سنتز الکتروکاتالیست‌های پایه کربنی همراه هترواتم بر پایه چارچوب‌های فلز-آلی

کد مقاله : 1155-IACC7

نویسندگان

زهرا رضایی *، علیرضا محجوب، نیما دلیر دانشگاه تربیت مدرس

چکیده مقاله

مقدمه در دهه‌های گذشته، پیشرفت سریع اقتصادی و استفاده بیش از حد از سوخت‌های فسیلی آسیب‌های زیست محیطی و کمبود انرژی را به همراه داشته است. بنابراین، توسعه فناوری‌های پیشرفته ذخیره و تبدیل انرژی ضروری است. تاکنون تحقیقات مرتبط زیادی در مورد این مشکلات انجام شده است. در میان آن‌ها، برای اکثر سیستم‌های تبدیل انرژی، راندمان و دوام بالای کاتالیزورها بسیار مهم است. چارچوب‌های فلزی-آلی(MOFs)، که با اتصال گره‌های فلزی و لیگاندهای آلی ساخته شده‌اند، در دو دهه گذشته به دلیل ویژگی‌های ذاتی‌شان از توجه زیادی برخوردار بوده‌اند. در مقایسه با مواد متخلخل سنتی، MOF ها دارای خواص شگفت انگیزی مانند سطح ویژه و تخلخل فوق‌العاده بالا، ترکیب شیمیایی قابل تنظیم و انعطاف‌پذیری عالی پیکربندی هستند که چشم‌انداز امیدوارکننده‌ای را در زمینه‌های مختلف نشان می‌دهد. با این حال، پایداری ضعیف، به ویژه حساسیت به رطوبت و هدایت الکتریکی ضعیف، مانع از کاربردهای عملی بسیاری ازMOF ها می‌شود. خوشبختانه به‌طور گسترده به عنوان پیش‌سازهای امیدوارکننده برای آماده‌سازی مشتقات کاربردی برای اهداف مختلف ظاهر شده‌اند. می‌توانند به مشتقات پایدارتر و رسانا (مانند مواد کربنی، اکسیدهای فلزی و کامپوزیت های فلز/کربن) تبدیل شوند که ویژگی هایMOF های اصلی را به ارث می‌برند. به ویژه، در میان این مشتقات، کامپوزیت‌های فلز/کربن مشتق شده از MOF با ترکیب ویژگی‌های فلزی و کربنی به دلیل ساختار سلسله مراتبی و محتویات فلزی، اثرات هم‌افزایی نشان می‌دهند. {1} بخش تجربی و / یا بخش نظری چارچوب‌های ایمیدازولات زئولیتی(ZIFs) یکی از زیرخانواده‌ رایج در میان MOFهای مختلف است. منبع فلزی ZIFها یون‌های فلزات واسطه مانند 2+Co و 2+Zn هستند و پیوند دهنده آلی آن‌ها، ایمیدازول یا مشتقات ایمیدازول است. {2} ZIFها توسط یک مرکز فلزی و یک پیوند‌دهنده آلی تشکیل می‌شوند و دارای ریخت‌شناسی منظم منافذ دائمی هستند، که این امکان را فراهم می‌کند که هم به عنوان پیش‌ساز و هم به عنوان الگوی فداکارانه برای آماده‌سازی نانومواد در تبدیل حالت جامد ناشی از حرارت عمل کنند. از یک طرف، گونه‌های فلزی موجود در ZIFها منبع فلزی برای تشکیل مشتقات ZIF مانند اکسیدهای فلزی و سولفیدها فراهم می‌کنند. از طرف دیگر، جزء آلی می‌تواند به عنوان منبع کربن برای به دست آوردن مواد کربنی متخلخل مختلف استفاده شود. مشتقات مختلف می‌تواند ظرفیت ویژه و رسانایی بالا را با تنظیم فرایند (مانند انتخاب دمای عملیات حرارتی و جو پیرولیز) به دست آورد. {3} ZIF-L/Zn با استفاده از مخلوطی از Zn(NO3)2.6H2O ( ۵9۵/۰ میلی گرم، ۲ میلی مول( به عنوان منبع فلزی و 2-methylimidazole ( ۱۳۱/۶ میلی گرم، ۱۶ میلی مول( به عنوان پیونددهنده آلی در ۸۰ میلی لیتر آب دیونیزه به مدت ۶ساعت در دمای اتاق همزده شد. سپس یک ماده جامد سفید رنگ رسوب کرد که جامد بدست آمده توسط سانتریفیوژ جدا شد و با DMF و متانول شسته شده و سپس در 70 درجه سانتیگراد در آون خلاء خشک شد . مقدار مشخصی از محصول نهایی را در داخل کوره (محیط بی‌اثر گاز آرگون) با میزان سرعت 2درجه بر دقیقه به دمای 600 درجه سلسیوس رسانده و سپس به دمای محیط رساندیم. یعنی طی مدت زمان 6 ساعت به دمای 600درجه سلسیوس رسیده و به مدت زمان 2 ساعت در این دما باقی‌مانده و سپس به دمای محیط می‌رسد. پودر سیاه‌رنگی بدست می‌آید. از محصول مورد نظر پیش از فرآیند پیرولیز و پس از آن، جهت بررسی ساختار، آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM) گرفته شد. سپس جهت بررسی خواص الکتروشیمیایی MOF مورد نظر پیش از پیرولیز و پس از آن، از آن‌ها الکترود تهیه کردیم. مقدار مشخصی از ماده موردنظر را به همراه چسب و کربن‌سیاه مخلوط کرده و برروی الکترود شانه‌ای طلا کدگذاری کردیم، پس از خشک شدن الکترود، آن را در محیط Fe(CN)6-3 قرار داده و خواص الکتروشیمیایی 2 الکترود مورد نظر را بررسی کردیم. یافته ها ریخت‌شناسیZIF-L/Zn خالص و ZIF-L/Zn پس از پیرولیز با استفاده ازSEM مورد بررسی قرار گرفت. همانطور که در شکل2 (a) مشاهده می‌شود ساختار ZIF-L/Zn پیش از پیرولیز دارای ساختار لایه‌ای‌ دوبعدی به صورت برگ‌مانند با توزیع ذرات به صورت یکنواخت است. شکل(b) ساختار ZIF-L/Zn پس از پیرولیز مشاهده می‌شود که ریخت‌شناسی تغییر کرده‌است و به صورت ساختار گرافن‌مانند با مورفولوژی خاص درمی‌آید. می تواند به نوبه خود منجر به افزایش سطح ویژه و در نتیجه بهبود خصلت الکتروشیمیایی گردد. با توزیع خوب نانوذرات می‌تواند سایت‌های فعال‌تری را فراهم کند که برای بهبود عملکرد الکتروشیمیایی مفید است. به منظور بررسی تفاوت رفتار الکتروکاتالیزوری ZIF-L/Zn خالص و ZIF-L/Zn پس از پیرولیز، تست ولتامتری چرخه ای انجام گردید. همانطور که در شکل۳ مشاهده می‌شود شدت جریان پس از پیرولیز نسبت به پیش از پیرولیز افزایش پیدا کرده‌است و هم‌چنین محل پیک‌ها به سمت پتانسیل‌های کمتر میل کرده‌است که نشان می‌دهد واکنش‌های اکسایش و کاهش پس از پیرولیز بهتر انجام می‌شود. به طور مثال پیش از پیرولیز، در چرخه آندی پیک در پتانسیل V 3/0 با نسبت Ag/AgCl و در حالی که پس از پیرولیز پتانسیل به حدود V 15/0بانسبت Ag/AgCl کاهش پیدا کرده است. همینطور در چرخه کاتدی این پدیده‌ دیده می‌شود. نتیجه ‌گیری بررسی SEM پیش از پیرولیز و پس از پیرولیز MOF مورد نظر نشان می‌دهد که ریخت‌شناسی ZIF-L/Zn پس از پیرولیز تغییر کرده و سطح آن به بستر گرافن‌مانند با مورفولوژی خاص تبدیل می‌شود. هم‌چنین بررسی فعالیت الکتروشیمیایی ZIF-L/Zn پیش از پیرولیز و پس از آن، نشان می‌دهد که فرآیند گرافیتی‌کردن به طور موثری توانسته‌است خواص الکتروشیمیایی و هدایت الکتریکی MOF را بهبود ببخشد که از آن می‌توان به عنوان یک الکتروکاتالیست برای کاربردهایی مانند شکافت آب و تبدیل CO2 استفاده کرد.

کلیدواژه ها

چارچوب‌های فلزی-آلی(MOFs)، چارچوب‌های ایمیدازولات زئولیتی (ZIFs)، الکتروکاتالیست، نانومواد مبتنی بر کربن

وضعیت: چکیده برای ارائه به صورت پوستر پذیرفته شده است