعه پایداری هر دو کاتالیست استفاده شد. نتایج نشان داد که پالادیوم در حضور بستر گرافنی نیتروژن‌دار در مقایسه با Pd/RGO دانسیته جریان بالاتر، شیب تافل کمتر و پایداری بالاتری دارد.

کلیدواژه‌ها


[1] Y. Wang, D. Y. C. Leung, J. Xuan, H. Wang,
“A review on unitized regenerative fuel cell
technologies, part-A: Unitized regenerative proton
exchange membrane fuel cells,” Renewable and
Sustainable Energy Reviews, 20, 961-977, 2016.
[2] S. P. S. Badwal, S. Giddey, A. Kulkarni, J.
Goel, S. Basu, “Direct ethanol fuel cells for
transport and stationary applications a
comprehensive review,” Applied Energy, 145, 80-
103, 2015.
[3] P. E. Dodds, I. Staffell, A. D. Hawkes, F. Li, P.
Grünewald, W. McDowall, and P. Ekins,
“Hydrogen and fuel cell technologies for heating:
A review,” International Journal of Hydrogen
Energy, 5, 2065-2083, 2015.
[4] A. Kirubakaran, S. Jain, R. K. Nema, “A
review on fuel cell technologies and power
electronic interface,” Renewable and Sustainable
Energy Reviews, 9, 2430-2440, 2009.
[5] M. Z. F. Kamarudin, S. K. Kamarudin, M. S.
Masdar, W. R. W. Daud, “Review: Direct ethanol
fuel cells,” International Journal of Hydrogen
Energy, 22, 9438-9453, 2013.
[6] A. A. Daryakenari, D. Hosseini, T. Saito, A.
Apostoluk, C. R. Muller, J.-J. Delaunay, “Ethanol
electro-oxidation on nanoworm-shaped Pd particles
supported by nanographitic layers fabricated by
electrophoretic deposition,” RSC Advances, 65,
52578-52587, 2015.
[7] S. Abdullah, S. K. Kamarudin, U. A. Hasran,
M. S. Masdar, W. R. W. Daud, “Electrochemical
kinetic and mass transfer model for direct ethanol
alkaline fuel cell (DEAFC),” Journal of Power
Sources,320, 111-119, 2016.
[8] J. Cai, Y. Zeng, Y. Guo, “Copper @
palladium–copper core–shell nanospheres as a
highly effective electrocatalyst for ethanol electrooxidation in alkaline media,” Journal of Power
Sources, 96, 257-261, 2014.
[9] E. Antolini, “Catalysts for direct ethanol fuel
cells,” Journal of Power Sources, 1, 1-12, 2007.
[10] C. Bianchini, P. K. Shen, “Palladium-Based
Electrocatalysts for Alcohol Oxidation in Half
Cells and in Direct Alcohol Fuel Cells,” Chemical
Reviews, 9, 4183-4206, 2009.
[11] D. Chen, L. Tang, J. Li, “Graphene-based
materials in electrochemistry,” Chemical Society
Reviews, 8, 3157-3180, 2010.
[12] R. J. Young, I. A. Kinloch, L. Gong, K. S.
Novoselov, “The mechanics of graphene
nanocomposites: A review,” Composites Science
and Technology, 12, 1459-1476, 2012.
[13] C. Huang, C. Li, G. Shi, “Graphene based
catalysts,” Energy & Environmental Science, 10,
8848-8868, 2012.
[14] L. Yang, S. Jiang, Y. Zhao, L. Zhu, S. Chen,
X. Wang, Q. Wu, J. Ma, Y. Ma, Z. Hu, “BoronDoped Carbon Nanotubes as Metal-Free
Electrocatalysts for the Oxygen Reduction
Reaction,” Angewandte Chemie, 31, 7270-7273,
2011.
[15] B. Xiong, Y. Zhou, Y. Zhao, J. Wang, X.
Chen, R. O’Hayre, Z. Shao, “The use of nitrogendoped graphene supporting Pt nanoparticles as a
catalyst for methanol electrocatalytic oxidation,”
Carbon, Supplement C, 52, 181-192, 2013.
[16] D. S. Yang, D. Bhattacharjya, S. Inamdar, J.
Park, J. S. Yu, “Phosphorus-doped ordered
mesoporous carbons with different lengths as
efficient metal-free electrocatalysts for oxygen
reduction reaction in alkaline media,” Journal of
the American Chemical Society, 39, 16127-16130,
2012.
[17] M. Klingele, C. Pham, K. R. Vuyyuru, B.
Britton, S. Holdcroft, A. Fischer, and S. Thiele,
“Sulfur doped reduced graphene oxide as metalfree catalyst for the oxygen reduction reaction in
anion and proton exchange fuel cells,”
Electrochemistry Communications, 37, 71-75,
2017.
[18] K. Kakaei and A. Balavandi, “Synthesis of
halogen-doped reduced graphene oxide nanosheets
as highly efficient metal-free electrocatalyst for
oxygen reduction reaction,” Journal of Colloid and
Interface Science, 21, 46-54, 2016.
[19] A. Heydari, H. Gharibi, “Fabrication of
electrocatalyst based on nitrogen doped graphene
as highly efficient and durable support for using in
polymer electrolyte fuel cell,” J. Power Sources,
37, 808-815, 2016.
[20] Y. Wang, Y. Shao, D. W. Matson, J. Li, Y.
Lin, “Nitrogen-Doped Graphene and Its
Application in Electrochemical Biosensing,” ACS
Nano, 4, 1790-1798, 2010.
[21] J. Albero, H. Garcia, “Doped graphenes in
catalysis,” Journal of Molecular Catalysis A:
Chemical, 52, 296-309, 2015.
[22] H. Wang, T. Maiyalagan, X. Wang, “Review
on Recent Progress in Nitrogen-Doped Graphene:
Synthesis, Characterization, and Its Potential
Applications,” ACS Catalysis, 5, 781-794, 2012.
[23] R. Krishna, D. M. Fernandes, A. Marinoiu, J.
Ventura, C. Freire, E. Titus, “Facile synthesis of
well dispersed Pd nanoparticles on reduced
graphene oxide for electrocatalytic oxidation of
formic acid,” International Journal of Hydrogen
Energy, 2017.
[24] S. Guo, S. Li, T. Hu, G. Gou, R. Ren, J.
Huang, M. Xie, J. Jin, J. Ma, “Graphene decorated
with Pd nanoparticles via electrostatic selfassembly: A highly active alcohol oxidation electrocatalyst,” Electrochimica Acta, 21, 276-282,
2013.
[25] L. Ma, D. Chu, R. Chen, “Comparison of
ethanol electro-oxidation on Pt/C and Pd/C
catalysts in alkaline media,” International Journal
of Hydrogen Energy, 15, 11185-11194, 2012.
[26] G. Hu, F. Nitze, T. Sharifi, H. R. Barzegar, T.
Wagberg, “Self-assembled palladium nanocrystals
on helical carbon nanofibers as enhanced
electrocatalysts for electro-oxidation of small
molecules,” Journal of Materials Chemistry, 17,
8541-8548, 2012.
[27] Y. Wang, Z. M. Sheng, H. Yang, S. P. Jiang,
C. M. Li, “Electrocatalysis of carbon black- or
activated carbon nanotubes-supported Pd–Ag
towards methanol oxidation in alkaline media,”
International Journal of Hydrogen Energy, 19,
10087-10093, 2010.
[28] S. Li, H. Yang, R. Ren, J. Ma, J. Jin, J. Ma,
“Facile fabrication of palladium-ionic liquidsnitrogen-doped graphene nanocomposites as
enhanced electro-catalyst for ethanol oxidation,”
Journal of Power Sources, 21, 360-368, 2015.
[29] L. Shahriary and A. A. Athawale, “Graphene
oxide synthesized by using modified hummers
approach,” Int. J. Renew. Energy Environ. Eng, 01,
58-63, 2014.
[30] K. Kakaei, “Palladium silver nanoparticle
catalysts synthesis on graphene via a Green
Reduction in tea Solution for oxygen reduction
reaction in PEM fuel cells,” Journal of Selcuk
University Natural and Applied Science, 2, 1021-
1030, 2014.
[31] Z. X. Liang, T. S. Zhao, J. B. Xu, L. D. Zhu,
“Mechanism study of the ethanol oxidation
reaction on palladium in alkaline media,”
Electrochimica Acta, 8, 2203-2208, 2009.
[32] R. M. Abdel Hameed, “Enhanced ethanol
electro-oxidation reaction on carbon supported Pdmetal oxide electrocatalysts,” Journal of Colloid
and Interface Science, 97, 230-240, 2017.
[33] K. Kakaei, A. Balavandi, “Hierarchically
porous fluorine-doped graphene nanosheets as
efficient metal-free electrocatalyst for oxygen reduction in gas diffusion electrode,” Journal of
Colloid and Interface Science, 13, 819-824, 2017.