یکی از چالش های اساسی در زمینه ی توسعه و بکارگیری سلهای سوختی میکروبی در مقیاس وسیع، درک عوامل موثر در توان خروجی این سل ها است. بدین منظور بایستی الکترودهایی با خواص کاتالیتیکی مناسب و عملکرد پایدار جهت استفاده در این سلها توسعه یابد و نیز اثر سایر عوامل دخیل بر عملکرد این دسته از وسایل نوین تبدیل انرژی به خوبی بررسی شود. در این تحقیق کاتد های مبتنی بر نانو ساختارهای مختلف ساخته، اصلاح و عملکرد الکتروشیمی آنها با هدف افزایش توان خروجی سل سوختی میکروبی با کشت مخلوط میکروارگانیزم ها وجایگزینی کاتد های گران قیمت برپایه پلاتین با روشهای مختلف الکتروشیمیایی مانند پلاریزاسیون و طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (eis) بررسی شد. اثر هرکدام از عوامل دخیل در مراحل ساخت، اصلاح و بکارگیری الکترودهای جدید و انواع سوبستراها و ناقلین الکترون بر پارامترهای عملکردی سل سوختی میکروبی مانند ولتاژ، جریان و توان خروجی و بهره کولنی مطالعه شد. از مجموع مطالعات انجام شده روی سلهای سوختی میکروبی نتایج زیر به دست آمد: الف) غشاء فلیمون که نسبت به غشاء استاندارد نافیون ارزانتر و در دسترس تر است و مقاومت مکانیکی بهتری نیز دارد براحتی می تواند با رفتاری مشابه غشاء نافیون از نظر عبور کاتیونها و تولید توان در کاربردهای سل سوختی میکروبی مورد استفاده قرار گیرد. ب) از طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی در بارهای مقاومتی خارجی مختلف می توان به عنوان روش بدیعی برای بررسی رفتار فصل مشترک آندی و کاتدی سل سوختی و تغییرات پارامترهای عملکردی استفاده کرد. ج) توان الکتریکی تولیدشده از سوبستراهای مختلف به دو عامل اصلی بستگی دارد. حضور میکروارگانیزمهای تخصص یافته برای متابولیسم یک سوبسترای معین و پیچیدگی ساختار ملکولی و بالطبع مسیر متابولیستی تجزیه یک سوبسترا. سوبستراهای ساده مانند گلوکز توسط میکروارگانیزمها زود تجزیه می شوند در حالیکه سوبستراهای پیچیده و سنگین مانند نشاسته دیر هضم بوده وتوان الکتریکی کمتری تولید می کنند. د) با استفاده از آرایه نانو و افزایش سطح موثر الکترود کاتد و ترسیب نانو ذرات فلزات نجیب مناسب مانند پالادیم می توان کاتدهای نانو ساختاری ارزان قیمت تر و سهل الوصول تر در مقایسه با کاتدهای گران قیمت مبتنی بر فلزاتی مانند پلاتین تهیه کرد که در کاربردهای سل سوختی توانی قابل مقایسه با آن الکترودها ارائه می کنند. ه) نوع فلز ترسیب شده و فعالیت الکتروشیمیایی ذاتی آن در واکنش احیاء اکسیژن در کاتد بسیار اهمیت دارد. در شرایط بالک و نانو ساختاری فعالیت الکتروشیمیایی فلز پلاتین بیشتر از فلز پالادیم و آن نیز به مراتب بیشتر از فلز طلا است. این موضوع را می توان با ایجاد مسیر واکنش سهل تر برای احیاء اکسیژن با فلزات پلاتین و پالادیم و بی اثر بودن نسبی طلا مرتبط دانست.

چکیده: ابزارهای آزمایشگاه روی یک تراشه برای اولین بار در سال 1992، توسط مانز و همکاران معرفی گردید. هدف از طراحی این ابزارها، انجام تمامی مراحل آزمایش روی یک ریزتراشه بوده است. از جمله مزایای ابزارهای آزمایشگاه روی یک تراشه می¬توان به قابل حمل بودن، امکان آنالیز خودکار، امکان آنالیز حجم¬های بسیار کم و ... اشاره نمود. هدف این کار پژوهشی طراحی و ساخت ریزتراشه الکتروفورز موئینه¬ای با در دسترس¬ترین ابزارها و با کمترین هزینه می¬باشد. در کار پژوهشی حاضر ابتدا یک مدار الکترونیکی مبدل dc به dc با ولتاژ بالا به طور کامل در آزمایشگاه مونتاژ و عملکرد آن بررسی شد. این مدار قادر است اختلاف پتانسیل¬هایی تا 2000ولت را به صورت مستقیم ایجاد کند. از این مدار الکترونیکی برای ایجاد میدان الکتریکی استفاده شد، که در داخل این میدان گونه¬های باردار می¬توانند به طرف قطب مخالف مهاجرت نمایند. بخش بعدی این پژوهش مربوط به ساخت ریز تراشه¬ی موئینه¬ای است که تکنیک الکتروفورز روی آن اجرا می¬شود. این ریزتراشه از دو بخش تشکیل شده است. بخش نخست مربوط به کانال¬های موئینه¬ای است که بر روی بستری از پلکسی¬گلس با استفاده از تکنیک سایش لیزری ایجاد شده است. پهنای این کانال¬ها 200میکرومتر بوده و مسیری را برای مهاجرت گونه¬ها فراهم می¬کنند. علاوه از این بر روی این قطعه محل¬هایی به عنوان مخزن¬های بافر، نمونه، پساب و تشخیص تعبیه شده است. بخش دیگر این ریزتراشه مربوط به سیستم تشخیص می¬باشد. در زیر کانال جداسازی با استفاده از تکنیک مدار چاپی، الکترودهای کار، کمکی و مرجع به پهنای 300 میکرومتر و به ضخامت 25 میکرومتر ایجاد شده¬اند. گونه باردار ضمن مهاجرت در طول کانال جداسازی با الکترودها برخورد کرده و سیگنالی متناسب با غلظت آنالیت بدست می¬آید. علاوه از این بر روی این سطح الکترودهایی زیر مخزن¬ها تعبیه شده تا بتوان به هر مخزن پتانسیل مورد نظر را اعمال نمود. برای جلوگیری از تاثیر میدان با ولتاژ بالا بر روی سیستم تشخیص، از یک سیستم حذف کننده اثر میدان استفاده شده است. نهایتا از آسکوربیک اسید به عنوان آنالیت نوعی جهت اثبات کارایی وسیله و رسم نمودار کالیبراسیون استفاده شده است.

انرژی مهم¬ترین چالش بشر در جهان امروز است. درحال حاضر بیشترین انرژی مورد نیاز بشر از سوخت-های فسیلی تامین می¬شود. اما باتوجه به گرم شدن جهانی و افزایش گازهای گلخانه¬ای و این که این منابع انرژی تجدید¬پذیر نبوده و بزودی به اتمام می¬رسند، نیاز به منابع تجدیدپذیر و پاک برای تامین احتیاجات در حال افزایش جهان امروز احساس می¬شود. هیدروژن یکی از مهم¬ترین گزینه¬های انرژی پاک است که توجهات زیادی را بخود جلب کرده است. هیدروژن به روش¬های مختلفی می¬تواند تولید شود،که تولید آن بصورت بیولوژیکی با روش¬های بیوفتولیز، تخمیر نوری، تخمیر تاریکی و در نهایت آنچه که امروز مورد علاقه محققان است تولید آن به روش پیل الکترولیز میکروبی یا mec است. این روش درواقع شکل تغییر یافته¬ای از mfc یا پیل میکروبی است که از آن برای تولید الکتریسیته استفاده می¬شود. در این پروژه یک سیستم دو اتاقکی که با غشای فلمیون از هم جدا شده¬اند، طراحی شد که در بخش آندی آن از محیط کشت سنتتیک با کشت خالص باکتری اشریشیا کلی و در بخش کاتدی از بافر فسفات با 7¬ph= استفاده شد. از گلوکز و ملاس به عنوان منبع کربن در این سیستم¬ها استفاده شد، و با اعمال ولتاژ 7/0 ولت سیستم شروع بکار کرد. عملکرد سیستم با این دو سوبسترا باهم مقایسه شد و هم چنین از متیل رد برای درک تاثیر مدیاتور در عملکرد mec استفاده شد. با توجه به نتایج بدست آمده، در همه سیستم¬ها آغاز فرایند با یک فاز تاخیری همراه بود ولی افزودن خوراک در ادامه فرایند موجب حذف فاز تاخیری و تسریع فرایند تولید هیدروژن در سیستم¬ها شد. عملکرد سیستم با استفاده از گلوکز نسبت به ملاس در غلظت¬ پایین بهتر بوده ولی با افزایش غلظت سوبسترا عملکرد سیستم در ملاس، بهتر از گلوکز بود به طوری که بعد از گذشت 166ساعت، سیستم حاوی 1% گلوکز ml220 گاز هیدروژن تولید کرد، در حالی که سیستم ملاس تا 158ساعت ml 118 گاز هیدروژن ایجاد نمود. در سیستم حاوی 2% گلوکز مقدار هیدروژن تولیدی بعد از 170 ساعت از عملکرد پیل برای گلوکز به ml 260 و برای ملاس به ml 283 رسید. استفاده از مدیاتور در پیل¬های میکروبی برای افزایش توان و جریان تولیدی اثبات شده است اما تاکنون از این مواد در پیل الکترولیز میکروبی استفاده نشده است. در این پروژه از متیل رد بعنوان مدیاتور استفاده شد که تاثیر آن در افزایش عملکرد پیل الکترولیز میکروبی مشهود بود. چگالی جریان بدست آمده در سیستم¬های بدون مدیاتور و مدیاتور دار به ترتیب برابر با ma/m310 و ma/m37/55 بود. مقدار هیدروژن تولیدی در سیستم¬های همراه مدیاتور و بدون مدیاتور به ترتیب m3/m3.day 07/0 و 085/0 بدست آمد.

در این کار پژوهشی، پوشش های نیکل- تنگستن (ni-w)، نیکل- تنگستن- پلی کلروتری-فلوئورواتیلن (ni-w-pctfe)، نیکل- تنگستن- پلی تترا فلوئورواتیلن (ni-w-ptfe)، نیکل- تنگستن- فسفر(ni-w-p)، نیکل- تنگستن- فسفر- پلی کلروتری فلوئورواتیلن (ni-w-p-pctfe) ، نیکل- تنگستن- فسفر- پلی تترا فلوئورواتیلن(ni-w-p-ptfe)، نیکل- مولیبدن (ni-mo)، نیکل- مولیبدن- پلی تترا فلوئورواتیلن(ni-mo-ptfe)، نیکل- مولیبدن- فسفر(ni-mo-p)، نیکل- مولیبدن- فسفر- پلی کلروتری فلوئورواتیلن (ni-mo-p-pctfe)، نیکل- مولیبدن- فسفر- پلی-تترافلوئورواتیلن (ni-mo-p-ptfe) در حضور غلظت های مختلفی از pctfe و ptfe با روش ترسیب الکتروشیمیایی از یک حمام تارتاراتی تهیه گردیدند. در ادامه با استفاده از تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی(sem) و تکنیک پراش انرژی اشعه ایکس (edx) به مطالعه مورفولوژی سطح و آنالیز عنصری پوشش های مذکور پرداخته و در نهایت با استفاده از تکنیک های پتانسیل مدار باز (ocp)، طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (eis) و پلاریزاسیون تافلی، بررسی اثر غلظت pctfe و ptfe بر روی میزان مقاومت به خوردگی پوشش های کامپوزیتی حاصل در محلول nacl %wt 5/3 انجام شد. نتایج حاصل از مطالعات sem و edx و xrd تشکیل نانوکامپوزیت ها را به اثبات رساندند. مطالعات الکتروشیمیایی نیز نشان دادند که نانوکامپوزیت های ni-w-pctfe، ni-w-ptfe، ni-mo-ptfe، ni-mo-p-pctfe و ni-mo-p-ptfe به ترتیب در غلظت های g/lpctfe4،g/lptfe 8، g/lptfe8، g/l pctfe20 و g/l ptfe20 بیشترین مقاومت به خوردگی را نشان دادند. در صورتی که در پوشش ni-w-p، با افزایش غلظت pctfe و ptfe مقاومت به خوردگی کاهش یافت.