ذخیره¬سازی هیدروژن یکی از چالش¬های کلیدی در گسترش اقتصادی هیدروژن است. هیدروژن یک حامل انرژی ایده-آل است که هم برای وسایل نقلیه آینده مانند اتومبیل¬ها در نظر گرفته شده است و هم برای کاربردهای متحرک و ساکن می¬تواند مورد استفاده قرار بگیرد. این عنصر تأثیرات ناسازگار با محیط زیست را کاهش می¬دهد و باعث کاهش وابستگی کشورهای بدون منابع طبیعی به نفت می¬شود. از اين رو از هيدروژن به عنوان پايه سيستم¬هاي انرژي در آينده ياد مي¬شود. یکی از روش¬هایی که برای ذخیره¬سازی هیدروژن به کار می¬رود جذب هیدروژن توسط جامدات متخلخل است که در این میان نانو مواد نقش مهمي در پيشرفت دستگاه¬هاي تبديل و ذخيره هيدروژن دارند. در این پژوهش، نانوساختارهای Zn2V2O7 با مورفولوژی¬های مختلف برای اولین بار با روش سونوشیمیایی سنتز شدند. نمک¬های Zn(NO3)2.4H2O و NH4VO3 در حضور اتیلن دی¬آمین و هیدرازین مواد مورد استفاده جهت ساخت نانوساختارهای مذکور بودند. پارامترهای مؤثر بر ترکیب، مورفولوژی و اندازه نانوساختارها مانند حلال، دما، منبع OH- نظیر N2H5OH، NH3، NaOH و سورفکتانت نیز کنترل و بهینه شدند. همچنین، تأثیر توان و زمان امواج اولتراسونیک نیز با دقت مورد بررسی قرار گرفتند. بهترین شرایط برای تولید نانوساختارهای خالص Zn2V2O7 توان W60، زمان 30 دقیقه و 1 میلی¬لیتر هیدرازین بدون استفاده از اتیلن دی¬آمین بود. آزمون¬های مشخصه¬یابی EDS، XRD، FT-IR و FESEM جهت بررسی خواص نانوساختار مذکور استفاده شدند. آنالیز BET نیز برای ارزیابی مساحت سطح و حجم منافذ نانوساختارهای Zn2V2O7 توسط ایزوترم¬های جذب و واجذب نیتروژن در دمایK 77 انجام شد. مساحت سطح ویژه، حجم کل منافذ و میانگین قطر منافذ برای نانوساختار Zn2V2O7 سنتز شده در شرایط بهینه به ترتیب،m2/g 3389/6،cm3/g 015213/0 و nm 523/39 به دست آمد. آنالیزهای XRD نشان دادند که در حضور N2H5OH، امواج اولتراسونیک با تولید گونه¬های رادیکالی به مکانیسم واکنش کمک می¬کند و منجر به کاهش V5+ به V4+ و V3+ می¬شود. با این حال، درصورت عدم وجود امواج اولتراسونیک ساختارها کلوخه شدند و همچنین، ZnO و V2O5 در غیاب N2H5OH به عنوان محصول فرعی تشکیل شدند. نانومواد مزومتخلخل حاصل برای ذخیره¬سازی الکتروشیمیایی هیدروژن مورد استفاده قرار گرفتند و ظرفیت ذخیره¬سازی بالایی را با مقدارmAh/g 2899 بعد از 20 چرخه نشان دادند. می توانید این پروژه مهندسی شیمی را به صورت فایل word دانلود نمایید.
مقدمه
با توجه به گسترش روز افزون استفاده از سوخت¬هاي فسيلي كه داراي منابع محدود در زمين مي-باشند تهيه و آماده¬سازي آن¬ها براي استفاده بهينه، همواره يكي از مشكلات بشر در طي دوران بوده است . اثرات مخرب زيست محيطي از جمله گازهاي گلخانه¬اي، از بين رفتن لايه محافظ جو زمين و گرم شدن تدريجي زمين طي چند ده اخير، دانشمندان را مجبور كرد كه به دنبال سوختي ارزان و دوست¬دار محيط زيست (سبز) باشند. امروزه آلودگی هوا و گرمایش زمین دو خطر بسیار مهمی هستند که بشر با آن روبرو است. هر دوی این خطرات با وابستگی انسان به سوخت¬های فسیلی ارتباط مستقیم دارد. افزایش دی اکسید کربن ناشی از سوخت¬های فسیلی علت اصلی گرمایش زمین می¬باشد. با گذشت زمان، مولکول¬های سوخت کوچک¬تر شده و با ساختارهای دارای کربن کم¬تر و هیدروژن غنی¬تر، جایگزین شده است. آخرین حرکت به سمت متان بود که سوخت پاک¬تری از بنزین است. انتظار می-رود حرکت آتی بشر به سمت هیدروژن باشد. هیدروژن، ساده¬ترین¬ و فراوان¬ترین عنصر درطبیعت است که مي¬تواند جایگزین مناسبی براي سوخت¬هاي فسیلی باشد. محصول ناشی از احتراق سوخت هیدروژنی بخارآب است که آن را به یکی از پاك¬-ترین سوخت¬هاي جهان تبديل مي¬كند و قابليت چرخش در طبيعت را دارد. اين مهم¬ترين دليلي است كه هيدروژن را كانديداي اصلي براي جايگزيني سوخت¬هاي فسيلي نموده است. در این راستا، سازمان انرژی آمریکا (DOE) اهداف و استانداردهایی را برای سیستم¬های قابل استفاده در حمل و نقل تبیین نموده است. بر طبق این برنامه توسعه، مخزن ذخیره¬سازی هیدروژن باید توانایی ذخیره¬سازی Wt% 5/5 هیدروژن را داشته باشد قبل از اینکه امکان استفاده وسیع از سوخت هیدروژنی فراهم شود باید برخی چالش¬های تکنیکی حل شوند. از جمله این چالش¬ها می¬توان به تولید مقرون به¬صرفه و ذخیره¬سازی مؤثر هیدروژن اشاره کرد. همچنین، برای نیل به استفاده از سوخت هیدروژنی، باید مشوق¬هایی نیز از سوی دولت¬ها تعیین شود. اما در راه استفاده از اين سوخت پاك و ارزشمند مشكلات و موانع فراواني وجود دارد كه يكي از مهم¬ترين آن¬ها، حمل و ذخيره-سازي آن مي¬باشد.
فهرست مطالب
فصل اول مقدمه 1
1-1 مقدمه 2
1-2 روش های تولید هیدروژن 4
1-3 روش های تولید هیدروژن از منابع تجدیدناپذیر (سوختهای فسیلی) 4
1-3-1 فرآیند ریفرمینگ بخار 4
1-3-2 فرآیند اکسایش جزئی 5
1-3-3 فرآیند ریفرمینگ خود گرمازا 5
1-3-4 فرآیند ریفرمینگ خالص 5
1-3-5 فرآیند ریفرمینگ توسط روش RESC 7
1-3-6 فرآیند تولید هیدروژن از ذغالسنگ 7
1-3-7 روش های تجزیه متان 7
1-3-8 فرآیند کاتالیستی جدید برای تولید هیدروژن از محلول آبی سدیم بور هیدرید 8
1-3-9 استفاده از راکتور غشایی 8
1-4 روش های تولید هیدروژن از منابع تجدیدپذیر 8
1-4-1 تولید انرژی به طریقه خورشیدی 8
1-4-2 تولید هیدروژن از انرژی باد 9
1-4-3 تولید هیدروژن از زیستتودهها 9
1-5 روش های استفاده از هیدروژن به عنوان منبع انرژی 10
1-6 انواع جاذبها 12
1-6- 1 نانو لوله هاي كربني 12
1-6-2 كربن فعال 13
1-6-3 زئوليتها 14
1-6-4 ساختارهای آلي- فلزي 14
1-6-5 هيدريدهاي فلزي 14
1-7 روشهای اندازه گیری هیدروژن ذخیره شده به صورت جامد 16
1-7-1 مقدمه 16
1-7-2 روش وزن سنجی 16
1-7-3 روش حجم سنجی 18
1-7-4 واجذب برنامه ریزی شده ی دمایی (TPD) 20
1-7-5 اندازه گیری های الکتروشیمیایی 20
1-8 ذخیره هیدروژن در ساختارهای خوشه انگوری 23
1-9 سوخت هيدروژني چگونه ذخيره و فروخته ميشود؟ 24
1-10 چگونه هیدروژن را در جایگاه سوخت‌گیری ذخیره می‌کنند؟ 25
فصل 2 پیشینه تحقیق 27
2-1 مقدمه 28
2-2 مروري بر پژوهش هاي صورت گرفته در ذخيره سازي هيدروژن 28
2-2-1 مروري بر عملكرد ذخيره سازي هيدروژن HPSB 28
2-2-2 توليد نانوذراتNiAl2O4/NiO براي ذخيره سازي هيدروژن با عصاره چاي سبز 29
2-2-3 افزايش خاصيت ذخيره هيدروژن Mg با اضافه كردن Mg2Ni و Ni به MgH2 30
2-2-4 ذخيره هيدروژن با نانوساختارهاي Dy2Ce2O7توليد شده با عناصره انجير 31
2-2-5 ذخيره سازي هيدروژن با آئروژل كربن خشك تحت فشار محيط 31
2-2-6 ذخيره هيدروژن توسط نانوكامپوزيتهاي متخلخل Co3O4-CeO2 32
2-2-7 بررسي ويژگيهاي ذخيره سازي هيدروژن آلياژ Ti24V40Cr34Fe2 34
2-2-8 سنتز نانوذرات هسته پوسته NaBH4@M(M=Co, Cu, Fe, Ni, Sn) با مورفولوژيهاي مختلف و بررسي خواص ذخيره هيدروژن 35
2-2-9 تقويت ذخيره سازي هيدروژن با نانولوله هاي كربني آرايش شده با نانوذرات Ni/Pd 36
2-2-10 ويژگيهاي ذخيره سازي هيدروژن نانوساختارهاي 2MgH2-Co 37
2-2-11 تأثير Ni، Zrوآلیاژ Zr7Ni10 بر خصوصيات ذخيره سازي هيدروژن آلياژ TiFe 38
2-2-12 بررسي خواص ذخيره سازي هيدروژن الكتروشيميايي شبه كريستال Ti1.4V0.6Ni وتأثير ZrH2 برآن 39
2-2-13 نانولوله هاي كربني حاوي نيتروژن به عنوان ماده اي براي ذخيره سازي هيدروژن 41
2-2-14 تقویت ذخیره سازی هیدروژن قابل برگشتپذیر با نانوکره های توخالی نیکل 42
2-2-15 نانوذرات Pd و نانولوله هاي هالويزيت هيدريدي MOFها براي ذخيره هيدروژن 43
2-2-16 خواص ذخيره سازي هيدروژن و مكانيسم كاتاليزوري سيستم كامپوزيت MgH2 آلاییده شده با CuFe2O4 44
2-2-17 بهبود عملکرد ذخیره سازی هیدروژن آلیاژهای Sm-Mg با استفاده از کاتالیزور نانوذرات MoS2 45
فصل سوم بخش تجربی 27
3-1 مقدمه: 48
3-2 وسایل، مواد و دستگاههای مورد استفاده 48
3-2-1 وسایل آزمایشگاهی: 48
3-2-2 مواد شیمیایی: 48
3-2-3 دستگاههای مورد استفاده جهت شناسایی محصولات 50
3-3 روش انجام آزمایش 51
3-3-1 تهیه ی نانوساختارهای Zn2V2O7: 51
3-3-2 تهیه الکترود :Zn2V2O7 52
3-3-3 ذخیره سازی در نانوساختارهای Zn2V2O7 53
فصل چهارم بحث و نتیجه گیری 54
4-1 مطالعات XRD : 55
4-2 آنالیز EDS: 60
4-3 طیف FT-IR: 61
4-4 مطالعات SEM و EDS mapping: 63
4-5 آنالیز BET: 71
4-6 ذخیره سازی هیدروژن: 72
فصل پنجم نتیجه گیری 76
5-1 مقدمه 77
5-2 نتیجه گیری 77
منابع 76
فهرست شکل¬ها
شکل 1-1. شماتیکی از دستگاه ترموبالانس 18
شکل1-2. شماتیکی از دستگاه حجمسنجی سیورتس 19
شکل1-3. شماتیکی از سیتم چرخهای شارژ-دشارژ مورد استفاده در اندازهگیری الکتروشیمیایی 21
شکل4-1. الگوهای XRD نمونه 1 سنتز شده با استفاده از هیدرازین در حضور امواج اولتراسونیک (الف) قبل، (ب) بعد از بازپخت در ℃400 و (ج) بعد از بازپخت در ℃700 56
شکل 4-2. الگوهای XRD سنتز شده در حضور امواج اولتراسونیک با استفاده از (الف) NaOH (نمونه 7) و (ب) CH3COOH (نمونه 9) 58
شکل 4-3. الگوهای XRD نمونه 17 سنتز شده در غیاب امواج اولتراسونیک (الف) قبل و (ب) بعد از بازپخت در ℃700 60
شکل 4-4. طیفهای EDS محصولات سنتز شده با استفاده از (الف) هیدرازین قبل از بازپخت (نمونه1)، (ب) هیدرازین بعد از بازپخت در ℃700 (نمونه 1)، (ج) NaOH (نمونه 7) و (د) CH3COOH (نمونه 9) 61
شکل 4-5. طیف FT-IR نمونه 1 با استفاده از هیدرازین (الف) قبل و (ب) بعد از بازپخت در ℃700 62
شکل 4-6. تصاویر SEM نمونه 1 (الف) قبل، (ب) بعد از بازپخت در ℃400، (ج) بعد از بازپخت در ℃700 و (د) حمام یخ 64
شکل 4-7. تصاویر SEM محصولات سنتز شده در حضور امواج اولتراسونیک با استفاده از (الف) ml 25/0 اتیلن دی آمین (نمونه 2)، (ب) ml 5/0 هیدرازین (نمونه 4)، (ج) ml 1/0 هیدرازین (نمونه 5) و (د) نسبت 2:3 برای Zn:V (نمونه 6) 65
شکل 4-8. تصاویر SEM محصولات سنتز شده در حضور امواج اولتراسونیک با استفاده از (الف) NaOH (نمونه 7)، (ب) NH3 (نمونه 8) و (ج) CH3COOH (نمونه 9) 66
شکل 4-9. تصاویر SEM محصولات سنتز شده با استفاده از (الف) اتیلن گلایگول به عنوان حلال به جای آب (نمونه 10)، (ب) متانول به عنوان حلال به جای آب (نمونه 11)، (ج) CTAB و (d) PVP (نمونه 13) 68
شکل 4-10. تصاویر SEM محصولات سنتز شده (الف) در W 80 به مدت 30 دقیقه (نمونه 14)، (ب) در W 20 به مدت 30 دقیقه (نمونه 15)، (ج) درW 60 به مدت 60 دقیقه (نمونه 16) و (د) در غیاب امواج اولتراسونیک 69
شکل 4-11. طیف نقشه برداری EDS نانوساختارهای Zn2V2O7 (نمونه 1) 70
شکل 4-12. ایزوترمهای جذب/واجذب N2 و توزیع اندازه منافذ (الف) (BJH) نمونه 1 و (ب) نمونه 5 71
شکل 4-13: منحنیهای ظرفیت دشارژ (الف) نمونه 5 و (ب) نمونه 6 در جریان mA 1± 73
شکل 4-14: عملکرد چرخهای نمونههای 5 و 6 74
شکل 4-15: منحنی ظرفیت دشارژ مربوط به بستر مس در mA 1 75
شکل 4-16: شماتیک کلی شکلگیری Zn2V2O7 و تأثیر تابش امواج اولتراسونیک بر ترکیب، اندازه ذرات و مورفولوژی 75