PREPARATION OF METAL OXIDE NANOPARTICLE-MODIFIED CARBON ELECTRODES FOR OXYGEN EVOLUTION REACTION. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF THESIS-_FINAL-_Qasem.pdf Download (4MB) | Preview

Arabic Abstract

من إحدى مصادر الطاقة المتجددة عملية أكسدة الماء. حيث يمكن أن تستخدام المواد الناتجة(بروتونات والإلكترونات) من هذه العملية في تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى حمض الفورميك الذي يمكن أن يستخدم كوقود.وهناك طرق عديدة لأكسدة المياه : واحدة من هذه الطرق تتم باستخدام قطب كهربائي(باستتخدام كهرباء) أو ضوئي(باستخدام ضوء الشمس) وينتج عن ذلك أكسجين وإلكترونات(e-) وبروتونات(H+).وهذا العملية تسمى تفاعل نشوء أو توليد الآكسجين . ولكن من المعوقات التي تواجه هذه الطريقة هي أن معدل التفاعل بطيئ ، ويحتاج إلى جهد كهربائي عالي لتوليد الأكسجين بالإضافة إلى قلة نشاط الحوافز مع الركائز اتجاه هذه العملية .لذلك نحن حضرنا حوافز مع ركائز بطريقة معينة ؛ لمواجهة هذه التحديات وتقليلها .وفي هذه الرسالة استخدمنا الإلكترود الكهربائي فقط لذلك الغرض؛ لسهولة إعداده وتحضيره.وحيث أن الحوافز لها دور كبير في تحفيز هذا الإلكترود فإن الجزء الأكبر في هذه الرسالة هو تحضير حوافز نانوية من أكاسيد المعادن مع أقطاب من مادة الكربون .وقد تم تحضير أكسيدين (أكسيد النيكل(NiO ) وأكسيد الكوبلت(Co3O4 )) ذاتا الأحجام النانوية على النحو الآتي:بالنسبة لأكسيد النيكل فلقد تم خلط كمية معينة من حمض البومك(Na2PA) المحتوي على ثنائي ملح الصوديوم مع كمية معينة من نيتريد النيكل المشبع بالماء(Ni(NO3)2·6.H2O) في محلول الإيثانول.ومن ثم خلط الناتج من ذلك خلطا جيد حتى يصيرالمحلول بما فيه متجانسا بشكل جيدا.ومن ثم يتم تبخير الإيثانول برفع درجة الحرارة إلى حوالي 65 درجة مئوية .وبعد ذلك يأخذ المركب الناتج من ذلك لتجفيفه بالفرن طيلة الليل عند درجة حرارة 40 درجة مئوية ، ومن ثم يوضع المنتج الصلب في قارب صغير مصنوع من الالومنيوم الذي بدورة يوضع في أنبوب زجاج الموجود في داخل الفرن ؛ للحصول على مادة ذات حجم نانوي،علما بأن درجة الحرارة ترتفع فيه(الفرن) كل دقيقة عشرة درجات حراربة مئوية حتى تصل إلى الخمسمائة وعشرين درجة مئوية.وبعد ذلك تستمر درجة الحرارة ثابتة لمدة ثلاث ساعات عند الخمسمائة وعشرين .ومن ثم يتم خفض درجة الحرارة خمس درجات كل دقيقة . ومن ثم يتم أخذ المادة الناتجة(أكسيد النيكل) ذات الأحجام النانو مترية (عشر أس سالب تسعة متر) ووضعها على الداعم (القطب) الذي يتم صنعه من مادة أوراق الترشيح تحت درجة حرارة تصل إلى 850 درجة مئوية لمدة خمس ساعات بحيث يتم استخلاص الكربون ذات الغشاء النافذ.بعد ذلك يتم دمج تلك المواد النانونية بالقطب الكربوني المستخلص بترسيب أكسيد النيكل على الكترود(قطب) الكربون ذات الغشاء النافذ بتقطير(قطرة بقطرة) محلول أكسيد النيكل(مللي جرام من المادة مع ملليمتر من الماء) ذات الأحجام النانونية على قطب الكربون الذي بدورة يعمل كركيزة أو داعم للمادة الحافزة(أكسيد النيكل ) .ومن ثم يتم تجفيف ذلك على مدى ليلة كاملة .وبعد ذلك يتم استخدام قطب الكربون المعدل بذرات أكسيد النيكل في عملية التحليل الكهربائي في محلول هيدروكسيد الصوديوم باستخدام الآالة (CHI (760E)).بالنسبة لتحضير أكسيد الكوبلت ذات الأحجام النانوية على قطب الكربون واستخدامه في عملية التحليل الكهربائي تمت بنفس طريقة أكسيد النيكل ماعدا أن أكسيد الكوبلت تم إعداده بتسخين أو حرق نتريد الكوبلت المشبع بالماء ( Co(NO3)2·6H2O)فقط بدون إضافة أي مادة أو محلول في الفرن . لقد كانت النتيجة كالآتي :أن التيار الناتج من العملية باستخدام قطب الكربون المعدل مع أكسيد المعدن أعلى بكثير من استخدام قطب الكربون بدون أي إضافة .بالإضافة إلى أن أكسدة الماء حدثت عند جهد كهربائي اقل بالنسبة للأقطاب المعدلة بذرات أكسيدا المعدنين(النيكل والكوبلت) مقارنة باقطاب الكربون بدون إضافة.أما بالنسبة لحافزأكسيد النيكل مع حمض بوميك فإن نشاطه على قطب الكربون اتجاه أكسدة الماء(تفاعل نشوء أو توليد الأكسجين ) أكبر من نشاطه بدون الحمض المذكور سابقا .بالإضافة إلى أن كثافة التيار الناتج من التحليل الكهربائي مع قطب الكربون المعدل بأكسيد النيكل المعد مع حمض البومك أكبر من ذلك القطب المعد بدون الحمض.وهذا يؤكد أهمية الحمض المذكور سابقا في تحضير ذرات أكسيد النيكل .بالإضافة إلى ما سبق فقد تم دراسة تأثير اختلاف درجة الحرارة على أكسيد الكوبلت (Co3O4) .وكذلك تم تعيين خصائص القطبين المعدلين بأكسيدي النيكل و الكوبلت ,بالإضافة إلى تعيين خصائص كل من أكسيدي النيكل والكوبلت النانونية باستخدم عدة أجهزة : جهاز الأشعة لتعيين المركبات الكيميائية(XRD) X-Ray Diffraction)(، وجهاز التحليل الحراري) (Thermogravimetric Analysis (TGA)،) وأجهزة تعيين الشكل الخارجي للبلورة المتكونة وشكل السطح الخارجي) Scanning Electron Microscopy (SEM) وTransition Electron(TEM) Microscopy) وجهاز تعيين الروابط الكيميائية بين المجموعات الوظيفية وبين العناصر والذرات(Fourier Transform Infrared Spectroscopy(FT-IR)) وجهاز تعيين نشاط العناصر (X-ray photoelectron spectroscopy (XPS))

English Abstract

Electrochemical / photoelectrochemical water oxidation (i.e. oxygen evolution) reaction (OER) is one of the most important approaches to convert renewable energy like the solar energy to usable fuels. Generally, the oxygen evolution reaction is kinetically slow (i.e.it needs high overpotential) at commonly employed electrode in both electrochemical or phothoelectrochemical OER. As a result, the modification of the electrode with a suitable catalyst is needed to reduce the required energy and increase the rate of reaction. Thus, catalyst plays an important role in this process, resulting in minimizing the process cost. Therefore, several studies have been conducted with the objective of catalyst preparation and characterization. Most researchers have used high cost materials as substrate electrodes such as gold and platinum. In this work, we used low cost substrate electrode, porous carbon electrode (PCE). We prepared the FPCE by simply heating the normal filter papers in nitrogen atmosphere in tubular furnace. Then, the metal oxides nanoparticles are deposited on the prepared PCE. We deposited the pre-synthesized NiO and Co3O4 NPs using drop-drying method. Here, we optimized the deposition parameters such as the applied current and time in order to get the highest possible efficiency in OER. For the case of NiOx NPs, we developed a novel method to prepare NiOx NPs. Initially, we mixed carboxylic acid functionalized organic molecules and nickel precursor in organic solvent, and then the solution was heated to remove the solvent. Finally, the raw catalyst was flame-treated in ambient atmosphere to obtain the monodisperse spherical NiOx NPs. Next, the NiOx NPs were drop-casted on the FPCE to check its efficiency in electrochemical water oxidation. Similarly, Co3O4 NPs were prepared from only cobalt precursor by thermal decomposition and deposited on FPCE by drop-casting method. The NiOx and Co3O4 NPs -modified electrode showed significantly high electrocatalytic properties in OER. The used NPs (both NiOx and Co3O4) and NPs-modified PCE were characterized in detail by various modern techniques such as scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and thermogravimetric analysis (TGA).In conclusion, the prepared catalysts are cheap and have high efficiency ,which make them attractive for water oxidation (i.e., sustainable and clean energy production).

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Chemical Engineering
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemical Engineering
Committee Advisor:	Onaizi, Sagheer A.
Committee Co-Advisor:	Abdul Aziz, Md.
Committee Members:	Ba-Shammakh, Mohammed
Depositing User:	MOHAMMED QASEM (g200993710)
Date Deposited:	22 Jan 2018 08:17
Last Modified:	30 Dec 2020 12:22
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140581