نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

فیلم پالادیم ـ نانو لوله های کربنی ـ گرافیت ـ پلی وینیل کلراید انعطاف پذیر برای کاربرد به عنوان الکتروکاتالیست مناسب در احیای اکسیژن در پیل سوختی میکروبی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
مسعود فرجی
یوسف رزمی
دانشکده شیمی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران
چکیده
پیل سوختی میکروبی (MFC) ابزاری است که انرژی شیمیایی را از طریق فرآیندهای کاتالیستی میکروارگانیسم­ ها به انرژی الکتریسیته تبدیل می کند. در این مطالعه، فیلم انعطاف‌پذیر بر پایه گرافیت از طریق افزودن پودر روی (Zn) به مخلوط نانولوله‌های کربنی چند جداره - پودر گرافیت - پلی وینیل کلراید (PVC) و سپس جایگزینی انتخابی ذرات پالادیم (Pd) با Zn در محلول شامل PdCl2 بدست آمد. مطالعات ریخت­ شناسی سطح  نشان داد که فیلم انعطاف­ پذیر دارای ساختار  متخلخل می باشد به طوری­ که پالادیم و نانولوله­ های کربنی به عنوان کانال­ های انتقال جریان بطور یکنواخت در کامپوزیت فیلم وجود دارند. بررسی­ های الکتروشیمیایی نشان داد که فیلم  متخلخل Pd/MWCNTs-Graphite-PVC به عنوان کاتد در MFC در مقاومت 22 اهمی دارای چگالی جریان و چگالی  توان mA/m2 568 µW/m2 18500 می ­باشد (در مقایسه با چگالی جریان و چگالی  توان mA/m2  191 و µW/m2 810 برای ورقه پلاتین) که موید این است که فیلم اصلاح شده فعالیت عالی در اکسایش اکسیژن در پیل سوختی میکروبی دارد. بهبود در رفتار الکتروکاتالیستی فیلم اصلاح شده را می­ توان به ساختار متخخل فیلم و تاثیرات هم افزایی بین نانوله کربنی و پالادیم نسبت داد. روش ارائه شده در این تحقیق می­ تواند به عنوان روشی مطلوب برای تهیه الکتروکاتالیست­ های مناسب بر پایه پودر گرافیت تجاری در پیل سوختی میکروبی مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها
پیل سوختی میکروبی
کاتد
نانولوله کربنی چند لایه
گرافیت
پالادیم
پلی وینیل کلراید

موضوعات

[1] Min B., Kim J., Oh S., Regan J.M., Logan B.E., Electricity Generation from Swine Wastewater Using Microbial Fuel Cells, Water res., 39: 4961-4968 (2005).
[2] Shukla A., Suresh P., Sheela B., Rajendran A., Biological Fuel Cells and Their Applications, Current sci., 87: 455-468 (2004).
[3] Kumar A., Suransh T., Mungray J.A., Mungray A.K., SnO2:PANI Modified Cathode for Performance Enhancement of Air-Cathode Microbial Fuel Cell,  J. Environ. Chem. Eng., 8: 103590-103594 (2020).
[4] Fan M., Li H., Mo J., Cheningwen Y., Liu J., Zhu J., Shen S., Performance Comparison of Activated Carbon and Pt/C Cathode Microbial Fuel Cells on Sulfamethoxazole Degradation: Effect of Salinity and Mechanism Study, J. Cleaner Prod., 375: 134018-134023 (2022).
[5] Bhowmick G., Kibena-Põldsepp E., Matisen L., Merisalu M., Kook M., Käärik M., Leis J., Sammelselg V., Ghangrekar M., Tammeveski K., Multi-Walled Carbon Nanotube and Carbide-Derived Carbon Supported Metal Phthalocyanines as Cathode Catalysts for Microbial Fuel Cell Applications, Sustain. Energy Fuels, 3: 3525-3537 (2019).
[6] You S.J., Ren Q., Zhao Q.L., Wang J.Y., Yang F.L., Power Generation and Electrochemical Analysis of Biocathode Microbial Fuel Cell Using Graphite Fibre Brush as Cathode Material, Fuel cells, 9 :588-596 (2009).
[7] رحیم نژاد مصطفی، علی پناهی رسول، بررسی عملکرد پیل سوختی میکروبی رسوبی در حضور کاتدهای برسی از جنس فلزهای گوناگون، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 38: 271 تا 278 (1398).
[8] حسینی میرقاسم؛ حسیزاده فرخ؛ سنتز، شناسایی و بررسی رفتار الکتروکاتالیتیکی واکنش احیای اکسیژن نانوکاتالیسیت های پالادیوم بر روی انواع آلوتروپی کربنی، مجله شیمى کاربردى، 13: 90 تا 110 (1397).
[9] Bhowmick G., Kibena-Põldsepp E., Matisen L., Merisalu M., Kook M., Käärik M., Leis J., Sammelselg V., Ghangrekar M., Tammeveski K., Multi-Walled Carbon Nanotube and Carbide-Derived Carbon Supported Metal Phthalocyanines as Cathode Catalysts for Microbial Fuel Cell Applications, Sustain. Energy Fuels, 3 :3525-3537 (2019).
[10] Mashkour M., Rahimnejad M., Effect of Various Carbon-Based Cathode Electrodes on the Performance of Microbial Fuel Cell, Biofuel Res. J., 2: 296-300 (2015).
[11]  Faraji M.,   Khalilzadeh Soltanahmadi R. , Mohammadzadeh Aydisheh H., Mostafavi Bavani B.,   2.0-V Flexible All-Solid-State Symmetric Supercapacitor Device with High Electrochemical Performance Composed of MWCNTs-WO3-Graphite Sheet, Ionics,  26: 3003-3013 (2020).
[12] Faraji M., Mohammadzadeh Aydisheh H., Facile and Scalable Preparation of Highly Porous Polyvinyl Chloride-Multi Walled Carbon Nanotubes-Polyaniline Composite Film for Solid-State Flexible Supercapacitor, Compos. Part B-Eng.,  168: 432-441 (2019).
[13] Faraji M., Mohammadzadeh Aydisheh H., Rational Synthesis of a Highly Porous PANI-CNTs-PVC Film for High Performance Flexible Supercapacitor, Chem Electro Chem, 5: 2882-2892 (2018).
[14] Yang L.P., Mi J.L., Liang.H., Zu Z.Y., Zhang P., Copper–Carbon: An Efficient Catalyst for Oxygen Reduction, ACS Appl. Energy Mater., 2: 6295-6301 (2019).
[15] You S.J., Ren N.Q., Zhao Q.L., Wang J.Y., Yang F.L., Power Generation and Electrochemical Analysis of Biocathode Microbial Fuel Cell Using Graphite Fibre Brush as Cathode Material, Fuel cells, 9:588-596 )2009).
[16] Kharisov B.I., Kharissova O.V., Ortiz Mendez U., De La Fuente I.G., Decoration of Carbon Nanotubes with Metal Nanoparticles: Recent Trends, Syn. React.Inorg. Met,. 46: 55-76 (2016).
[17] Al-Ghamdi A.A., El-Tantawy F., Aal N.A., El-Mossalamy E., Mahmoud W.E., Stability of New Electrostatic Discharge Protection and Electromagnetic Wave Shielding Effectiveness from Poly (Vinyl Chloride)/Graphite/Nickel Nanoconducting Composites, Polym. Degrad. Stabil, 94: 980-986 (2009).
[18] Arsiya F., Sayadi M.H., Sobhani S., Green Synthesis of Palladium Nanoparticles Using Chlorella Vulgaris, Mater. Lett., 186: 113-115 (2017).
[19] Srinivasan N., Revathi M.,  Pachamuthu P., Surface and Optical Properties of Undoped and Cu Doped ZnO Nanostructures, Optik, 130: 422-426 (2017).
[20] Wang H.,  Wei L.,  Yang C., Liu J.,  Shen J., A PYRIDINE-FE GEL with an Ultralow-Loading Pt Derivative as ORR Catalyst in Microbial Fuel Cells with Long-Term Stability and High Output Voltage, Bioelectrochemistry, 131: 107370-107375 (2020).
[21] Chen W., Liu Z., Li Y., Jiang K., Hou J., Lou X., Xing X., Liao Q., Zhu X., A Novel Stainless Steel Fiber felt/Pd Nanocatalysts Electrode for Efficient ORR in Air-Cathode Microbial Fuel Cells, Electrochim. Acta, 324: 134862-134868 (2019).
[22] Wei M., Li H., Wu S., Wang Y., Guo G., Liu Y., First-Principles Study of Oxygen Reduction Reaction on Pd-Doped LaxSr1-xCoyFe1-yO3-δ Cathodes of Solid Oxide Fuel Cells, Int. J. Hydrogen Ener. 44: 8720-28730 (2019).