وزارت علوم، تحقیقات و فناوری

دانشگاه علوم و فنون مازندران

پایان‌نامه

مقطع کارشناسی ارشد

رشته: مهندسی شیمی

عنوان: سنتز غربال های مولکولی سیلیکوآلومینو فسفات در ابعاد نانو و کاربردهای آن -در الکتروشیمی-

اساتید راهنما: سید کریم حسنی نژاد درزی، مصطفی رحیم نژاد نجارکلایی

تابستان 1393

چکیده

در این پروژه سعی بر این بود گامی کوچک در راستای سنتز غربال مولکولی سیلیکوآلومینوفسفات در ابعاد نانو و بکارگیری آن در پیل­های سوختی با سوخت متانول برداشته شود. لذا در این راه نانو سیلیکوآلومینوفسفات در شرایط هیدروترمال در شرایط بهینه تولید گردید. در ادامه از تکنیک­های  XRD، FT-IR, SEM برای شناسایی غربال­های مولکولی استفاده شد. نتایج طیف XRD نشان داد که سنتز غربال مولکولی سیلیکوآلومینوفسفات موفقیت آمیز بوده و میانگین اندازه ذرات تقریباً 35 نانومتر تخمین زده شد. نمونه­ی سنتز شده در پیل­های سوختی متانول مستقیم به کار برده شد. در غیاب متانول، مقدار ضریب انتقال الکترون (α) برابر با 5547_/0، میانگین ثابت بار (k_s)  برابر با 023_/0 (1/s)، میانگین پوشش سطح الکترود   برابر با ^7-10 × 89_/9 و نیز در حضور متانول مقدار سرعت کاتالیزوری برابر با 10⁴   616_/4 و ضریب نفوذ آشکار برابر با 848 _/4  بدست آمد.

کلمات کلیدی: نانو سیلیکوآلومینوفسفات، سنتز هیدروترمال، غربال مولکولی، ولتامتری چرخه­ا­ی، پیل سوختی متانول مستقیم

فهرست مطالب

فصل اول – مقدمه و کلیات تحقیق

• مروری کلی بر غربال مولکولی سیلیکوآلومینوفسفات.. 2
  • زئولیت­های طبیعی………………………………….. 6
• سنتز غربال­های مولکولی………………… 6
• اصلاح­ غربال­های مولکولی­ سیلیکوآلومینوفسفاتی. 9
• شناسایی غربال­های مولکولی سیلیکوآلومینوفسفاتی.. 11
  • روش میکروسکوپ الکترونی………………………….. 11
  • روش پراش اشعه X (XRD)  …………………………… 12
  • روش FTIR 12
• مقدمه­ای بر پیل­های سوختی……………… 12
• الکترودهای اصلاح شده و فرایند الکتروکاتالیزور.. 15
• انواع کاتالیزورهای مورد استفاده در الکترواکسیداسیون آندی متانول…………………………….. 18
  • الکتروکاتالیزورهای متانول در محیط اسیدی……………….. 18

1-7-2. الکتروکاتالیزورهای متانول در محیط قلیایی 18

• اندازه­گیری الکتروشیمیایی…………….. 19
• هدف از پژوهش……………………….. 19

فصل دوم – ادبیات و پیشینه تحقیق

• تاریخچه­ی پیل سوختی………………….. 21
• مروری بر تحقیقات الکتروکاتالیزوری…….. 22
• تاریخچه­ی مواد غربال­های مولکولی……….. 23
  • زئولیت­های آلومینو سیلیکاتی و غربال­های مولکولی سیلیسی…… 23

فصل سوم – روش تحقیق

• مواد اولیه و تجهیزات آزمایشگاهی………. 30
  • مواد اولیه 30
  • تجهیزات آزمایشگاهی…………………………………. 32
    • دستگاه پتانسیواستات/گالوانواستات……….. 32
  • سنتز و ساخت………………………… 33
    • سنتز نانو سیلیکوآلومینوفسفات…………………. 33
    • ﺳﺎﺧﺖ اﻟﻜﺘﺮوﻛﺎﺗﺎﻟﻴزور……………………. 34
  • روش ارزیابی عملکرد الکتروکاتالیزوری…… 35
    • مقایسه الکترود مربوطه با الکترود خمیر کربن…………. 36

فصل چهارم – محاسبات و یافته­های تحقیق

• • تعیین خصوصیات کاتالیزور­های سنتزی……… 39
    • آنالیز XRD 39
    • آنالیز FESEM 40
    • آنالیز FTIR 42
  • ارزیابی عملکرد الکتروکاتالیزورها……… 44
    • آنالیز الکتروشیمی الکترودهای اصلاح شده………………… 47
    • اکسیداسیون الکترولیت متانول در سطح الکترود اصلاح شده 54
    • ارزیابی کرنوآمپرومتری……………………… 58
  • بررسی عملکرد و پایداری الکترود Ni-SAPO/CPE. 63

فصل پنجم – نتیجه گیری و پیشنهادات

• غربال مولکولی کریستال نانو سیلیکوآلومینوفسفات. 66
• الکترود اصلاح شده با نانوسیلیکوآلومینوفسفات سنتز شده 66
• پیشنهادات……………………………………………………………………………… 67

پیوست – منابع و ماخذ…………………….. 68

چکیده انگلیسی…………………………… 72

فهرست شکل‌ها

شکل1-1: واحدهای TO₄ در غربال مولکولی­های زئولیتی و آلومینوفسفاتی…………………………….    3

شکل 1-2: ساختار اتمی شبکه­های CHA(a), MFI(b), AFI(c), DON(d)…………………………….     5

شکل1-3: روش سنتز قالبی و قالب­های رایج در آن: 1. تک مولکول، 2. مولکول دوگانه دوست (دارای یک رشته‌ی آلی چربی دوست (قرمز) و یک سر آب دوست (آبی): Amphiphile))و 3. مایسل (خوشه­ای از مولکول های دوگانه-دوست: Micelle)) و 4. مواد پیچیده­تر، 5. یک ساختار کروی، 6. دسته­ای از ساختارهای کروی……………………………….     9

شکل 3-1: نمایی از نحوه­ی فعالیت پتاسیواستات…………………………………………………………….. 32

شکل 4-1: الگوی XRD غربال مولکولی نانوساختار SAPO………………………………………………. 39

شکل 4-2: الگوی XRDغربال مولکولی نانوساختار NiSAPO……………………………………………. 40

شکل 4-3: تصویر SEM غربال مولکولی نانوساختار SAPO………………………………………………. 41

شکل 4-4: تصویر SEM غربال مولکولی نانوساختار NiSAPO……………………………………………   42

شکل 4-5: آنالیز FTIR  غربال مولکولی نانو ساختار SAPO ……………………………………………..   43

شکل 4-6: آنالیز FTIR کاتالیزور  نیکل SAPO………………………………………………………………   43

شکل 4-7: ولتامتری چرخه­ای الکترود الف CPE و  ب الکترود اصلاح شده 25%SAPO/CPE  در محلولmM  10 پتاسیم فری سیانید وM 1/0  KCl با سرعت اسکنmV/S   20 و pH=7……………………44

شکل4-8: ولتامتری چرخه­ای الکترود SAPO/CPE  25% در محلول  در محلولmM  10 پتاسیم فری سیانید وM 1/0  KCl در سرعت اسکن­های بالاتر از 350 میلی ولت برثانیه و شکل الحاقی در سرعت اسکن­های کمتر از 350 در همان شرایط………………………………………………………………………………………..45

شکل 4-9 :شکل  برحسب  برای ولتامتری چرخه­ای اکسیداسیون K₄Fe(CN)₆ در صفحه­ی  (b)SAPO/CPE و (a)  CPE با سرعت اسکن­های مختلف……………………………………………………………..47

شکل 4-10: ولتامتری چرخه­ای الکترود (a)CPE و الکترود SAPO/CPE 25% (b) بعد از قرارگرفتن در محلول 1_/0  مولار نیکل کلراید و به همراه ولتامتری چرخه­ای قبل از گذاشتن الکترودها در محلول 1_/0 مولار نیکل کلراید…………………………………………………………………………………………………………………….48

شکل4-11: مقایسه­ی شدت جریان پیک آندی الکترودهای اصلاح شده در حضور و در غیاب متانول…..49

شکل 4-12: a چرخه ولتامتری Ni/NSAPO/CPE  در سرعت اسکن­های  کمتر از 300میلی­ولت بر ثانیه در محلول  1_/0  مولار  NaOH  . b شکل E_p  بر حسب Log υ  برای  پیک­های آندی (a)  و کاتدی (b) ولتامتری چرخه­ای نمایش داده شده در قسمت a . c  وابستگی جریان­های پیک­های آندی و کاتدی  به سرعت اسکن در سرعت اسکن­های کمتر(5 تا 75 میلی­ولت بر ثانیه).  d شکل  جریان­های پیک­های آندی و کاتدی بر حسب ^2/1υ  برای سرعت اسکن­های بالاتر از  75 میلی­ولت بر ثانیه………………………………….50

شکل 4-13: ولتامتری چرخه­ای  Ni/NSAPO/CPE  در محلول NaOH 1_/0 مولار الف در حضور  متانول 01_/0مولار و   ب غیاب متانول….…………………………..…………………………………….54

شکل 4-14: (a)   شکل I_pa بر حسب υ و (b)  I_pa برحسب ^2/1υ  داده­های استخراج شده ولتامتری چرخه_­­ای الکترود Ni-SAPO/CPE در حضور متانول با غلظت 005/0 در محلول 1/0  مولار NaOH در سرعت اسکن­های مختلف. (c)  تغییرات log(I_pa) بر حسب log υو (d)  شکل تغییرات ^2/1υ /I_pa  برحسب …υ..56

شکل 4-15: تغییرات نرخ  I_pa/I_pc  برای Ni-SAPO/CPE نسبت به سرعت اسکن در محلول NaOH 1_/0 مولار  ▲در غیاب متانول ■ در حضور متانول با غلظت 005_/0 مولار…………………………………………….58

شکل 4-16: منحنی تافل و منحنی الحاقی ولتامتری چرخه­ای الکترود اصلاحی در محلول NaOH  1_/0 مولار و در حضور متانول با غلظت 005_/0 مولار با سرعت اسکن mV/s 20………………………………………58

شکل4-17:  a  کرنوآمپرومتری دوپله­ای الکترود Ni/NSAPO/CPE  در محلول NaOH 1_/0  مولار باغلظتهای  0، 0015_/0، 003_/0، 01_/0 مولار متانول (گام­های پتانسیل به ترتیب 7_/0 و 3_/0 بر حسب Ag/AgCl/KCl )   b  منحنی جریان بر حسب زمان در I غیاب متانول و II حضور متانول c  وابستگی  به  از روی داده­های کرنوآمپرومتریc  وابستگی جریان به  از داده­های کرنوآمپرومتریd  وابستگی نرمال شده­ی شکلc  به غلظت متانول………………………………………………………………………………………..59

شکل 4-18: نمایش رفتار نمایی کرنوآمپرومتری الکترود  Ni/NSAPO/CPE در مقابل الکترود  CPE….61

شکل 4-19: تصویرSEM  a) الکترود خمیر کربن b) الکترود خمیرکربن اصلاح شده با SAPO %25w/w  c) الکترود خمیرکربن اصلاح شده با SAPO بعد از لود شدن در محلول نیکل کلراید 1/0مولار…………….63

فهرست جداول

جدول 1-1: مثال­هایی از زئولیت­های کوچک، متوسط، بزرگ حفره……………………………………………………….. 5

جدول 2-1: کشف­ها و پیشرفت­های اصلی در زمینه­ی مواد غربال کننده­ی مولکولی در طی این دوره                   23

جدول 2-2: سیر تکامل زئولیت­های آلومینوسیلیکاتی از دهه­ی 1950 تا دهه­ی 1970………………. 24

جدول 4-1: جدول محاسبات k_s  از طریق معادله (5) و شکل b4 برای mV 200<E∆…………………. 52

جدول 4-2: محاسبه مقدار k_cat……………………………………………………………………………………………………………………. 60

جدول 4-3: مقایسه­ی ثابت نرخ کاتالیزوری (k_cat) برخی از الکترودهای اصلاحی در اکسیداسیون متانول.

برای دانلود متن کامل پایان نامه اینجا کلیک کنید.