الكترودهاي كربني-نانوكامپوزيتي مونوليتيك متخلخل بر پايه چوب كربنيزه/ چارچوب‌ فلز-آلي به عنوان كاتد خودايستا براي پيل سوختي ميكروبي رسوبي

سابقه و هدف: مواد كربني با داشتن امتيازاتي چون ثبات شيميايي و گرمايي، رسانايي الكتريكي، سطح ويژه و تخلخل زياد در ساخت الكترودها بسيار متداول مي‌باشند. مواد كربني بر پايه چوب در دستگاه‌هاي ذخيره انرژي الكتروشيميايي، عملكرد خازني مناسبي داشته و سبب افزايش ذخيره بار مي‌گردد؛ اما چوب رسانايي الكتريكي كافي به عنوان الكترود كربني نداشته و به منظور تقويت عملكرد آن، كامپوزيت‌هاي مواد كربني با ساير مواد رسانا سنتز شده‌اند. در اين پژوهش خصوصيات فيزيكي-شيميايي و الكتروشيميايي الكترودهاي كربني نانوكامپوزيتي مشتق شده از چوب واجد ذرات چارچوب‌ فلز-آلي منگنز (Mn-MOF) سنتز شده به روش درجا و كارايي اين الكترودها به عنوان كاتد در پيل سوختي ميكروبي رسوبي بررسي و با عملكرد الكترودهاي چوب پيروليز شده شاهد و نمد كربني تجاري مقايسه شد.مواد و روش‌ها: قطعه‌هايي از برون‌چوب چنار خاوري (Platanus orientalis) به عنوان ماده اوليه ليگنوسلولزي در دماي °C 700 و نرخ گرمايش°C min-1 5 در كوره تحت اتمسفر گاز بي‌اثر آرگون با دبي جريان mLmin-1 100 و زمان ماند 1 ساعت پيروليز شد. پس از پيروليز، نمونه‌هاي چوب كربنيزه با آب مقطر شست‌وشو و در آون خشك شدند. به منظور سنتز درجاي Mn-MOF و ساخت الكترودهاي كامپوزيتي CW/ Mn-MOF از منگنز (II) استات چهارآبه و ليگاند 5،3،1- بنزن‌تري‌كربوكسيليك‌اسيد استفاده شد. در پايان، نمونه‌ها با اتانول شسته و در آون خشك شدند. پيروليز ثانويه با نرخ گرمايش°C min-1 5 تا دماي °C 900 و زمان ماند 2 ساعت در جريان دائمي گاز آرگون انجام شد.يافته‌ها: نتايج اين پژوهش نشان داد پس از پيروليز، از نظر ريخت‌شناسي ساختار متخلخل و كانال‌هاي به‌هم‌پيوسته و مستقيم چوب حفظ شد. علاوه بر آن سنتز درجاي Mn-MOF روي بستر چوب كربنيزه موفقيت‌آميز بود. نتايج طيف‌سنجي رامان، افزايش ميزان بي‌نظمي و ناجوراتمي در ساختار الكترودهاي نانوكامپوزيتي تهيه شده را در مقايسه با نمونه چوب پيروليز شده شاهد نشان داد. الگوهاي پراش پرتوي ايكس دلالت بر حضور ساختار كربن آمورف و گرافيتي در الكترودهاي تهيه شده داشت. علاوه بر آن، الكترودهاي كربني دوپه شده با چارچوب‌هاي فلز-آلي منگنز در مقايسه با الكترودهاي شاهد و نمد كربني، كم‌ترين امپدانس و بيش‌ترين چگالي توان را نشان داد.نتيجه‌گيري: بر طبق نتايج، كربنيزاسيون در دماي بالا، سبب گرافيتي شدن ماده چوبي و رسانايي الكتريكي آن مي‌شود. دوپه كردن الكترودهاي كربني و ساخت الكترود كربني كامپوزيتي مبتني بر چوب پيروليز شده حاوي چارچوب‌ فلز-آلي منگنز موجب تقويت عملكرد الكتروشيميايي كاتد در پيل سوختي ميكروبي رسوبي گرديد. اثر هم‌افزايي حاصل از رفتار شبه‌خازني چارچوب فلز-آلي منگنز به همراه رفتار خازني دولايه كربن، موجب بهبود عملكرد كلي پيل گرديد.