dft investigation for better efficiency of fuel cells in presence of nitrogen containing graphene sheets as catalysts

Fuel cells can directly convert chemical energy into electric energy with high conversion efficiency and no pollution. among many factors affecting the chemical-electrical energy conversion, oxygen reduction reaction (orr) on cathode is the pivot in fuel cell. this reaction is a kinetically slow process, which dominates the overall performance of a fuel cell. the orr can proceed through two ways. one is a direct four-electron pathway, in which o2 is reduced directly to water without involvement of hydrogen peroxide. the other is a less efficient two-step two-electron pathway in which hydrogen peroxide is formed as an intermediate. to achieve a high efficiency fuel cell, the four-electron pathway is expected to occur. because the orr process is very slow in nature, catalysts must be used to facilitate the four-electron pathway to boost the efficiency of fuel cells. traditionally, such electro catalysts are platinum and its alloys, but they are expensive and susceptible to time-dependent drift and co poisoning, which limits large-scale application of the fuel cell. there have been intensive research efforts to reduce or replace pt and pt based alloys electrodes in fuel cell. in this work using calculated nmr and nqr parameters in some nitrogen-containing graphene sheets (with one or two nitrogen), the effect of nitrogen atom on charge density of carbon atoms was studied. the results showed that in the presence of nitrogen, charge density of some carbon atoms decreased and these atoms are better candidate as catalyst active site than pure graphene.

محاسبات تئوری تابع چگالی برای بهبود کارایی پیل های سوختی در حضور ورقه های گرافن نیتروژن دار به عنوان کاتالیزور

پیل های سوختی می توانند به طور مستقیم، با بازده بالا و بدون آلودگی انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند. عوامل متعددی بر تبدیل انرژی شیمیایی به الکتریکی در پیلهای سوختی موثر است که از آن جمله واکنش کاهش اکسیژن روی کاتد است. این واکنش یک فرآیند جنبشی کند است و بر عملکرد کلی یک پیل سوختی واکنش کاهش اکسیژن تاثیر دارد و از دو طریق ممکن است انجام شود: یکی مسیر مستقیم چهار الکترونی است که در آن O2 مستقیماً بدون دخالت پراکسید هیدروژن به آب کاهش می یابد. دیگری مسیر دو مرحله ای دو الکترونی است که در آن پراکسید هیدروژن به عنوان یک واسطه تشکیل می شود و با کاهش بازده پیل همراه است. برای دستیابی به یک پیل سوختی با بازده بالا، انجام واکنش کاهش اکسیژن از مسیر چهار الکترونی ارجح است. با توجه به اینکه فرآیند واکنش کاهش اکسیژن در طبیعت بسیار کند است، استفاده از کاتالیزورها جهت تسهیل مسیر چهار الکترونی و افزایش کارایی پیل‌های سوختی لازم است و پلاتین و آلیاژهای آن کاتالیزورهای معروفی در این زمینه اند که به علت قیمت بالا و نیز مسمومیت با CO، استفاده از آنها برای مصارف صنعتی به صرفه نیست. تحقیقات زیادی برای یافتن کاتالیزورهای مناسب به جای پلاتین و آلیاژهای آن در واکنش کاهش اکسیژن انجام شده است. در این تحقیق با استفاده از پارامترهای محاسبه‌شده NMR و NQR در برخی ورقه‌های گرافن حاوی نیتروژن (با یک یا دو نیتروژن)، تأثیر اتم نیتروژن بر چگالی بار اتم‌های کربن بررسی شد. نتایج نشان داد که در حضور نیتروژن، چگالی بار برخی از اتم‌های کربن کاهش می‌یابد و این اتم‌ها به‌عنوان جایگاه فعال کاتالیزور بهتر از گرافن خالص هستند.