ساخت و ارزیابی کامپوزیت سه منظوره مبتنی بر بارگذاری کاتالیست دوفلزی Cu@Fe-N-C بر روی الیه های مکسین برای کاهش اکسیژن، در ابرخازن ها و الکترولیز آب

توسعه مواد پیشرفته و اقتصادی برای ارتقای فناوری های ذخیره سازی و تبدیل انرژی ضروری است. در این پژوهش، یک الکتروکاتالیست نوآورانه با ترکیب مس و آهن در چارچوب نیتروژن-کربن بر پایه مکسین طراحی و برای سه کاربرد اصلی بررسی شده است: واکنش کاهش اکسیژن، تجزیه آب به روش الکتروشیمیایی، و استفاده در ابرخازن ها. به دلیل عملکرد مناسب و امکان جایگزینی فلزات گرانبها، چارچوب فلزی نیتروژن-کربن انتخاب شد. این ترکیب با استفاده از روشی ساده سنتز شد و برای جلوگیری از همجوشی و تجمع در فرآیند پایرولیز در دمای ۰۲۹ درجه سانتیگراد، از یک لایه محافظ سیلیکا با ساختار متخلخل استفاده گردید. زیرالیه مکسین از طریق فرایند اچ شیمیایی با محلول اسید کلریدریک و هیدروفلوئوریک تهیه شد و پس از آن، به کمک فراصوت با دی متیل سولفوکسید فعال گردید. این زیرالیه سپس با ترکیب مس و آهن نیتروژن-کربن به نسبت ۲ به ۱ و از طریق یک فرایند پایرولیز جداگانه ترکیب شد. تحلیلهای فیزیکی و شیمیایی صحت سنتز ساختار مورد نظر را تایید کردند. بررسی های الکتروشیمیایی نشان دادند که این الکتروکاتالیست عملکرد قابل توجهی دارد: در واکنش کاهش اکسیژن، ولتاژ آغازین معادل ۰.۰۳۱- ولت نسبت به الکترود نقره/کلرید نقره اندازه گیری شد که نشان دهنده مکانیزم انتقال نزدیک به چهار الکترون است. در واکنش های تجزیه آب، این کاتالیست اورپتانسیل هایی برابر با ۳۱۸ میلیولت و ۱۰۲ میلیولت را در چگالی جریان ۱۰ میلیآمپر بر سانتیمتر مربع نشان داد و شیب های تافل به ترتیب ۱۲۵ و ۱۸۷ میلیولت بر دهه بود. همچنین، ظرفیت ویژه آن در چگالی جریان ۱ آمپر بر گرم برابر با ۳۷۷ فاراد بر گرم اندازه گیری شد. ترکیب همافزای مکسین و چارچوب نیتروژن-کربن حاوی مس و آهن، موجب افزایش سایت های فعال، بهبود انتقال الکترون و ارتقای کلی فعالیت کاتالیستی شده و این ماده را به گزینه های مناسب برای کاربردهای چندمنظوره در حوزه انرژی تبدیل کرده است.

کلیدواژه ها:

ابرخازن ، مکسین چند لایه ، الکتروکاتالیست ، واکنش کاهش اکسیژن ، واکنش تکامل هیدروژن