–272

ولتاژ بازگشت‌پذیرv Erev
ثابت فارادی C/mol 96385.3415 F
ثابت هانریatm.m/mol H
چگالی جریانA/m I, i
شار مولی mol/m.s J
ثابت نیم واکنش 1/s Kc
ضریب قابلیت هدایت پروتونی S/m K
کسر حجمی اجزاء L
ضخامت غشاء m Lmem
بارگذاری جرمیm/kg m
جرم مولکولی kg/mol M
تعداد الکترون‌های انتقالی به ازای یک مول مصرف سوخت n
شار مولی اجزاءmol/m.s N
فشار atm P
چگالی توان پیل w/m Pcell
بار الکتریکی C Q
نرخ مصرف حجمی mol/m.s R
ثابت جهانی گازها J/mol.K 8.314 R
مقاومت اهمیک.m ROhmic
مقاومت نفوذ اکسیژن از طریق فاز غشاء s/m
مقاومت نفوذ اکسیژن از طریق آبs/m
مختصات شعاعی m r
دما K T
حجم توده m Vagg
حجم مولار اکسیژن در نقطه جوش نرمال m/mol 25.6
کسر مولی اجزاء X
مختصه مکانی در دستگاه مختصات m Z
علائم یونانی نسبت شار مولی 
ضریب انتقال بار آند و کاتد c,a
ضخامت m 
تخلخل 
مدول تایلی 
افت ولتاژ v 
محتویات آب غشاء 
ویسکوزیته آب cP 
زاویه فاز هر جزء 
چگالی kg/m 
قابلیت هدایت الکترونی S/m 
پارامتر وابستگی 
ضریب استکیومتری 
زیرنویس‌ها و بالانویس‌ها مؤثر eff
تبادلی 0
بی‌بعد *
میانگین ¯
فعال‌سازی act
توده agg
کربن C
لایه کاتالیست CL
آیونومر i
آیونومر درون توده i,agg
محدود کننده L
جریان داخلی n
اکسیژن در سطح خارجی توده Ol
اکسیژن نفوذی در غشاء Oاکسیژن در سطح داخلی توده Osاکسیژن نفوذی در آب Ow
ذرات پلاتین – کربن Pt/C
واکنش‌دهنده R
مرجع ref
جامد s
اشباع sat
آب آند w,a
آب کاتد w,c
فصل اولمقدمه
23837903448685020000
مقدمهامروزه به دلیل بحران آلودگی‌هایزیستمحیطیناشی از مصرف سوخت‌هایفسیلیروش‌های پاک تولیدانرژی از اهمیتویژه‌ای برخوردار است. بشر به سبب افزایشآلودگی و کاهش منابع سوخت طبیعی مجبور به یافتن راه حلی شد که در اینفرآیند،تولیدانرژی از طریقهیدروژن کشف شد. در طی مطالعات و آزمایشاتی که برایتولیدانرژی از طریقهیدروژن انجام می‌گردیدوسیله‌ای که هیدروژن را به عنوان سوخت استفاده می‌کردپیلسوختینامیدند. سیستم‌هایپیل‌هایسوختی به عنوان یکی از گزینه‌هایتولیدانرژی پاک محسوب می‌شوند. توان تولید شده اینسیستم‌هایک گستره وسیعبین چند وات تا چند هزار کیلو وات را شامل می‌شود، به طوریکهاینسیستم‌هااز یک سوتامین کننده توان مورد نیازبراییکبیمارستان و یایک واحد ساختمانی به عنوان کاربرد ساکن، و از سویدیگرتامین کننده بخشی از توان مورد نیازیک فضا پیما، وسیلهنقلیه، لپ تاپ و یاحتی قلب مصنوعی به عنوان کاربردهای متحرک می‌باشند [REF _Ref333997665 h * MERGEFORMAT1]. دانشمندان معتقد بودند که هیدروژنمی‌تواند راه حلیکارآمدبرایتأمین بخشی ازنیازهایانرژیدنیا در آینده باشد. پیلسوختییکوسیله‌ای است که هیدروژن و اکسیژن را ترکیب کرده و آب و الکتریسیتهتولیدمی‌کند. انرژیتولید شده توسط پیلسوختیمی‌تواند در مصارف روزمره استفاده گردد.پیلسوختیمزایایبسیاری نسبت به وسایل مرسوم تولیدانرژی دارد از جمله این مزایا راندمان بالا،عدم ایجاد سر و صدا و آلودگیاست.
ساخت لایه‌های مختلف پیلسوختینظیرلایه‌های نفوذ گاز، صفحات دو قطبی، غشاء و لایهکاتالیستدشوار بوده و نیازمندفناوریپیشرفته‌ایمی‌باشد. چون در ساخت این لایهها از موادی نظیر فیبر بسیار نازک کربن، آیونومر، نفیون و ... استفاده میشود که فرآوری آنها نیازمند یک پروسه پیشرفته و دشوار میباشد و در انحصار کشورهای خاصی قرار دارد، همچنین مراحل ساخت برخی از این لایهها نظیر لایه کاتالیست که شامل فاز جامد، فاز غشاء و فضای خالی است بسیار پیچیده میباشد. بنابراین بدون انجام یکمدل‌سازی کامل از کل لایه‌هایپیلسوختی، ساخت یک تودهپیلسوختیکار دشواری خواهد بود.همچنین ممکن است پیل ساخته شده از نظر هزینه‌های تمام شده مقرون به صرفه نباشد. به منظور بررسیکارایی و عملکرد پیل‌هایسوختی،بایدلایههای مختلف یکپیلسوختی را مورد مطالعه قرار داده و شبیه‌سازی نمود. در اینپایان‌نامهمدل‌سازییکبعدی عملکرد یکپیلسوختی غشا پلیمری انجام می‌پذیرد، و تمامیلایه‌هایاینپیلسوختی تک سلولیشبیه‌سازیمی‌شوند. مدل ارائه شده برایلایهکاتالیست، مدل توده‌ایمی‌باشد. این مدل افت غلظت موجود در منحنیقطبیتپیل را که در چگالیجریان بالا اتفاق می‌افتد بدون اضافه کردن روابط نیمهتجربی مربوط به افت غلظت درستپیش‌بینیمی‌کندهمچنین در حالتی که اندازه تودهها به سمت صفر میرود(تودههای بسیار کوچک) این مدل به مدل همگن ساده میشود. لایه‌های نفوذ گاز نیزکه در دو طرف آند و کاتد پیل قرار دارند با استفاده از معادلات مربوط به نفوذ گازهای چند جزئی مدل شده‌اند. غشاء نیز با مدل کردن انواع مکانیزم‌های انتقال آب که در آن وجود دارد شبیه‌سازی شده است. عملکرد یکپیلسوختی توسط منحنی ولتاژ بر حسب چگالیجریانبیانمی‌شود. این عملکرد با کسر نمودن افت‌های مربوط به ولتاژ فعال‌سازی، اهمیک و غلظت از ولتاژ بازگشت‌پذیرپیل در یکچگالیجریان بدست می‌آید. سپس با تغییرچگالیجریان، منحنیجریان–ولتاژپیل بدست می‌آید. در اینپایان‌نامه معادلات حاکم بر عملکرد لایه‌های مختلف پیل (که ترکیبی از معادلات دیفرانسیل و معادلات جبریمی‌باشند) بدست آمده سپس این معادلات حل می‌گردد تا افت‌هایقید شده بدست آید. در انتها یکسری مطالعات پارامتری به منظور بررسیمیزانحساسیت تابع عملکرد به یکسریپارامترها انجام می‌پذیرد.
تاریخچهاگرچهپیلسوختیبهتازگیبهعنوانیکیازراهکارهایتولیدانرژیالکتریکیمطرحشدهاستولیتاریخچهآنبهقرننوزدهمو کاردانشمندانگلیسیویلیامگروبرمی‌گردد.اواولینپیلسوختیرادرسال۱۸۳۹باسرمشقگرفتنازواکنشالکترولیزآب،طیواکنشمعکوسودرحضورکاتالیستپلاتینساخت.
واژهپیلسوختیدرسال۱۸۸۹توسطلودویکمندوچارلزلنجربهکارگرفتهشد.آن‌هانوعیپیلسوختیکههواوسوختذغالسنگرامصرفمی‌کرد،ساختند.تلاش‌هایمتعددیدراوایلقرنبیستمدرجهتتوسعهپیلسوختیانجامشدکهبهدلیلعدمدرکعلمیمسئلههیچیکموفقیتآمیزنبود.علاقهبهاستفادهازپیلسوختیباکشفسوخت‌هایفسیلیارزانورواجموتورهایبخارکمرنگگردید.
فصلیدیگرازتاریخچهتحقیقاتپیلسوختیتوسطفرانسیسبیکنازدانشگاهکمبریجانجامشد.اودرسال۱۹۳۲بررویماشینساختهشدهتوسطمندولنجراصلاحاتبسیاریانجامداد.ایناصلاحاتشاملجایگزینیکاتالیستگرانقیمتپلاتینبانیکلوهمچنیناستفادهازهیدروکسیدپتاسیمقلیاییبهجایاسیدسولفوریکبهدلیلمزیتعدمخورندگیآنمی‌باشد.ایناختراعکهاولینپیلسوختیقلیاییبود، پیلبیکننامیدهشد.او۲۷سالتحقیقاتخودراادامهدادتاتوانستیکپیلسوختیکاملوکارا، ارائهنماید.بیکندرسال۱۹۵۹پیلسوختیباتوان۵کیلوواتراتولیدنمودکهمی‌توانستنیرویمحرکهیکدستگاهجوشکاریراتأمیننماید.
تحقیقاتجدیددراینعرصهازاوایلدهه۶۰میلادیبااوجگیریفعالیت‌هایمربوطبهتسخیرفضاتوسطانسانآغازشد.مرکزتحقیقاتناسادرپیتأمیننیروجهتپروازهایفضاییباسرنشینبود.ناساپسازردگزینههایموجودنظیرباتری(بهعلتسنگینی)،انرژیخورشیدی (بهعلتگرانبودن)وانرژیهسته ای (بهعلتریسکبالا)پیلسوختیراانتخابنمود.تحقیقاتدراینزمینهبهساختپیلسوختیپلیمریتوسطشرکتجنرالالکتریکمنجرشد.ایالاتمتحدهآمریکافناوریپیلسوختیرا در برنامه فضاییجمینیاستفادهنمودکهاولینکاربردتجاریپیلسوختیبود.پرتوویتنیدوسازندهموتورهواپیما،پیلسوختیقلیاییبیکنرابهمنظورکاهشوزنوافزایشطولعمراصلاحنمودهوآنرادربرنامهفضاییآپولوبهکاربردند.درهردوپروژهپیلسوختیبه عنوانمنبع برای تأمینانرژیالکتریکیبرایفضاپیمااستفادهشد[REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2]. امادرپروژهآپولوپیلهایسوختیبرایفضانوردانآبآشامیدنینیزتولیدمی‌کرد. پسازکاربردپیلهایسوختیدراینپروژه‌ها،دولت‌هاوشرکت‌هابهاینفنآوریجدیدبهعنوانمنبعمناسبیبرایتولیدانرژیپاکدرآیندهتوجهروزافزونینشاندادند.
ازسال۱۹۷۰فنآوریپیلسوختیبرایسیستم‌هایزمینیتوسعهیافت. تحریمنفتیازسال1973-1979 موجبتشدیدتلاشدولتمردانآمریکاومحققیندرتوسعهاینفنآوریبهجهتقطعوابستگیبهوارداتنفتیگشت.
درطولدهه۸۰تلاشمحققین، در جهتتهیهموادموردنیاز، انتخابسوختمناسبوکاهشهزینهاستواربود.همچنیناولینمحصولتجاریجهتتأمیننیرویمحرکهخودرودرسال۱۹۹۳توسطشرکتبلاردارائهشد [REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].
تاریخچهپیلسوختیPEMفنآوریپیلسوختیپلیمریدرسال۱۹۶۰درشرکتجنرالالکتریکتوسط گروب و نیدرچابداعشد. اولینموفقیتجنرال الکتریکدرتولیدپیلسوختیپلیمریدراواسطدهه۱۹۶۰درپیهمکاریاینشرکتباکمیتهنیرویدریاییآمریکا و رسته مخابرات ارتش آمریکابهمنظورساختمولدهایکوچکبرقبود. اینمولدهاباسوختهیدروژنتولیدیازترکیبآبوهیدریدلیتیمتغذیهمی‌شدند. پیلسوختیتهیهشدهکوچکوقابلحملبودودرآنازکاتالیستگرانقیمتپلاتیناستفادهشدهبود[REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4].
دربرنامههایفضاییمرکوریازباتریبهعنوانمنابعتأمینانرژیاستفادهشدولیبرایپروژهآپولونیازبهوسیلهایباطولعمربیشتربود. لذابرایاینمنظورپیلهایسوختیپلیمریساختشرکتجنرالالکتریکموردتستوآزمایشقرارگرفت.ناسادرپروازهایفضاییبعدیخودازپیلسوختیقلیاییاستفادهنمود.
شرکتجنرالالکتریکفعالیتخودرادردهه۱۹۷۰باتوسعهفناوریالکترولیزجهتتجهیزاتزیردریاییباحمایتواحدتولیداکسیژننیرویدریاییآمریکاآغازنمود. ناوگان سلطنتیانگلیسیدراوایلدهه۱۹۸۰اینفناوریرابرایناوگانزیردریاییخودپذیرفت. دراوایلدهه۱۹۹۰سایرگروه‌هانیزتحقیقاتدراینزمینهراآغازنمودند.آزمایشگاهملیلوسآلاموسودانشگاهتگزاسروش‌هاییراجهتکاهشمیزانکاتالیستموردنیازآزمایشنمودند [REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].
مزایا و معایبپیلسوختیعمدهترینمزایایپیل‌هایسوختی به شرح زیر هستند:
پیلسوختیآلودگیناشیازسوزاندنسوخت‌هایفسیلیراحذفنمودهوتنهامحصولجانبیآنآب و گرمامی‌باشد.
درصورتیکههیدروژنمصرفیحاصلازالکترولیزآبباشدنشرگازهایگلخانه‌ایبهصفرمی‌رسد.
به دلیلوابستهنبودنبهسوخت‌هایفسیلیمتداولنظیربنزینونفت،وابستگیاقتصادی،کشورهایجهان سومراحذفمی‌کند[REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].
بانصبپیلهایسوختینیروگاهیکوچک،شبکهغیرمتمرکزنیروگستردهمی‌گردد.
پیل‌هایسوختیراندمانبالاترینسبتبهدستگاه‌هایاحتراقی استفاده کننده از سوخت‌هایفسیلیمتداولدارند.
هیدروژندرهرمکانی که حیات باشد (آب باشد) طی پروسه الکترولیزازآبوبرقتولیدمی‌گردد. لذاپتانسیلتولیدسوخت،غیرمتمرکزخواهدشد [REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].
اکثرپیل‌هایسوختیدرمقایسهباموتورهایمتداولبسیاربیصداهستند.
انتقالگرماازپیل‌هایدماپایینبسیارکممی‌باشد،لذاآن‌هابرایکاربردهاینظامیمناسبخواهندبود.
زمانعملکردآن‌هاازباتری‌هایمتداولبسیارطولانی‌تراست، مثلاًفقطبادوبرابرنمودنسوختمصرفیمی‌توانزمانعملکردرادو برابرنمودونیازیبهدوبرابرکردن اندازهخودپیلنمی‌باشد.
به علتعدموجوداجزایمتحرکهزینهتعمیر و نگهداریازآن‌هابسیارکماست.
نصبوبهرهبرداریازپیل‌هایسوختیبسیارسادهومقرونبهصرفهمی‌باشد.
اینمولدهاقابلیتتولیدهمزمانبرقوحرارترادارند.
عمدهترینمعایبپیل‌هایسوختی:
تبدیلهیدروکربنبههیدروژنازطریقمبدلهنوزباچالش‌هاییروبروستوهنوزفنآوری کاملاًپاکنمی‌باشد.
پیل‌هایسوختیازباتری‌هایمتداولسنگین‌ترهستندومحققیندرپیکاهشوزنآن‌هامی‌باشند.
تولیدپیلسوختیبدلیلنداشتنخطتولیدهنوزگراناست.
برخیپیل‌هایسوختیازموادگرانقیمتاستفادهمی‌کنند.
اینفنآوریهنوزکاملاًتوسعهنیافتهومحصولاتکمیازآنموجوداست.
شناخت کلیپیلسوختیپیلسوختینوعیوسیلهالکتروشیمیاییاستکهانرژیشیمیاییحاصلازواکنشرامستقیماًبهانرژیالکتریکیتبدیلمی‌کند.سازهوبدنهاصلیپیلسوختیازالکترولیت،الکترودآندوالکترودکاتدتشکیلشدهاست. نمایکلییکپیلسوختیبههمراهگازهایواکنشدهندهوتولیدشدهومسیرحرکتیون‌ها و الکترون‌هادر REF _Ref331172597 h * MERGEFORMAT شکل‏11ارائهشدهاست.
پیلسوختییکدستگاهتبدیلانرژیاستکهبهلحاظنظریتازمانیکهمادهاکسیدکنندهوسوختدرالکترودهایآنتأمینشوندقابلیتتولیدانرژیالکتریکیرادارد.البتهدرعملاستهلاک،خوردگیوبدعملکردناجزایتشکیلدهنده،طولعمرپیلسوختیرا کاهشمی‌دهد.
دریکپیلسوختی،سوختبهطورپیوستهبهالکترودآندواکسیژنبهالکترودکاتدتزریقمی‌شودوواکنش‌هایالکتروشیمیاییدرالکترودهاانجامشدهوباایجادپتانسیلالکتریکیجریانالکتریکیبرقرارمی‌گردد. اگرچهپیلسوختیاجزاءوویژگی‌هایمشابهیکباتریرادارداماازبسیاریجهاتباآنمتفاوتاست. باترییکوسیلهذخیرهانرژیاستوبیشترینانرژیقابلاستحصالازآنبهوسیلهمیزانمادهشیمیاییواکنشدهندهکهدرخودباتریذخیرهشدهاست (عموماًدرالکترودها)تعیینمی‌شود. چنانچهمادهواکنشدهندهدرباتریکاملاًمصرفشود،تولیدانرژیالکتریکیمتوقفخواهدشد (باتریتخلیهمی‌شود).درباتری‌هاینسلدوممادهواکنشدهندهباشارژمجدد،دوبارهاحیامی‌شودکهاینعملمستلزمتأمینانرژیازیکمنبعخارجیاست. دراینحالتنیزانرژیالکتریکیذخیرهشدهدرباتری،محدودووابستهبهمیزانمادهواکنشدهندهدرآنخواهدبود.
گازاکسیدکنندهنظیرهوایااکسیژنخالصدرالکترودکاتدکهباصفحهالکترولیتدرتماساستجریانپیدامی‌کند.بااکسیداسیونالکتروشیمیاییسوختکهمعمولاًهیدروژناستوبااحیاءاکسیدکننده، انرژیشیمیاییگازهایواکنشگربهانرژیالکتریکیتبدیلمی‌شود.
ازنظرتئوری،هرمادهایکهبهصورتشیمیاییقابلاکسیدشدنباشدوبتوانآنرابهصورتپیوسته (بهصورتسیال) بهپیلسوختیتزریقکرد،می‌تواندبهعنوانسوختدرالکترودآندپیلسوختیمورداستفادهقرارگیرد.بهطورمشابهمادهاکسید کنندهسیالیاستکهبتواندبانرخمناسبیاحیاء شود.

شکلSTYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 1:شماتیکطریقه عملکرد پیلسوختیPEM [REF _Ref334005828 h * MERGEFORMAT3].در پیل سوختی پلیمری گازهیدروژنبهعنوانسوختایدهآلمورداستفادهقرارمی‌گیرد.هیدروژنرا می‌توانازتبدیلهیدروکربن‌هاازطریقواکنشکاتالیستی،تولیدوبهصورت‌هایگوناگونذخیرهسازیکرد. اکسیژنموردنیازدرپیلسوختی را میتوانبهطورمستقیمازهواتهیهنمود.بررویسطحالکترودهایآندوکاتدپیلسوختیواکنشاکسیداسیونواحیاءدرناحیهسهفازی (ودرصورتجامدبودنالکترولیتدوفازی) نزدیکسطحمشترکواکنشدهنده‌ها (فاز گاز)،کاتالیست (فاز جامد)والکترولیت(در برخی از پیلها فاز مایع و در برخی دیگر نظیر PEM فاز جامد) صورتمی‌گیرد. اینناحیه دویا سهفازینقشمهمیدرعملکردالکتروشیمیاییپیلسوختیبهویژهپیل‌هایسوختیباالکترولیتجامددارد. دراینگونهپیل‌هایسوختی،گازهایواکنشدهندهازمیانیکلایهنازکازالکترولیتکهسطحالکترودهایمتخلخلراپوشاندهاستعبورکردهوواکنشالکتروشیمیاییمناسبرویسطحالکترودمربوطهانجاممی‌شود.
چنانچهالکترودمتخلخلحاویمقادیربیشازحدالکترولیتباشدالکتروددر اصطلاحغرقشدهوبه اینترتیبانتقالالکترونهابهمکان‌هایواکنشمحدودمی‌شود.درنتیجهعملکردالکتروشیمیاییالکترودمتخلخلتضعیفمی‌شودلذاضروریاستکهدرساختارالکترودهایمتخلخلیکتعادلمناسببینالکترود،الکترولیتوفازگازیایجادشود.
تلاش‌هایاخیربر بهبودعملکردواکنشالکتروشیمیایی،کاهشهزینه‌هایتولید،کاهشضخامتاجزایپیلسوختیودرعینحالاصلاحوبهبودساختارالکترودهاوالکترولیتمتمرکزشدهاست. الکترولیتباهدایتیون‌هابینالکترودهاسببتکمیلمدارالکتریکیپیلسوختیمی‌شود. الکترولیتیکمانعفیزیکیبینسوختوگازاکسیژنایجادمی‌کندومانعاختلاطمستقیمآن‌هامی‌شود. از جمله وظایف مهمصفحاتالکترودمتخلخلدرپیلسوختیعبارتاند از:
1- ایجادیکسطحفعال کافیومناسبکهواکنش‌هایالکتروشیمیاییرویاینسطوحانجاممی‌شود.
2- هدایتیون‌هایحاصلازواکنشبهداخلیاخارجازناحیهتبادلسهفازیوانتقالالکترون‌هایتولیدیبهمدارخارجی(الکترودهابایدهدایتالکتریکیخوبیداشتهباشند).
3- انتقال واکنش دهندهها به سطوح انجام واکنش.
4- انتقال گرمای تولید شده در لایه کاتالیست کاتد به سیستم خنککاری پیل، بویژه برای پیلهای دما بالا.
برایافزایشسطحتماسواکنشدهنده‌هاباکاتالیستلازماستکهساختارالکترود،متخلخلبودهومیزانسطحدردسترس، وپوششدادهشدهتوسطکاتالیستنسبتبهحجمالکترود (مساحت در واحد حجم سطح مؤثر پلاتین)(m/m)زیادباشد. ساختارمتخلخل،دسترسیراحتاجزاءواکنشدهندهبهمراکزفعالراتسهیلمینماید.
نرخواکنش‌هایالکتروشیمیباافزایشدماافزایشپیدامی‌کند،لذاخاصیتکاتالیزوریالکترودهادرپیلهایسوختیدماپایینازاهمیتبیشتریدرمقایسهباپیلسوختیدمابالابرخورداراست. الکترودهایمتخلخلبایددرهردوطرفتماسباالکترولیتوگازهایواکنشدهنده،نفوذپذیرباشندتاحدیکهتوسطالکترولیتاشباعنشدهوبوسیلهگازهایواکنشدهندهخشکنشوند [REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].

پیلسوختیPEMپیل‌هایسوختی غشاءمبادله‌گر پروتون (پلیمری) اولین بار در دهه 1960 برای برنامهجمینی ناسا استفاده شد. ایننوع پیل سوختی از نقطه نظر طراحی و کارکردیکی از جذاب‌ترین انواع پیلسوختی است. پیلسوختیپلیمریدارایالکترولیتپلیمری به شکلیک ورقه نازک منعطف است کههادییونهیدروژن(پروتون)می‌باشد و بین دو الکترود متخلخل قرار می‌گیرد. جهت کارایی مطلوب لازم است الکترولیت، از آب اشباع باشد. نفیونیکی از بهترینالکترولیت‌های مورد استفاده در این نوع پیل سوختی است. این غشاء کوچک و سبک است و در دمایپایین 80 درجه سانتی‌گراد(تقریباً 175 درجه فارنهایت) کارمی‌کند. در پیل سوختیپلیمریواکنشاحیاءاکسیژنواکنشکندتر است (اینواکنشپنج مرتبه کندتر از واکنشاکسید شدن هیدروژن است [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]). کاتالیست مورد استفاده در اینپیل سوختی اغلب از جنس پلاتین بوده و میزانکاتالیستمصرفی در الکترودهایاین نوع پیل سوختیبیشتر از سایر انواع پیل سوختی است.
بازدهالکتریکیاین نوع پیل سوختی بر اساس ارزش حرارتی پایین در حدود 40% تا 50% است [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]. سوخت مصرفی در پیل سوختیپلیمرینیازمندهیدروژنتقریباً خالص است لذا مبدل در خارج پیل سوختی جهت تبدیلسوخت‌های متانول و یابنزین به هیدروژننیاز است.گسترهتوان تولیدیاین نوع پیل سوختیبیشتر از انواع دیگرپیل سوختی است. محدوده توان در این نوع پیل سوختیبین(1W الی 100kW) است[REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]. طول عمر پیش‌بینی شده برایپیل سوختیپلیمریبیش از 20000 ساعت است [REF _Ref334011700 h * MERGEFORMAT5].
در پیل سوختیپلیمری سوخت مورد استفاده هیدروژنمی‌باشد. مولکولهایهیدروژن در آند به یون‌های پروتون و الکترونیونیزه شده، و الکترون‌هااز پروتونها جدا می‌شوند. یون‌هایهیدروژنکه شامل بار مثبت هستند (پروتون) به یک سطح غشاء متخلخل نفوذ می‌کنند و به سمت کاتدمی‌روند. الکترون‌هاینمی‌توانند از این غشاء عبور کنندبلکه از یک مدار خارجی عبور کرده و موجب تولید برق می‌شوند. در کاتدالکترون‌ها، پروتون‌های و اکسیژن موجود در هوا با هم ترکیبمی‌شوند و مطابق REF _Ref331172597 h * MERGEFORMATشکل‏11 آب را تشکیلمی‌دهند.واکنش‌ها در الکترودها به شرح ذیلمی‌باشند:
(1- SEQ 1- * ARABIC1) واکنش سمت آند:
(1- SEQ 1- * ARABIC2) واکنش سمتکاتد:
(1- SEQ 1- * ARABIC3) واکنشکلیپیل:
واکنش سمت آند به مقدار خیلی کمی گرماگیر است و واکنش سمت کاتداین نوع پیل سوختی به دلیلدمایپایین به زمان کمیبرایراه‌اندازینیاز دارد و همینخصوصیتآن را بهترینگزینه در کاربردهایوسایلنقلیهبه عنوانجایگزینبرای موتور احتراق داخلیدیزلی و بنزینیمعرفیمی‌نماید. همچنیناینسیستم‌هاکاربریمناسبی در زمینهمولدهایخانگی، نیروگاهیکوچک، صنعت حمل‌ونقل و نظامی دارند [REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].
لایههایتشکیل دهنده پیلسوختی غشاء پلیمریهر یک از سلول‌هاییکپیلسوختی غشاء پلیمری از یکسریلایهتشکیل شده است، که در هر یک از اینلایه‌هافرآیندهایخاصی انجام می‌شود. در این قسمت به اختصار هر یک از لایههایپیل را معرفیمی‌کنیم، سپس در فصول بعد به تفصیلبه معرفیاینلایه‌ها و مدل‌سازیآن‌هامی‌پردازیم.
لایه نفوذ گازلایه‌هاینفوذگازیبهطورعمومیساختارمتخلخلبرمبنایکربندولایهدارند،شماییازلایهنفوذگازیبین کانال جریانولایهکاتالیستیدر REF _Ref331328151 h * MERGEFORMAT شکل ‏12نشاندادهشدهاست.لایهاوللایهنفوذگازی،یکساختارکربنیماکرومتخلخلباپارچه‌هایکربنیویاورقه‌هایکربنیاست.ساختارماکرومتخلخلبهعنوانجمعکنندهجریانعملمی‌کند.دومینلایه،لایهمیکرومتخلخلنازکیاستکهشاملپودرکربنوبرخیعواملآبگریزاست. اینلایهدرتماسبالایهکاتالیستاست.اینمیکرولایهمتخلخلازبروزطغیاندرلایهنفوذگازیجلوگیریکردهوتماسالکتریکیبینسطحولایهکاتالیستراافزایشمی‌دهد [REF _Ref332025360 h * MERGEFORMAT6].

شکلSTYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 2: شمایی از یک لایه نفوذ گازی دو لایه.لایهکاتالیستبرایافزایشنرخواکنش‌هایشیمیاییبهیکلایهکاتالیستاحتیاجاست. لایهکاتالیستتنهاجاییاستکهدرآنواکنش‌هایالکتروشیمیاییداخلپیلسوختیاتفاقمی‌افتدودربقیهنواحیپیلمانندکانال‌ها،لایه‌هایپخشگازوغشاءهیچواکنشالکتروشیمیاییاتفاقنمی‌افتد. درپیلسوختیهیدروژنیهردولایهکاتالیستکاتدوآندعموماًیکسانهستندوشاملیکفازهدایت‌کنندهیونبراینمونهنفیون، یکفازهدایت‌کنندهالکترونمعمولاًذراتکربن،حفره‌ها (تخلخل‌ها)کهازآن‌هاگازهایواکنشگرانتقالپیدامی‌کندویکفلزنجیب(فلزی که واکنش شیمیایی را تسهیل میکند) کاتالیستعموماًپلاتینهستند،تاواکنش‌هایالکتروشیمیاییراتسهیلکنند. دلیلدیگراستفادهازکربنایناستکهمساحتسطحتماسکاتالیستزیادشود.گازهایواکنشگرازلایهپخشگازواردلایهکاتالیستمی‌شوندوازمیانحفره‌هایموجوددرلایهکاتالیستپخشمی‌شوند.برایرسیدنبهپلاتینیعنیمحلانجامواکنش،واکنشگرهابایدمحلولشوندواینباردرمیانپلیمری (آیونومر)کهدانه‌هایکربنرااحاطهکرده‌اندپخشمی‌شوند.ایندانه‌هایکربنباپلاتینپوششدادهشده‌اندوبارسیدنگازهایواکنشگربهاینکربن‌ها،واکنشالکتروشیمیاییشروعمی‌شود. درواقعداخللایهکاتالیستدومسیرپخش وجود دارد، یکی نفوذ درمیانحفره‌هاودیگری نفوذدرونپلیمرمی‌باشد. افزایشمقاومتدرمقابلنفوذدرطولهرکدامازایندومسیر،عملکردلایهکاتالیستراکاهشمی‌دهد. REF _Ref331417729 h * MERGEFORMAT شکل ‏13نماییازلایهکاتالیسترانشانمی‌دهد.

شکلSTYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 3: نماییازلایهکاتالیست.لایه کاتالیست یکی از پیچیده‌ترین اجزاء در پیل سوختیمی‌باشد، به همین دلیل در مدل‌سازی لایه کاتالیست، مدل‌های مختلفی در دهه‌های اخیر با درجات مختلفی از دقّت و جزئیات ارائه شده است. که از آن جمله می‌توان به روش‌های لایه نازک، همگن و توده‌ای اشاره کرد. در سال‌های اخیر دو روش همگن و توده‌ای بیشتر مورد توجّه بوده است.
در روش لایه نازک، لایه کاتالیست به صورت یک سطح مشترک بین لایه نفوذ گاز و غشاء مدل می‌شود. این روش در حقیقت ساختار درونی لایه کاتالیست را بررسی نمی‌کند، و تنها رابطه‌ای بین افت فعال‌سازیو چگالی جریان پیل (رابطه تافل) ارائه می‌دهد.در فصل سوم مفصل‌تر این رابطه ارائه می‌شود. به طور کلی این مدل هنگامی استفاده می‌شود که هدف مطالعه، بررسی رفتار لایه کاتالیست نمی‌باشد، بلکه بررسی رفتار لایه های دیگر پیل مدّ نظر است.
روش همگن یکی از روش‌های متداول بررسی لایه کاتالیست می‌باشد. در این روش فرض می‌شود که تمامی اجزاء تشکیل‌دهنده لایه کاتالیست به صورت کاملاً یکنواخت و همگن در سرتاسر لایه کاتالیست توزیع شده‌اند، این بر خلاف مدل توده‌ای است. در مدل توده ای ذرات پلاتین بر روی ذرات کربن پایه ریزی می‌شوند، سپس با تجمع تعدادی از این ذرات کربن کنار یکدیگر، یک توده کروی شکل ایجاد می‌شود که درون آن پر از آیونومر می‌باشد. تفاوت این دو مدل، در نحوه پیش‌بینی منحنی قطبیّت پیل است. دلیل این تفاوت در منحنی قطبیت،خصوصاً در چگالی جریان‌های بالا در فصل دوم شرح داده می‌شود.
غشاءغشاءها بایستی دارای قابلیت زیادی برای عبور یون پروتون از خود باشند. آن‌ها شرایطی فراهم می‌آورند که گازهای ورودی به پیل سوختی از دو طرف با هم مخلوط نشوند. از لحاظ شیمیایی (خوردگی) و مکانیکی (استحکام) بایستی سازگار با شرایط عملکرد پیل سوختی باشند [REF _Ref332024936 h * MERGEFORMAT7]. غشاءیکه در پیل سوختی پروتونی بکار می‌رود، از پلیمری بنام پرفلئورو کربن-سولفونیک اسید ساخته می‌شود. بهترین ماده‌ی غشاء موسوم به نفیونمی‌باشد که دارای شاخه‌ی پروفلئورو-سولفیلفلئوراید-اتیل-پروپیل-وینیلمی‌باشد.

شکلSTYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 4: شاخه پلیمری پرفلئوروسولفونیک اسید (Perfluorosulfonate). REF _Ref331339393 h * MERGEFORMAT شکل ‏14 زیر شاخه‌ی پلیمری پرفلئورو سولفونیت را برای نفیون نشان می‌دهد. انتهای شاخه، گروه اسید سولفونیک مشاهده می‌شود که شامل یون‌های پروتون H+ و می‌باشد. این ساختار شدیداً آب دوست است. این خاصیت در انتهای شاخه یعنی جاییکه اسید سولفونیک وجود دارد رخ می‌دهد. این خاصیت به غشاء اجازه می‌دهد که مقدار بسیار زیادی آب جذب نماید. یون پروتون از این ناحیه مرطوب عبور می‌کند و این کمیت را بهصورت قابلیت هدایت تعریف می‌کنند [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4].
انواع مختلف نفیون را با حرف N و با سه یا چهار رقم به فرمN---- نشان می‌دهند، دو رقم اوّل وزن معادل را تقسیم بر صد نشان می‌دهد و دو رقم بعدی ضخامت غشاء را بر حسب میل نشان می‌دهد [REF _Ref332025524 h * MERGEFORMAT8]. قابل ذکر است که: . نفیونهای موجود در بازار دارای ضخامتهای 2، 3.5، 5، 7 و 10 میل میباشند. به عنوان مثال N117 دارای وزن معادل 1100 g/eqو ضخامت 7 میل (0.178 mm) میباشد.وزن معادل هر ماده برابر است با جرمی از آن مادهکه یک مول پروتون (H+) را تامین میکند، یا با یک مول پروتون در یک واکنش پایه اسیدی واکنش میدهد.
عملکرد پیلسوختیعملکرد یکپیلسوختی را می‌توان از طریق نمودار ولتاژ–چگالی جریان آن بررسی و تحلیل کرد. این نمودار که منحنی ولتاژ-چگالیجریاننامیدهمی‌شود، خروجی ولتاژ یکپیلسوختی را در یک چگالیجریانورودی نشان می‌دهد.این نمودار، منحنیقطبیتنیز نامیدهمی‌شود که در REF _Ref331172664 h * MERGEFORMAT شکل ‏15آن را مشاهده می‌کنید. محور افقیچگالیجریان، یعنیجریان بر واحد سطح پیل را نشان می‌دهد. به کار بردن چگالیجریان به ایندلیل است که یکپیل با ابعاد بزرگ‌تر مقدار الکتریسیتهبیشتری از یکپیلکوچک‌ترتولیدمی‌کند در نتیجهمنحنی‌هایقطبیت با سطح پیلسوختی نرمال سازیمی‌شوند تا قابل مقایسه با یکدیگر باشند.
REF _Ref331172664 h * MERGEFORMAT شکل ‏15منحنیقطبیت را که دارای چهار ناحیهافتجریانداخلی، افتفعال‌سازی، افتاهمیک و افت انتقال جرم که توسط افت‌های موجود در پیلسوختی مورد تأثیر قرار گرفته‌اند را نشان می‌دهد. افتفعال‌سازی در ناحیه افتفعال‌سازیمنحنیقطبیت، غالب است. سینتیک الکترود،ناحیه مربوط به افتفعال‌سازی را کنترل می‌کند. افتناحیهاهمیک در منحنیقطبیت به سبب مقاومت‌هایپروتونیک و الکترونیک موجود در پیلسوختیمی‌باشد. افت غلظت بیشترین مقدار خود را در انتهایمنحنیقطبیت (یعنیناحیه‌ای که انتقال جرم واکنشگرها با مشکل مواجه است) دارد. در چگالیجریان‌های بالا، میزانواکنشگرهای مورد نیاز به مراتب افزایشمی‌یابد، این در حالی است که میزان آب تولیدینیززیادمی‌شود. اینمیزان آب مایعمی‌تواند سبب مسدود شدن مسیرهای عبور واکنشگرها شود (خصوصاً در پیلهای دما پایین)،این امر سبب افت غلظت واکنش‌دهنده‌هاشده و در پی آن افت ولتاژ را بوجود می‌آورد.

شکلSTYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 5:منحنیقطبیتیکپیلسوختی [REF _Ref334022735 h * MERGEFORMAT9].خروجیولتاژواقعییکپیلسوختی کمتر از ولتاژ ایده آل یا ولتاژ ترمودینامیکی است. ولتاژ خروجی از یکپیلسوختی بر روی توان کلیتولید شده تأثیرمی‌گذارد. چگالی توان تولید شده از پیلسوختی توسط حاصل ضرب ولتاژ در چگالی جریان (P=V.i) حاصل می‌شود. منحنیچگالی توان، چگالی توان خروجی را به صورت تابعی از چگالیجریانپیلسوختی نشان می‌دهد این منحنی در نتایج مدلسازی نظیر REF _Ref331174635 h * MERGEFORMATشکل ‏211 رسم شده است. چهار نوع اصلی افت در پیلسوختی (در نمودار قطبیتنیز نشان داده شده است) وجود دارند، که این چهار افت به این شرح هستند:
الف) افت فعال‌سازی
ب) افتجریانداخلی
ج) افتاهمیک
د) افت غلظت
افتفعال‌سازیعامل ایجاد افت فعال سازیکندیواکنش‌هایی است که روی سطوح الکترودها رخ می‌دهد. در نتیجهقسمتی از ولتاژ تولیدی صرف غلبه بر انرژیفعال‌سازی واکنش شیمیایی و به راه انداختن واکنش می‌شود. افت فعال‌سازی را با η نشان می‌دهند. در سال 1905 تافل مشاهده کرد که افت فعال‌سازی موجود در هر یک از الکترودها با لگاریتمچگالیجریانتقریباً رابطه خطی دارد، به طوریکه مقدار این افت تا یکچگالیجریان خاص که چگالیجریانتبادلیپیلنامیده شد صفر است، چگالیجریانتبادلی، i0، را می‌توانچگالیجریانی در نظر گرفت که افت ولتاژ فعال‌سازی از صفر شروع به تغییرمی‌کند. روند تغییراتاین افت بر حسب لگاریتمچگالیجریان عمدتاً به صورت خطی است که در REF _Ref331172831 h * MERGEFORMAT شکل ‏16برای دو نمونه نشان داده شده است.

شکل STYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 6: نمودار تافل برایواکنش‌هایالکتروشیمیاییسریع و کند [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4].تافل این نمودار را با معادله زیرتقریب زد:
(1- SEQ 1- * ARABIC4)
در معادله REF _Ref330209497 h * MERGEFORMAT (1- 4)، i0، چگالیجریانتبادلی و aشیب خط تافل هستند که به الکتروشیمی واکنش بستگی دارند [REF _Ref332025607 h * MERGEFORMAT11].همین‌طور که در REF _Ref331172831 h * MERGEFORMAT شکل ‏16مشاهدهمی‌شود هر چه واکنش سریع‌تر انجام شود شیبمنحنی تافل به مراتب کمتر می‌شود و با توجه به رابطه REF _Ref330209497 h * MERGEFORMAT (1- 4)میزان افت فعال‌سازی برای یک چگالی جریان ثابت کاهش می‌یابد.چگالیجریانتبادلی، i، نیز در واکنش‌هایی که سریع‌تر اتفاق می‌افتد، بزرگ‌تر است، بنابراینمیزان افت فعال‌سازی در محدوده وسیع‌تری صفر خواهد بود[REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]. درپیلسوختیغشاء پلیمری، افت فعال‌سازی به طور عمده در سمت کاتد رخ می‌دهدزیراiدر واکنش آند چندین مرتبه (چهار - پنج مرتبه) نسبت به واکنش کاتد بزرگتر است، به عبارت دیگر واکنش اکسایش هیدروژن در لایه کاتالیست آند بسیار سریع‌تر از واکنش کاهش اکسیژن در لایه کاتالیست کاتد است [REF _Ref332025607 h * MERGEFORMAT11]. به همین علت اغلب در بررسی افت فعال‌سازی از افت فعال‌سازی آند در مقابل کاتد صرف نظر می‌شود.
افتجریانداخلیغشاء پلیمری نسبت به گازهایواکنش‌دهنده (سوخت) نفوذ ناپذیر است اما همواره از یکسو مقدار کمی از سوخت و از سویدیگر تعداد اندکی الکترون به غشاء پلیمری نفوذ می‌کند. نفوذ سوخت در غشاء معادل از دست رفتن سوخت بدون تولیدجریان در مدار خارجی است. به عبارت دیگر به ازای عبور هر مولکول هیدروژن از درون غشاء قابلیت عبور دو الکترون از مدار خارجی از بینمی‌رود و در حقیقتیک مدار اتصال کوتاه در پیلایجادمی‌شود که جریانداخلینامیدهمی‌شود. این نوع افت ولتاژ در حالتی که پیلسوختی تحت بار نیست (حالت مدار باز، i=0) وجود دارد، چون حتی در این حالت نیز سوخت می‌تواند درون غشاء نشت کند. به همیندلیل ولتاژ مدار باز به طور محسوسی از ولتاژ تئوریبازگشت‌پذیر کمتر است، میزان این افت ولتاژ از ولتاژ تئوریبازگشت‌پذیر از همان ابتدای منحنی قطبیت(i=0) در REF _Ref331172664 hشکل‏15 نشان داده شده است. مقدار نشت هیدروژن از غشاء تابعی از نفوذ پذیری، ضخامت غشاء، شرایطعملکردیپیل و گرادیان فشار جزئیهیدروژناست [REF _Ref332025559 h * MERGEFORMAT10]. مقدار جریانداخلیتولید شده ناشی از عبور همزمان هیدروژن و الکترون از درون غشاء را با inنشان می‌دهند. برای محاسبه افت ناشی از جریان داخلی کافی است که مقدار in به مقدار چگالی جریان پیل اضافه کنیم:
(1- SEQ 1- * ARABIC5)
افتاهمیکافت‌هایاهمیکبه دلیلمقاومت‌هایی که در برابر جریانالکترون‌ها در الکترودها و اتصالات داخلی مختلف و همچنینمقاومت‌هایی که بر سر راه جریانیون‌های مثبت در الکترولیت وجود دارند، می‌باشند. این افت ولتاژ متناسب با چگالیجریان و خطی است [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4] و با ηOhmic نشان می‌دهند. از قانون اهم داریم:
(1- SEQ 1- * ARABIC6)
که iچگالی جریان پیل، RElectronic و RIonicمقاومت‌های ویژهالکترونیک و یونیک بر حسب m2 در پیلسوختی هستند. قسمت عمده افت اهمی، مقاومت یونی غشاء می‌باشدبطوریکهتقریباً کل افت اهمیک موجود در پیل را می‌توانبا مقاومت یونیک موجود در الکترولیت با دقت خوبیتخمین زد [REF _Ref332025559 h * MERGEFORMAT10]. افت اهمی وابسته به جنس قطعات به کار رفته در پیل است.

افت غلظتدر چگالیجریان‌های بالا بر اثر مصرف زیاد واکنش دهنده‌ها، غلظت واکنش دهنده‌هاروی سطح الکترودها کاهش می‌یابد و سبب افت ولتاژ می‌شود و با ηconcentration نشان می‌دهند [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]. البته این رابطه، یک رابطه نیمه تجربی میباشد، که در برخی از روشهای شبیهسازی نظیر مدل همگن لایه کاتالیست از آن استفاده میشود:
(1- SEQ 1- * ARABIC7)
iLچگالیجریان محدود کننده است و زمانیایجادمی‌شود که غلظت واکنش دهنده روی سطح در محل واکنش به صفر برسد.
اگر CR غلظت واکنش دهندهها در ورودی لایه نفوذ گاز و CRS غلظت واکنش دهندهها در سطوح انجام واکنش باشد، آنگاه شار عبوری واکنش دهندهها برابر است با:
(1- SEQ 1- * ARABIC8)
که در آن Dضریب نفوذ پذیری واکنش دهنده‌ها[cm/s]،A سطح فعال الکترودو δ ضخامت لایه نفوذ گاز هستند.
از طرفی طبق قانون فارادی (پیوست 1)، نرخ مصرف واکنش دهندهها با نرخ جریان تولیدی به صورت زیر متناسب است:
(1- SEQ 1- * ARABIC9)
n تعداد الکترون‌های انتقال یافته به ازای یک مول سوختمیباشد. اکنون با ترکیب کردن معادلات (1-4) و (1-5) داریم:
(1- SEQ 1- * ARABIC10)
همانطور که میدانیم در چگالیجریان محدود کننده که غلظت واکنش دهنده روی سطح در محل واکنش به صفر میرسدCRS=0.بنابراین چگالی جریان محدود کننده برابر است با [REF _Ref332025777 h * MERGEFORMAT12]:
(1- SEQ 1- * ARABIC11)
Bدر معادله REF _Ref331420287 h * MERGEFORMAT (1- 7)عدد ثابت است و کاملاً وابسته به شرایطعملکردیپیلمی‌باشد.این عدد معمولاً به صورت تجربیبرایپیلهای مختلف گزارش می‌شود به طوریکه ابتدا منحنیتجربیقطبیتپیل با انجام تست در چگالیجریان‌های مختلف بدست می‌آید سپس اینمنحنی را با رابطه REF _Ref330220987 h * MERGEFORMAT (1- 12)که در حقیقت ولتاژ واقعیپیل در چگالیجریان‌های مختلف می‌باشد، و از کم کردن تمامیافت‌ها از ولتاژ بازگشت‌پذیرپیل بدست می‌آید، برازش می‌کنند تا ثوابتینظیرa،B بدست آیند [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4].
(1- SEQ 1- * ARABIC12)
افت غلظت با بهینهسازی انتقال جرم در الکترودها و ساختار جریانپیلسوختی قابل کم شدن است.
مروری بر پروژه - ریسرچ‌هافیزیک حاکم بر یکپیلسوختیبسیارپیچیده است. تعداد زیادیفرآیند که به طور هم زمان در پیلسوختی رخ می‌دهند، وجود دارند و مطالعه هر فرآیندی که در پیلسوختی انجام می‌گردد دشوار می‌باشد. تاکنون محققان مختلفی بر رویجنبه‌های متفاوت پیلسوختی تمرکز کرده‌اند. تحقیقاتتجربیپیلسوختیبسیار زمان بر و گران قیمتاست. محققان اولیه تنها بر رویجنبه‌هایخاصی از پیلسوختی مثل صفحات دو قطبی، لایهکاتالیست، لایه نفوذ گاز و غشاء تمرکز کرده‌اند. در این بخش ابتدا مروری بر رویانواع مدل‌سازی‌های انجام شده بر رویلایهکاتالیست انجام می‌دهیم و سپس برخی از مدل‌سازی‌های مربوط به غشاء و لایه نفوذ گاز ارائه می‌گردد:
لایهکاتالیستبه طور کلی سه روش مختلف به منظور مدل‌سازیلایهکاتالیست وجود دارد:
مدل لایه نازک
مدل همگن
مدل تودهای
در سال‌هایاولیه توان محاسباتی محدود بوده و در نتیجه تنها یک مدل عددییکبعدیپیلسوختی غشاء پلیمری توسط برناردی و همکارانش [REF _Ref332025833 h * MERGEFORMAT13] توسعه یافته بود و نتایج آن با مدل تجربیمقایسه شده بود.برناردی و همکارانش اولینمحققینی بودند که لایهکاتالیست کاتد را به روش همگن مدل‌سازی کردند. آن‌هارفتار لایهکاتالیست مسئله مدیریت آب در پیلسوختی و همچنین عملکرد پیل را مورد بررسی قرار دادند. نتایج کار آن‌هابیانگراینواقعیت بود که واکنش کاهش اکسیژندر یکلایهبسیارباریکی از لایهکاتالیست که نزدیک به لایه نفوذ گاز می‌باشد انجام می‌شود. بعدها خواجه حسینی و همکارانش [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14]نشان دادند که در یک ولتاژ عملکردیپیل (A m-5000) تنها 5% از لایهکاتالیست که در مجاورت سطح مشترک لایهکاتالیست با لایه نفوذ گازمی‌باشد در واکنش کاهش اکسیژنشرکت می‌کنند، اینیعنیاینکهاکسیژنمصرفی به محض ورود به قلمرو لایهکاتالیست مصرف می‌شود. بنابراینبراییکطراحیبهینه و مقرون به صرفه،تجمع بارگذاریپلاتین در مجاورت سطح مشترک لایهکاتالیست با لایه نفوذ گاز می‌تواند به عنوان یکگزینه مورد توجه باشد.
برناردی و وربروگ[REF _Ref332025833 h * MERGEFORMAT13] همچنینمعادلات استفان- بولتزمن را برای مدل کردن انتقال جرم در لایه نفوذ گاز، معادله باتلر- ولمر را برای سینتیک واکنش و معادله نرنست – پلانک را برای انتقال جرم در غشاء به کار بردند. یک سال بعد آن‌ها مدل خود را از بخش کاتد به دو بخش آند و کاتد پیل سوختی بسط دادند. اینبار افت اهمیک در اثر انتقال الکترون در لایه نفوذ گاز، افت فعال‌سازی و افت اهمیک در اثر عبور پروتون در غشاء را در مدل‌سازی خود مورد مطالعه قرار دادند.
برناردی و وربروگ در سال 1992 پیل سوختی غشاء پلیمری جامد را با استفاده از روش همگن مدل کردند [REF _Ref332025887 h * MERGEFORMAT15]. آن‌ها مکانیزم انتقال اجزاء در شبکه پیچیده پیل در فازهای مختلف گاز و مایع و فاکتورهای مؤثر بر کارایی پیل را در تحقیق خود مورد تحلیل و بررسی قرار دادند. در این بررسی رفتار قطبیت پیل با داده‌های آزمایشگاهی مقایسه شده است. استفاده از ضخامت‌های متفاوت الکترود در کار آن‌ها نشان می‌دهد که برای دوری جستن از اینکه چگالی جریان محدود کننده پیل، در جریانهای پایینتر اتفاق افتد، نسبت حجمی الکترود کاتد (تخلخل لایه نفوذ گاز سمت کاتد) برای انتقال گازها باید بیش از 20 درصد باشد. به عبارت دیگر آنها ثابت کردند که به ازای مقادیر بسیار اندک تخلخل الکترد کاتد(به عنوان مثال 11%) چگالی جریان محدود کنندهپیل به دلیل محدود شدن انتقال جرم به سرعت اتفاق میافتد. نتایج مدل آن‌ها همچنین نشان می‌دهد که در گستره وسیعی از چگالی‌های جریان، هیچ نیازی به آب خارجی وجود ندارد زیرا آب تولیدی در کاتد به منظور تأمین نیازمندی‌های آبی غشاء کافی است.
در سال 2002 جنویو همکارانش [REF _Ref332025901 h * MERGEFORMAT16]مدلسازی لایه کاتالیست را بر اساس روش همگن ارائه کردند. اثر انتقال جرم و حرارت در پیل سوختی غشاء پلیمری بر طبق الکتروشیمی لایه کاتالیست در مدل آن‌ها مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین با استفاده از مدل خود نشان دادند، هنگامیکه غلظت اکسیژن در مرز لایه کاتالیست و غشاء به صفر می‌رسد، چگالی جریان محدود کننده حاصل می‌شود. آن‌ها با استفاده از فرض کاملاً توسعه یافته بودن سیال در کانال‌های انتقال گاز، یک بعدی و همگن بودن لایه کاتالیست، به مقدار بهینه استفاده از کاتالیست پلاتین در لایه کاتالیست رسیدند. همچنین از مدل‌سازی خود به این نتیجه رسیدند که افزایش دما بیش از حد معقول، باعث کم آب شدن آیونومر لایه کاتالیست شده و کارائی پیل را کاهش می‌دهد و نشان دادند که تخلخل و میزان بارگذاری پلاتین در لایه کاتالیست نقش بسیار مهمی را در کارائی پیل ایفا می‌کنند.
در سال 1999 سینگ و همکارانش [REF _Ref332025916 h * MERGEFORMAT17]لایهکاتالیستپیلسوختی غشاء پلیمری را به صورت دو بعدیمدل‌سازی کردند، آن‌هاهمچنینجریان‌های واکنش دهنده‌ها در آند و کاتد را به صورت همسو و غیر همسو مدل کرده و نتایج آن را با هم مقایسه کردند.آن‌هانتیجه گرفتند که مدل‌سازی دو بعدی نقش مهمی بر رویپیش‌بینیصحیح عملکرد پیلسوختیایفامی‌کند، این امر در چگالیجریان‌هایپایینشدیدتر است. مار و لی [REF _Ref332025950 h * MERGEFORMAT18] اثراتساختاریاجزایتشکیلدهنده‌ییکلایهکاتالیست همگن را بر روی عملکرد پیلسوختی غشاء پلیمری مورد بررسی قرار دادند. آن‌هانتیجه گرفتند که به منظور دستیابی به بالاترینمیزانکاراییپیلاز نقطه نظر ساختاریباید همواره 40% از لایهکاتالیست از ذرات پلاتین–کربن(Pt/C)ساخته شده باشد. در سال 2010 خواجه حسینی و همکارانش [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14]یک مطالعه جامع پارامتری را بر رویلایهکاتالیستی که به روش همگن مدل کرده بودند انجام دادند. در این مطالعه، اثر شش پارامتر ساختاری بر روی عملکرد پیلسوختی غشا پلیمری مورد بررسی قرار گرفت. آن‌ها نشان دادند که برخی از پارامتر هایساختارینظیر کسر حجمی فاز غشاء موجود در لایهکاتالیست، ضخامت لایهکاتالیست و بارگذاری کربن ازتأثیرگذارترینپارامترها بر رویمنحنیقطبیتپیل هستند.
علیرغمموفقیت‌های ذکر شده در مورد مدل همگن لایهکاتالیست،پیش‌بینی عملکرد سلول سوختی با استفاده از مدل همگن در چگالیجریان‌های بالا بسیارضعیف است و با نتایجتجربی اختلاف قابل ملاحظه‌ای دارد. این اختلاف به دلیل این است که افت غلظت در مدل همگن به خوبی و بدون استفاده از روابط تجربی قابل پیش‌بینینیست. اکنون مدل توده‌ای که کمی از مدل همگن نوین‌تر است می‌توانداین مشکل را مرتفع سازد.
گراف‌های میکرو الکترونی، بروکا و اکدونج[REF _Ref332026000 h * MERGEFORMAT19] نشان داد که ذرات Pt/Cموجود در لایه کاتالیست، نزدیک به یکدیگر و به شکل یک توده کروی انباشته شده‌اند، همچنیناین توده کروینیز با لایهنازکی از آیونومر احاطه شده است. آن‌هاهمچنینلایهکاتالیست کاتد را با استفاده از مدل همگن و توده‌ایشبیه‌سازی کرده و نتایجآن‌ها را با یکدیگرمقایسهکرده‌اند. سان و همکارانش [REF _Ref332026047 h * MERGEFORMAT20]در سال 2005 مدل تودهای را برایبررسیاثر بارگذاریآیونومرنفیون و پلاتین بر روی عملکرد پیل مورد بررسی قرار دادند. آن‌ها 36% را یک کسر وزنیبهینهبرایبارگذارینفیونبدست آوردند. در سال 2007 سیکنل و همکارانش [REF _Ref332026057 h * MERGEFORMAT21] الکترود کاتد یکپیلسوختی غشاء پلیمری را که بهروشتوده‌ای مدل شده بود با استفاده از روش بهینه‌سازی چند متغیرهبهینه کردند. آن‌هانتیجه گرفتند کههرچه شعاع ذرات توده ای موجود در لایهکاتالیست و همچنین ضخامتلایهآیونومر اطراف آن‌هاکوچک‌تر باشد، عملکرد پیلبهینه‌تر است. در واقع تا آنجایی که فرآیندهای ساخت اجازه می‌دهندباید شعاعذرات توده‌ای و ضخامت آیونومر دور آن‌ها کوچک باشد. آن‌ها کسر حجمیبهینه را برای فاز جامد و غشاء موجود در لایهکاتالیست به ترتیب 22.05% و 53.95% گزارش کردند. البته اینمقادیر در چگالیجریان‌های متوسط گزارش شده‌اند.
در سال 2012، کاماراجوگادا و مازومدر [REF _Ref332026073 h * MERGEFORMAT22]لایه کاتالیست را به روش توده‌ایمدل‌سازی کردند، البته یک فرق اساسی که مدلآن‌ها با سایر روش‌هایتوده‌ای داشت، این است که آن‌ها فرض کردند ذرات توده‌ای با شعاع‌های متفاوت با یکدیگر تداخل داشته باشند. نتایج کار آن‌ها نشان می‌دهد که تا هنگامی که اندازه ذرات توده‌ای کوچک (کوچکتر از nm 200) باشد، اثر آن‌ها بر روی منحنی قطبیت پیل اندک است. اما برای ذرات بزرگتر اثر آن‌هابر روی منحنی قطبیت قابل ملاحظه است. به ویژه در چگالی جریان بالا جایی که افت غلظت شدید بوده و مقاومت در برابر انتقال جرم به درون توده به شکل توده وابسته است، این اثر بحرانی‌تر خواهد بود. آن‌ها همچنین نتیجه گرفتند که کارایی پیل در این حالت نسبت به حالتی که توده‌ها به صورت کروی و جدا از هم هستند به ازای یک حجم یکسان به مراتب بیشتر است و به نتایج تجربی نیز نزدیکتر می‌باشد.
لایه نفوذ گاز و غشاءلایههای نفوذ گاز به دلیلیکنواخت کردن جریانگازهای واکنش دهنده بکار می‌روند. البته استفاده از اینلایه‌ها باعث کاهش فشار واکنش دهنده‌ها نیزمی‌گردد. غشاء نیزیکلایه مرطوب می‌باشد که پروتون‌ها از طریق آن از آند به سمت کاتد مهاجرت می‌کنند. در پیل‌هایسوختی غشاء پلیمری از انواع نفیون‌ها به عنوان غشاء استفادهمی‌شود. میزان آب موجود در غشاء ازاهمیتویژه‌ای برخوردار است. تمامی خواص غشاء اعم از میزاننفوذ آب، قابلیت هدایتپروتونی و مقاومت پروتونی به میزان آب موجود در غشاء بستگی دارد. اگر دمایپیل بالا باشد (oC100) ممکن است که رطوبت غشاء از دست برود و مقاومت پروتونیکافزایشیابد. از سویدیگرزیادی آب درون غشاء باعث ایجادپدیدهغرقابی شده و منافذ نفوذ گاز را مسدود می‌کند.
اثر دما و ضخامت غشاء بر بازده پیل سوختی و اثر انتقال آب در داخل لایه غشاء، مواردی هستند که اشپرینگر و همکارانش [REF _Ref332026117 h * MERGEFORMAT23]در مدل‌سازی پیل سوختی با استفاده از روش لایه نازک به بررسی آن‌ها پرداخته‌اند.اشپرینگر و همکارانش در سال 1991یکپیلسوختیپلیمری با نفیونN117 به عنوان غشاء مدل‌سازی کردند. آن‌ها هوا و هیدروژنورودی به کاتد و آند را کاملاً اشباع در نظر گرفتند. آن‌ها اثر برخی از پارامترهایساختاری و عملکردیپیل را بر رویکاراییپیل مورد بررسی قرار دادند، و به طور خاص اثر جزء آب موجود در غشاء و دما را بر روی مقاومت پروتونیک غشاء و در نتیجهکاراییپیل مورد بررسی قرار دادند. آن‌هانتیجه گرفتند که هر چه دمایپیلسوختی بالاتر باشد و همچنین هر چه ضخامت غشاء بیشتر باشد جزء آب موجود در غشاء کاهش و در پی آنمقاومت پروتونیک غشاء افزایشمی‌یابد.آن‌ها به این نتیجه رسیدند که با افزایش چگالی جریان پیل، مقاومت غشاء نیز افزایش مییابد، که برای کاهش این مقاومت میتوان از غشاء با ضخامت کمتر استفاده نمود، همچنین دریافتند که نسبت شارخالص آب عبوری به شار پروتون در داخل غشاء، از میزان پیش‌بینی شده توسط پدیده کشش الکترواسمزی بسیار کمتر است.
موتوپالی و همکارانش [REF _Ref332026155 h * MERGEFORMAT24] نفوذ آب درون نفیونN115 را مورد بررسی قرار دادند. آن‌ها شار نفوذ آب را در درون غشاء با استفاده از قانون فیک مدل کردند. نتایج کار آن‌ها نشان داد که گرادیانضریبفعالیت آب در داخل غشاء به فشار عملکرد پیلسوختیبستگی دارد. شان-های و بائو-لیان [REF _Ref332026180 h * MERGEFORMAT25]اثر نوع جریانواکنشگرها در کانال‌هایورودی (همسو و غیر همسو) را بر رویفرآیندهای انتقال درون غشاء (مهاجرت پروتون و انتقال آب)، مقاومت اهمیک و توزیع آب درون غشاء بررسی کردند. آن‌ها اثبات کردند که جریانغیر همسو می‌تواند باعث بهبود عملکرد پیلسوختی شود. جنگ و همکارانش [REF _Ref332026198 h * MERGEFORMAT26] نفوذ اکسیژن را در الکترود کاتد پیل سوختی با استفاده از یکضریبنفوذ معادل به صورت دو بعدی مدل کردند. آن‌ها اثر ضخامت لایه نفوذ گاز را بررسی کردند و اثبات کردند که هر چه ضخامت لایه نفوذ گاز کمتر باشد عملکرد پیلبهینه‌تر خواهد بود، البته این امر در مورد لایه‌های نفوذ گاز با تخلخل اندک می‌باشد.
اهداف پروژه و خلاصهای از کارهای صورت گرفتهبا توجه به مطالب ذکر شده در بخشهای قبلی میتوان نتیجه گرفت که به منظور طراحی صحیح و بهینه یک سیستم پیل سوختی نیازمند یک مدلسازی از عملکرد لایههای مختلف پیل سوختی نظیر مدلسازی لایه کاتالیست، لایه نفوذ گاز و غشاء هستیم. هدف اصلی از انجام این پایاننامه ارائه یک مدل کارآمد جهت پیشبینی عملکرد لایههای مختلف پیل و بررسی تاثیر پارامترهای مختلف (عملکردی و ساختاری) بر روی کارایی پیل میباشد. این مدل میتواند آغاز راه برای سازندههای پیل سوختی غشاء پلیمری باشد.
از اینرو در اینپایان‌نامهمدل‌سازییکبعدی عملکرد یکپیلسوختی غشا پلیمری انجام می‌پذیرد، و تمامیلایه‌هایاینپیلسوختی تک سلولیشبیه‌سازیمی‌شوند. مدل ارائه شده برایلایهکاتالیست، مدل توده‌ایمی‌باشد. این مدل افت غلظت موجود در منحنیقطبیتپیل را که در چگالیجریان بالا اتفاق می‌افتد بدون اضافه کردن روابط نیمهتجربی مربوط به افت غلظت درستپیش‌بینیمی‌کندهمچنین در حالتی که اندازه تودهها به سمت صفر میرود(تودههای بسیار کوچک) این مدل به مدل همگن ساده میشود. لایه‌های نفوذ گاز نیز که در دو طرف آند و کاتد پیل قرار دارند با استفاده از معادلات مربوط به نفوذ گازهای چند جزئی مدل شده‌اند. غشاء نیز با مدل کردن انواع مکانیزم‌های انتقال آب که در آن وجود دارد شبیه‌سازی شده است. عملکرد یکپیلسوختی توسط منحنی ولتاژ بر حسب چگالیجریانبیانمی‌شود. این عملکرد با کسر نمودن افت‌های مربوط به ولتاژ فعال‌سازی، اهمیک و غلظت از ولتاژ بازگشت‌پذیرپیل در یکچگالیجریان بدست می‌آید. سپس با تغییرچگالیجریان، منحنیجریان–ولتاژ پیل بدست می‌آید. در اینپایان‌نامه معادلات حاکم بر عملکرد لایه‌های مختلف پیل (که ترکیبی از معادلات دیفرانسیل و معادلات جبریمی‌باشند) بدست آمده سپس این معادلات حل می‌گردد تا افت‌هایقید شده بدست آید. در انتها یکسری مطالعات پارامتری به منظور بررسیمیزانحساسیت تابع عملکرد به یکسریپارامترها انجام می‌پذیرد.

فصل دوممدل‌سازی لایه کاتالیست به روش توده‌ای و نتایج آن25050754247515020000
معرفی لایه کاتالیستلایه کاتالیست لایه بسیار نازکی است که بین غشاء و الکترود (ناحیه‌ی متخلخل) فشرده شده است. در این ناحیه واکنش الکتروشیمیایی رخ می‌دهد و بهطوردقیق‌تر واکنش الکتروشیمیایی در سطح کاتالیست رخ می‌دهد. سهمؤلفه که شامل الکترون‌ها و پروتون‌ها و گازها هستند در واکنش شرکت می‌کنند بنابراین واکنش در ناحیه‌ای رخ می‌دهد که این سه ماده وجود داشته باشند. الکترون‌ها از جامدی که رسانای الکتریسیته است عبور می‌کند و خود را به سطح کاتالیست می‌رساند. پروتون‌ها نیز از فاز غشاء عبور می‌کنند و خود را به سطح کاتالیست می‌رساند و در نهایت گازهای واکنش‌دهنده از منافذ خالی عبور می‌کنند. بنابراین الکترود باید متخلخل باشد تا به گازها اجازه دهد به محل انجام واکنش برسند. آب تولید شده بایستی بهصورت موثر و بهینه خارج شود، در ضمن ممکن است که پدیده غرقابی رخ دهد، در این حالت آب مایع منافذ خالی الکترود را می‌پوشاند و مانع رسیدن گازها (اکسیژن) به لایه کاتالیست(کاتد) می‌شود.
همان‌طور که در REF _Ref331266301 h * MERGEFORMAT شکل ‏21 (الف) مشاهده می‌شود واکنش در مرز سه فازی رخ می‌دهد که شامل فاز غشاء، فاز جامد و فضای خالی می‌باشد. البته اگر فاز غشاء جامد باشد این مرز دو فازی خواهد بود. این ناحیه گاهی تنها بهصورت یک سطح تداخلی در نظر گرفته می‌شود. در عمل چون ممکن است نفوذ گاز از غشاء صورت گیرد، ناحیه‌ی واکنش بزرگ‌تر از یک خط مرزی سه فازی است. محیط واکنش ممکن است با وجود نفوذ غشاء به قسمتی از کاتالیست بهصورت یک ناحیه در نظرگرفتهشود( REF _Ref331266301 h * MERGEFORMAT شکل ‏21 (ب)). اما در اغلب موارد، تمام سطح کاتالیست با فاز غشاء پوشیده می‌شود( REF _Ref331266301 h * MERGEFORMAT شکل ‏21 (پ)). مسلماًیک حالت بهینه برای کسر حجمیهریک از این‌ فازهای غشاء، جامد و فضای خالی به منظور بهترین کارکرد لایه‌ی کاتالیست قابل حصول است.
متداول‌ترین کاتالیستی که در پیل‌های سوختی پروتونی برای واکنش کاهش اکسیژن و اکسایش هیدروژن کاربرد دارد، پلاتین است. در پیل‌های قدیمی مقادیر زیادی پلاتین استفاده می‌شد(mg/cm2 28). در اواخر سال 1990 این مقدار به mg/cm20.3-0.4رسید. مسئله مهم در ساختمان کاتالیست‌ها سطح آن‌هاست نه وزنشان، زیرا هر چه که سطح کاتالیست بیشتر باشد، سطوح انجام واکنش افزایش مییابد، بنابراین ذرات پلاتین بایستی ریز باشند (کمتر از nm4) زیرا به ازای یک مقدار بارگذاری معین هر چه ذرات کاتالیست ریزتر باشند سطوح انجام واکنش افزایش مییابد.
(الف) (ب) (پ)

شکل STYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 1: نمایش گرافیکی سطحی که در آن واکنش رخ می‌دهد[REF _Ref332025524 h8].برای به حداقل رساندن افت پتانسیل که ناشی از کاهش نرخ انتقال پروتون و نفوذ گازهای واکنش‌دهنده به عمق لایه‌ی کاتالیست می‌باشد، این ناحیه بایستی به اندازه‌ی کافی نازک باشد. همزمان بایستی مساحت سطح موثر پلاتین نیز ماکزیمم باشد و برای این منظور ذرات پلاتین نیز بایستی تا حدامکان کوچک باشد. بهخاطر دلیل اول بایستی ذرات پلاتین– کربن(Pt/C) هرچه زیادتر باشد (از لحاظ وزنی این کسر بالاتر از 40٪ باشد)، از طرفی ذرات پلاتین باید کوچک‌تر باشند، تا سطح موثر واکنش، با وجود درصد بارگذاری کمتر، افزایش یابد ( REF _Ref331265979 h * MERGEFORMAT جدول ‏21).
باربیر [REF _Ref332025524 h * MERGEFORMAT8] گزارش کرده است که عملکرد پیل وقتی که درصد ذرات پلاتین –کربن(Pt/C) بین 10٪ تا 40٪ با بارگذاری mg/cm20.4 می‌باشد، تغییری نمی‌کند. اما عملکرد پیل وقتی که درصد ذرات پلاتین – کربن(Pt/C) از 40٪ بیشتر می‌شود، کاهش می‌یابد. این مسئله بیانگر این واقعیت است که هنگامی که درصد ذرات پلاتین–کربن(Pt/C) در گستره‌ی 10 تا 40٪ باشدتغییر قابل چشم‌پوشی برای مساحت سطح موثر کاتالیست و در گستره بالاتر از 40٪کاهش قابل ملاحظه‌ای در سطح موثر لایه‌ی کاتالیست اتفاق میافتد.
REF _Ref331265979 h * MERGEFORMAT جدول ‏21[REF _Ref332025524 h * MERGEFORMAT8] مساحت موثر کاتالیست را برای درصدهای مختلف پلاتین – کربن (Pt/C) نشان می‌دهد.
در عمل بارگذاری بیشتر پلاتین، پتانسیل بیشتر و عملکرد بهتر را برای پیل به ارمغان می‌آورد (با فرض قابل استفاده بودن و ضخامت معقول برای لایه‌ی کاتالیست). نکته‌ی کلیدی برای بهبود عملکرد پیل‌های سوختی افزایش بارگذاری پلاتین نیست بلکه افزایش استفاده از کاتالیست (افزایش سطح موثر) است.
جدول STYLEREF 1 s‏2SEQ جدول_ * ARABIC s 1 1: مساحت موثر کاتالیست برای درصدهای مختلف پلاتین – کربن.Active Area, m2/gPt XRD Pt Crystallite Size, nm Wt. % Pt on Carbone
(Pt/C)
120 2.2 40
105 2.5 50
88 3.2 60
62 4.5 70
20-25 5.5-6 Pt Black
شرح پدیده‌هایی که در لایه کاتالیست رخ می‌دهدهمان‌طور که در بخش REF _Ref330375638 n h * MERGEFORMAT ‏1-8-1-اشاره شد، لایه کاتالیست را عموماً به سه روش زیر مدل‌سازیمی‌کنند:
مدل لایه نازک
مدل همگن
مدل توده ای
اختلاف اصلی بین این سه روش را می‌توان در مکانیزم انتقال اکسیژن جستجو کرد در حالی که مدل‌های نام برده در نحوه انتقال الکترون و پروتون به یکدیگر شباهت زیادی دارند.
از آنجایی که در دهه اخیر از مدل سوم یعنی توده‌ای بیشتر از دو مدل دیگر استفاده شده است، لذا فقط به معرفی ابتدایی دو مدل اوّل بسنده کرده‌ایم، و برای مدل‌سازی لایه کاتالیست از مدل توده‌ای که جامع‌تر از دو مدل قبلی است و نواقص آن دو مدل را پوشش می‌دهد استفاده شده است.
مدل لایه نازکدر مدل لایه نازک[REF _Ref332026335 h * MERGEFORMAT27] فرض بر این است که در لایه کاتالیست، ذرات پلاتین روی سطح کربن قرار داده شده و همان‌گونه که در REF _Ref331173016 h * MERGEFORMAT شکل ‏22نشان داده شده است این ذرات بوسیله الکترولیتی احاطه می‌شوند که با حفره گاز در تماس است. در اینمدل تقارن محوری وجود دارد که در REF _Ref331173016 h * MERGEFORMAT شکل ‏22با خط چین نشان داده شده است، بنابراین در فاصله‌یحفره‌ی گاز و الکترولیت، هیچ شاری از صفحات متقارن عبور نمی‌کند (شرط تقارن). در این مدل ضخامت الکترولیت و فاصله بین ذره‌ای، ثابت در نظر گرفته می‌شود، همچنین تخلخل لایه کاتالیست در این مدل صفر است. فرآیندهای انتشار، همدما بوده و سیستم نیز در شرایط حالت پایا فرض می‌شوند.
مدل لایه نازک معمولاً هنگامی استفاده می‌شود که هدف ما مطالعه اثرات ترکیب لایه کاتالیست نباشد [REF _Ref332025607 h * MERGEFORMAT11]. در این مدل لایه کاتالیست به صورت لایه بسیار نازکی فرض می‌شود و با فرض اینکه همه خواص در این لایه یکنواخت باشند، ترکیب و ساختار آن در نظر گرفته نمی‌شود. سپس این لایه به صورت فاصله‌ای مابین غشاء و لایه نفوذ گاز ملاحظه می‌شود.

شکل STYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 2: شماتیک مدل لایه نازک با تقارن محوری نشان داده شده بوسیله خط چین [REF _Ref332026373 h * MERGEFORMAT28].به منظور مدل کردن اثر لایه کاتالیست بر کارایی پیل در این مدل، تنها یک معادله مورد استفاده قرار می‌گیرد (معادله تافل) که در هنگام مدل سازی به صورت یک شرط مرزی بین لایه نفوذ گاز و غشاء مطرح می‌شود. همان‌گونه که اشاره شد، به نظر می‌رسد که این مدل زمانی کافی باشد که اثرات دیگر، نسبت به اثرات لایه کاتالیست دارای اهمیت بیشتری باشند.
مدل همگنمدل همگن را می‌توان شکل اصلاح شده مدل لایه نازک نامید. در این مدل، لایه کاتالیست به صورت یک ساختار متخلخل متشکل از: یک ماده هادی جامد (معمولاً کربن)، کاتالیست (معمولاً پلاتین) و یک الکترولیت (معمولاً نفیون) ساخته می‌شود، REF _Ref331173107 h * MERGEFORMAT شکل ‏23.

شکل STYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 3: تصویر شماتیک لایه کاتالیست سمت کاتد بر اساس مدل همگن[REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14].مدل همگن فرض می‌کند که فضای حفره، ماده هادی جامد و الکترولیت بهطور یکنواخت در لایه کاتالیست توزیع شده‌اند، این واقعیت در REF _Ref331173169 h * MERGEFORMAT شکل ‏24به خوبی به تصویر کشیده شده است.
واکنش روی سطح ذرات کاتالیست نهاده شده روی ماده هادی جامد اتفاق می‌افتد. بنابراین پروتون‌ها، الکترون‌ها و اکسیژن باید از میان لایه کاتالیست عبور کنند تا به محل انجام واکنش برسند. در لایه کاتالیست کاتد، الکترون‌ها از طریق ماده هادی جامد، پروتون‌ها از طریق الکترولیت و اکسیژن از طریق فضای حفره انتقال داده می‌شوند. مسیر انتقال اکسیژن به دو صورت فرض می‌شود. برخی از محققین فرض می‌کنند که اکسیژن از طریق آب مایعی که فضاهای حفره را پر می‌کند انتقال داده می‌شود [REF _Ref332025887 h * MERGEFORMAT15]. برخی دیگر از محققین فرض می‌کنند که اکسیژن از طریق انتشار در فاز گاز در میان حفره‌های گازی انتقال داده می‌شود [REF _Ref332026434 h * MERGEFORMAT29-REF _Ref332026924 h * MERGEFORMAT33]. هر دو فرض مدلی را نتیجه می‌دهند که برخی از اثرات بسیار مهم که در لایه کاتالیست اتفاق می‌افتد را شرح می‌دهند. هر دو فرض، همچنین ترکیب لایه کاتالیست را از طریق ربط دادن خواص لایه کاتالیست به نسبت حجمی هر فاز نشان می‌دهند.

شکلSTYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 4: نمایی از لایه کاتالیست همگن و تودهای و اجزاء تشکیل دهنده آنها.مدل توده‌ایدر سال 1980 ایزکوفسکی و کاتلیپ جزء اولین کسانی بودند که مدل توده‌ای را برای شبیه‌سازی لایه کاتالیست به کار بردند. آن‌ها از توده‌های استوانه‌ای برای شبیه‌سازی خود استفاده کردند و نشان دادند که لایه کاتالیست از توده‌های کربن تقویت شده توسط پلاتین ساخته شده است که بوسیله لایه‌ای نازک از نفیون احاطه شده و بوسیله حفره‌ها از هم جدا می‌شوند. این توده‌ها اگلومریتنامیده می‌شوند. توده‌ها، کره‌هایی از الکترولیت معمولاً نفیون، هستند که با کربن و ذرات پلاتین پر شده‌اند و دارای شعاع حدوداً یک میکرونهستند [REF _Ref332026047 h * MERGEFORMAT20].این مدل، از جدیدترین مدل‌هایی است که برای لایه کاتالیست پیل سوختی ارائه شده است، REF _Ref331173305 h * MERGEFORMATشکل ‏25(الف) یک نمای میکروسکوپیک از لایه کاتالیست که حاوی ذرات اگلومریت (توده) است را نشان می‌دهد.REF _Ref331173305 h * MERGEFORMATشکل ‏25(الف) نشان می‌دهد که ذرات تودهای از یک طرف با فیبرهای (رشته‌های) کربن موجود در لایه نفوذ گاز که در مرز مشترک لایه کاتالیست با لایه نفوذ گاز قرار دارد در تماس بوده، و از طرف دیگر نیز در تماس با آیونومر الکترولیت موجود در مرز مشترک لایه کاتالیست با غشاءمی‌باشند. در این بین، ذرات تودهای به صورت نامنظم در آیونومر موجود در لایه کاتالیست مستغرق می‌باشند. همان‌طور که در REF _Ref331173305 h * MERGEFORMATشکل ‏25(الف) دیده می‌شود یک سری فضای خالی ما بین این ذرات وجود دارد، معمولاً فرض می‌شود که این فضاهای خالی با آب مایع بوجود آمده ناشی از انجام واکنش کاملاً پر می‌شود. این فرض مخصوصاً در مورد پیل‌های دما پایین که در آن‌ها تمامی آب تولیدی به صورت آب مایع می‌باشدصحیح بهنظرمی‌رسد. به این حالت، حالت غرقابی کاملمی‌گویند. REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25 (ب) نمای بزرگ شده یکی از هزاران توده‌یموجود در لایه کاتالیست را نشان می‌دهد. این ذرات با یک فیلم بسیار نازک از آیونومر احاطه شده‌اند. همان‌طور که در REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(ب) دیده می‌شود ذرات پلاتین که بروی ذرات کربن بار گذاری شده‌اند و بوسیله آن‌ها تقویت شده‌اند به صورت کاتوره‌ایدرون آیونومر موجود در توده پخش شده‌اند.
به صورت کلی نفوذ اکسیژن از مرز مشترک لایه نفوذ گاز با لایه کاتالیست تا درون هر توده‌ی موجود در لایه کاتالیست را می‌توان به ترتیبدر فرآیندهای زیر خلاصه نمود:
نفوذ اکسیژن به درون لایه کاتالیست با حل شدن در آب مایع موجود در مرز مشترک لایه کاتالیست با لایه نفوذ گاز،
حل شدن اکسیژن در فاز آیونومر و همچنین فضاهای خالی پر شده از آب مایع، به منظور رسیدن به سطح توده‌ها،
نفوذ اکسیژن به درون فیلم آیونومر اطراف هر اگلومریت،
حل شدن اکسیژن درون توده و واکنش کاهش اکسیژن درون سایت‌های انجام واکنش (پلاتین‌ها).
REF _Ref331173381 h * MERGEFORMAT شکل ‏26تصویر میکروالکترونی (SEM)از توده‌ها را نشان می‌دهد. در شکل ناحیه خاکستری روشن آیونومر است. انتقال گاز در کاتالیست توسط حفره‌های ماکرو در ابعاد m10-1آسان‌تر می‌شود. قطر ذراتکاتالیست پلاتین حدود3 nm است.همان‌طور که در REF _Ref331173381 h * MERGEFORMAT شکل ‏26مشاهدهمی‌شود مدل تودهای به تصاویر میکروالکترونیلایه کاتالیست بسیار شبیه تر ازمدل همگن است.
با توجه به مطالب گفته شده می‌توان گفت که روش همگن نسبت به روش توده‌ای از دقت کمتری برخوردار است. مطالعات بسیاری نشان داده‌اند که مدل انباشته پیشگویی‌های بهتری نسبت به نتایج آزمایشگاهی در اختیار قرار می‌دهد [REF _Ref332026000 h * MERGEFORMAT19]. مدل‌های انباشته نیازمند پارامترهایی هستند که به صورت تجربی تعیین شده‌اند و این امر می‌تواند دلیلی برای نزدیک‌تر بودن نتایج مدل نسبت به نتایج آزمایشگاهی باشد.
(الف)
(ب)
شکلSTYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 5: (الف) نمای لایه کاتالیست به روش توده‌ای که بین لایه نفوذ گاز و غشاء فشرده شده است (ب) نمای بزرگ شده از یک عدد توده موجود در لایه کاتالیست.
شکلSTYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 6: تصویر SEM لایه کاتالیست [REF _Ref332026000 h19].استخراج روابط حاکم بر مدل تودهایشبیهسازی انجام شده بر اساس مدل توده‌ای بوده و بر فرضیات زیر استوار می‌باشد:
الف) پیل سوختی غشاء پلیمری در حالت پایا کار می‌کند.
ب) تمامی واکنش‌ها در دما و فشار ثابت انجام می‌شوند.
پ) گازها ایده آل فرض می‌شوند.
ت) کاتد و آند پیل سوختی به ترتیببا اکسیژن و هیدروژن خالص تغذیه می‌شوند.
ث)حفرههای موجود در مرز مشترک لایه کاتالیست با لایه نفوذ گاز و همچنین فضای خالی بین ذرات توده‌ای پر از آب مایع در نظر گرفته شده است (شرایط کاملاً غرقابی).


ج) ذرات توده‌ای به صورت کروی و با شعاع یکسان در نظر گرفته می‌شوند.
چ) تمامی واکنش‌هایی که در لایه کاتالیست رخ می‌دهند مرتبه اوّل می‌باشند، این بدین معنی است که نرخ مصرف اکسیژن در لایه کاتالیست کاتد با غلظت آن متناسب است.
دراین بخش معادلات دیفرانسیل معمولی حاکم بر لایه کاتالیست کاتد شرح داده می‌شود:
نرخ واکنش الکتروشیمیایی در مدل توده‌ایاستخراج معادله نرخ واکنش الکتروشیمیایی مستلزم شبیه‌سازی کامل فرآیندها نفوذ اکسیژن در لایه کاتالیست می‌باشد (فرآیندهای بخش REF _Ref331683273 r h * MERGEFORMAT ‏2-2-3-). بنابراین این بخش به چهار زیر بخش تقسیم شده است و در هر زیر بخش قسمتی از نفوذ اکسیژن مدلسازی شده است.
واکنش کاهش اکسیژن درون تودهدر ابتدا مکانیزم نفوذ اکسیژن درون هر توده، یعنی فرآیند 4 بخش REF _Ref331683273 r h * MERGEFORMAT ‏2-2-3- مدل می‌شود.
قانون بقای مولی برای اکسیژن درون یک توده در حالت پایا به صورت زیر بیان می‌گردد:
(2- SEQ 2- * ARABIC1)که در آن(ترم چشمه) بیان کننده نرخ اکسیژن مصرفی ناشی از واکنش الکتروشیمیایی درون توده است. انتقال جرم اکسیژن درون تودهبا استفاده از قانون فیک به صورت زیر مدل می‌شود:
(2- SEQ 2- * ARABIC2)که در آن ضریب نفوذ مؤثر اکسیژن درون یک توده است. از آنجا که اکسیژن برای نفوذ در هر توده باید در آیونومر موجود در آن توده حل شود لذا این ضریب نفوذ مؤثر را می‌توان با استفاده از تصحیح برگمان در محیط متخلخل به صورت زیر گزارش کرد:
(2- SEQ 2- * ARABIC3)
که در آن Li,agg کسر حجمی فاز غشاء موجود در هر توده می‌باشد. نیز ضریب نفوذ اکسیژن درون آیونومر است که خواجه حسینی و همکارانش [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14] از داده های تجربی فرمول زیر را با برازش منحنی پیشنهاد می‌کنند:
(2- SEQ 2- * ARABIC4)
اکنون با توجه به فرض آخر در بخش REF _Ref331435271 r h‏2-3-(فرض (چ))، نرخ حجمی مصرف اکسیژن به صورت زیر بیان می‌شود:
(2- SEQ 2- * ARABIC5)که در آن kCثابت نیمواکنش سمت کاتد می‌باشد. و علامت منفی در معادله REF _Ref330398231 h * MERGEFORMAT (2- 5) بیانگر مصرف اکسیژن می‌باشد.
با جایگذاری معادلات REF _Ref330398315 h * MERGEFORMAT (2- 2) و REF _Ref330398231 h * MERGEFORMAT (2- 5) در معادله REF _Ref330398327 h * MERGEFORMAT (2- 1)می‌توان نوشت:
(2- SEQ 2- * ARABIC6)اکنون اگر معادله REF _Ref330580384 h * MERGEFORMAT (2- 6) برای یک ذره توده‌ای کروی شکل در دستگاه مختصات کروی بسط داده شود، میتوان نوشت:
(2- SEQ 2- * ARABIC7)معادله REF _Ref330398567 h * MERGEFORMAT (2- 7) یک معادله دیفرانسیل معمولی مرتبه دوم می‌باشد، بنابراین دو شرط مرزی برای حل آن نیاز است این دو شرط در ادامه توضیح داده شده‌اند(برای جزئیات بیشتر به REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(ب) رجوع شود):
شرط مرزی در سطح داخلی توده،r = ragg: غلظت اکسیژن در سطح داخلی توده برابر با در نظر گرفته شده است( REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(ب)):
(2- SEQ 2- * ARABIC8)شرط مرزی در مرکز توده،r =: در مرکز توده شرط تقارن وجود دارد:
(2- SEQ 2- * ARABIC9)اگر معادله دیفرانسیل REF _Ref330398567 h * MERGEFORMAT (2- 7) با شرایط مرزی معادلات REF _Ref330399466 h * MERGEFORMAT (2- 8) و REF _Ref330399471 h * MERGEFORMAT (2- 9) حل شود آنگاه جواب زیر حاصل می‌گردد:
where and (2- SEQ 2- * ARABIC10)گروه بی بعد  که در معادله REF _Ref330399611 h * MERGEFORMAT (2- 10) ظاهر شده است را عدد تایلی یا مدول تایلی می‌نامند که برابر است با [REF _Ref332026047 h * MERGEFORMAT20]:
(2- SEQ 2- * ARABIC11) REF _Ref331173594 h * MERGEFORMAT شکل ‏27نحوه تغییرات شعاعی غلظت بی بعد اکسیژن را درون یک توده به ازای مقادیر مختلف عدد تایلی نشان می‌دهد.
بر اساس معادله REF _Ref330399927 h * MERGEFORMAT (2- 11) حالت  حداقل با یکی از دو شرایط زیر متناظر است:
الف)ragg: ذرات تودهای بسیار ریز باشند،
ب)kC : ترم چشمه، به سمت صفر میل کند.
حالت (الف) متناظر است با حالتی که ذرات تودهای بسیار ریز باشند، در این حالت مدل توده‌ای به مدل همگن ساده می‌شود، به زبان دیگر این حالت بسیار به مدل همگن و مفروضات همگن پخش شدن اجزاءدر لایه کاتالیست نزدیک است. از طرف دیگر حالت (ب) متناظر با حالتی است که مصرف اکسیژن درون لایه کاتالیست به صفر رسیده است. در هر صورت همان‌طور که در REF _Ref331173594 h * MERGEFORMAT شکل ‏27 مشاهده می‌شود حالت حدی  ناشی از هر دو حالت (الف) یا (ب) که باشد، منجربه توزیع تقریباً یکنواخت غلظت اکسیژن درون کل توده است.

شکل STYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 7: تغییرات شعاعی غلظت بی بعد اکسیژن درون یک توده برای مدول تایلی مختلف.از طرف دیگر حالت حدی (مثل = 10در REF _Ref331173594 h * MERGEFORMAT شکل ‏27) متناظر با مصرف بسیار زیاد اکسیژن درون لایه کاتالیست است، به نحوی که نرخ نفوذ اکسیژن درون توده بسیار کمتر از نرخ مصرف اکسیژن است. این امر سبب می‌شود که اکسیژن توانایی نفوذ به اعماق توده را نداشته باشد و پس از کمی نفوذ درون توده به سرعت مصرف گردد در این حالت غلظت اکسیژن در r* = 1 به سرعت افت می‌کند که در REF _Ref331173594 h * MERGEFORMAT شکل ‏27مشخص است.
نرخ حجمی واکنش کاهش اکسیژن[mol m-3 s-1]، که همان میانگین نرخ حجمی مصرف اکسیژن درون توده می‌باشد با انتگرال گیری بر روی حجم کل توده به صورت زیر قابل محاسبه است:
(2- SEQ 2- * ARABIC12)در معادله REF _Ref330580866 h * MERGEFORMAT (2- 12)، Vagg حجم یک توده می‌باشد، که برابر است با:
(2- SEQ 2- * ARABIC13)
اکنون معادله REF _Ref330399611 h * MERGEFORMAT (2- 10) در معادله REF _Ref330398231 h * MERGEFORMAT (2- 5) جایگذاری شده، و سپس حاصل آن در معادله REF _Ref330580866 h * MERGEFORMAT (2- 12) جایگذاری می‌شود و انتگرال روی حجم توده محاسبه می‌شود، نرخ میانگین حجمی مصرف اکسیژن به صورت بی‌بعد و بر حسب عدد تایلی بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC14)در فرمول REF _Ref330581539 h * MERGEFORMAT (2- 14)، مقدار نرمال شده (بی‌بعد) نرخ مصرف حجمی اکسیژن می‌باشد که برابر است با:
(2- SEQ 2- * ARABIC15)
طبق فرض (چ) در بخش REF _Ref331435271 r h‏2-3-، نرخ حجمی مصرف اکسیژن با غلظت آن متناسب است، بنابراین ماکزیمم نرخ حجمی مصرف اکسیژن درون توده که در r = ragg رخ می‌دهد برابر است با ( REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(ب)):
(2- SEQ 2- * ARABIC16)ضریب موثرEr، که نسبت میانگین نرخ حجمی مصرفی اکسیژن به ماکزیمم نرخ مصرف اکسیژن می‌باشد، به صورت زیر تعریف می‌شود:
(2- SEQ 2- * ARABIC17) در حالت حدی، معادله REF _Ref330583898 h * MERGEFORMAT (2- 17) مقدارErرا برابر با 1 پیش‌بینیمی‌کند. از این نکته در بخش بعد برای تطبیق دادن مدل همگن و توده‌ای در شرایط حدی فوق استفاده می‌شود. اکنون معادلات REF _Ref330584219 h * MERGEFORMAT (2- 16) و REF _Ref330583898 h * MERGEFORMAT (2- 17) برای بدست آوردن با هم ادغام می‌شود:
(2- SEQ 2- * ARABIC18)نفوذ اکسیژن درون فیلم آیونومر اطراف تودهاکسیژن از طریق نفوذ در لایه نازک اطراف توده به درون آن نفوذ می‌کند.وبهترتیب غلظت اکسیژن در سطحبیرونی و داخلی فیلم آیونومر میباشد، این موضوع در REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(ب) نشان داده شده است. اکنون شار مولی نفوذی اکسیژن به درون فیلم آیونومر اطراف هر توده را می‌توان با استفاده از مقاومت پخشی اکسیژن در مختصات کروی به صورت زیر بدست آورد:
(2- SEQ 2- * ARABIC19)agg، ضخامت مفروض لایه آیونومر اطراف توده است.
اگر aagg، سطح مؤثر (مساحت سطح مفید جهت نفوذ اکسیژن به درون تودهها نسبت به حجم لایه کاتالیست m/m) کل توده‌های موجود درون لایه کاتالیست باشد، اکنون نرخ کل اکسیژن مصرفی درون لایه کاتالیست برابر است با:
(2- SEQ 2- * ARABIC20)از سوی دیگر غلظت اکسیژن بر روی سطح بیرونی لایه آیونومر، ، با استفاده از قانون هانری قابل محاسبه است (قانون هانری در پیوست 2 توضیح داده شده است)، بطوریکه:
(2- SEQ 2- * ARABIC21)، ثابت هانری مربوط به انحلال اکسیژن درون آیونومر است. سان و همکارانش [REF _Ref332026047 h * MERGEFORMAT20]مقدار آن را 0.3125 [atm m3 mol-1] گزارش کرده‌اند.
اکنون مقدار غلظت اکسیژن در سطح داخلی فیلم آیونومر، ، با ادغام معادلات REF _Ref330627395 h * MERGEFORMAT (2- 18)، REF _Ref330627402 h * MERGEFORMAT (2- 19)، REF _Ref330627421 h * MERGEFORMAT (2- 21)و REF _Ref330627456 h * MERGEFORMAT (2- 20) بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC22)نرخ واکنش الکتروشیمیایینرخ واکنش الکتروشیمیایی از ادغام قانون فارادی و معادله REF _Ref330398327 h * MERGEFORMAT (2- 1) به صورت زیر قابل محاسبه است(شرحی بر قانون فارادی در پیوست 1 آمده است):
(2- SEQ 2- * ARABIC23)CL تخلخل لایه کاتالیست است.
نهایتاً نرخ واکنش الکتروشیمیایی در مدل توده‌ای با جایگزین کردن معادله REF _Ref330628360 h * MERGEFORMAT (2- 22) در معادله REF _Ref330627395 h * MERGEFORMAT (2- 18) و جایگذاری معادله حاصله درون رابطه REF _Ref330628414 h * MERGEFORMAT (2- 23) بدست می‌آید:
مدل توده ای:(2- SEQ 2- * ARABIC24)معادله REF _Ref330628605 h * MERGEFORMAT (2- 24) از دو بخش تشکیل شده است:
and (2- SEQ 2- * ARABIC25)بعداً اثبات می‌شود که Term I در معادله REF _Ref330628753 h * MERGEFORMAT (2- 25) تنها بخشی از مدل توده‌ای است که در مدل همگن نیز وجود دارد، Term II یک بخش اضافی است که در مدل توده‌ای ظاهر شده است و مدل همگن فاقد آن است.Term II، ترمی است که شامل پارامترهای ساختاری و هندسی ذرات توده‌ای بوده و به صورت مستقیم به شرایط عملکردی و چگالی جریان پیل وابسته نیست، از طرف دیگر Term I ترمی است که کاملاً وابسته به شرایط عملکردی و چگالی جریان پیل می‌باشد. در بخش نتایج این دو ترم از نظر مرتبه بزرگی با یکدیگر مقایسه شده‌اند. به نظر می‌رسد که دلیل ایجاد افت غلظت در چگالی جریان بالا در منحنی قطبیت پیل در مدل توده‌ای، همین اختلاف بین دو مدل همگن و توده ای یعنی، Term IIباشد. در نبود این ترم، مدل توده‌ای به مدل همگن کاهش می‌یابد، که در این حالت مدل همگن قادر به پیش بینی افت غلظت در چگالی جریان‌های بالا نیست و این یکی از اصلی‌ترین معایب مدل همگن بشمار می‌رود.
در معادله REF _Ref330628605 h * MERGEFORMAT (2- 24) تنها ترم مجهول kCمی‌باشد. این پارامتر با استفاده از بررسی یک حالت حدی که در آن مدل توده‌ای به مدل همگن کاهش می‌یابد بدست می‌آید. مدل همگن تحت شرایط زیر از مدل توده‌ای قابل بازیافت است:
Er 1  Term II  (ragg, agg)مدل همگن:
(2- SEQ 2- * ARABIC26)از طرف دیگر نرخ واکنش الکتروشیمیایی در مدل همگن با استفاده از رابطه باتلر- ولمر به صورت زیر بدست می‌آید [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14]:
مدل همگن:
(2- SEQ 2- * ARABIC27)نهایتاً kC از تساوی دو رابطه REF _Ref330630372 h * MERGEFORMAT (2- 26) و REF _Ref330630376 h * MERGEFORMAT (2- 27) بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC28)
aeff سطح موثر پلاتین بر واحد حجم لایه کاتالیست است ([m2 m-3]). aوcبه ترتیب ضرایب انتقال بار سمت آند و کاتد میباشد.چگالی جریان مرجع می‌باشد که پرتاساراتی و همکارانش [REF _Ref332026674 h * MERGEFORMAT34] فرمول زیر را از برازش داده های تجربی پیشنهاد داده‌اند:
(2- SEQ 2- * ARABIC29)
غلظت مرجع اکسیژن می‌باشد که خواجه حسینی و همکارانش [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14] مقدار آن را 1.2mol m-3گزارش کرده‌اند.
انتقال جرم اکسیژنخواجه حسینی و همکارانش [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14] توزیع غلظت اکسیژن را بر حسب چگالی جریان محلی پیل (i) به صورت زیر بدست آورده‌اند:
(2- SEQ 2- * ARABIC30)که در آن Itotوبه ترتیب چگالی جریان پیل سوختی و ضریب نفوذ مؤثر کلی اکسیژن در کل لایه کاتالیست می‌باشد.
همان‌طور که قبلاً اشاره شد فرض بر این است که فضای خالی بین توده‌ها از آب مایع پر شده است، بنابراین همان‌طور که در REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(الف) دیده می‌شود دو مسیر موازی برای رسیدن اکسیژن به محل‌های انجام واکنش وجود دارد:
مسیر اول:انتقال اکسیژن به وسیله حل شدن در فاز آیونومر موجود در لایه کاتالیست.
مسیردوم: انتقال اکسیژن از طریق حل شدن در آب مایع موجود در فضای خالی بین ذرات توده‌ای.
اکنون برای محاسبه ، هر یک از دو مسیر بالا با یک مقاومت نفوذ بر اساس کسر حجمی متناظر با هر بخشی که اکسیژن به درون آن نفوذ کرده مدلسازی میشود.بر این اساس با در نظر گرفتن یک حجم کنترل به صورت کروی به شعاع r حول یک توده به شعاع raggمی‌توانمقاومت نفوذ به درون تودهاز طریق هر یک از مسیرها را به صورت زیر محاسبه کرد:
(2- SEQ 2- * ARABIC31)مقاومت نفوذ مسیر اول:
مقاومت نفوذ مسیر دوم:
در اینجا NوWبه ترتیب نشان دهنده زاویه‌ای از فاز آیونومر و بخش حفره در حجم کنترل انتخاب شده می‌باشد، که با توجه به کسر حجمی فازهای غشاء (Li)، فاز جامد (LS) و فضای خالی (CL) برابرند با:
(2- SEQ 2- * ARABIC32)ونیز به ترتیب ضریب انتشار مؤثر اکسیژن در آیونومر و آب مایع می‌باشد که با استفاده از تصحیح برگمان به صورت زیر به دست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC33)
(2- SEQ 2- * ARABIC34)
ضریب نفوذ اکسیژن در آب مایع می‌باشد که با استفاده از رابطه وایلک- چنگ بدست می‌آید [REF _Ref332027179 h * MERGEFORMAT35]:
(2- SEQ 2- * ARABIC35)
که در آن، وزن مولکولی آب بوده و برابر باg/mol 18 است.، حجم مولار اکسیژن در نقطه جوش نرمال است که برابر باcm3/mol 25.6است. پارامتر وابستگی است که برای آب مقدار آن 2.26می‌باشد.ویسکوزیته آب بر حسب سانتی پوآز [cP]می‌باشد، وایت[REF _Ref332027206 h * MERGEFORMAT36] مقدار آن را برای آب مایع به صورت زیر پیشنهاد کرده است:
(2- SEQ 2- * ARABIC36)
اکنون مقاومت معادل دو مقاومت موازی مسیرهای اول و دوم به صورت زیر قابل محاسبه می‌باشد:
(2- SEQ 2- * ARABIC37)
با جانشین کردن معادله REF _Ref330634607 h * MERGEFORMAT (2- 32) درمعادله REF _Ref330634616 h * MERGEFORMAT (2- 31) و استفاده از معادلههای حاصله در رابطه REF _Ref330634659 h * MERGEFORMAT (2- 37)مقدار بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC38)
محاسبه افت فعال‌سازیمقاومت در برابر عبور جریان پروتونی و الکترونی در فازهای غشاء و جامد موجود در لایه کاتالیست مربوط به افت فعال‌سازیمی‌باشد و با استفاده از قانون اهم بدست می‌آید. مار و لی [REF _Ref332025950 h * MERGEFORMAT18] رابطه زیر را بدست آورده‌اند:
(2- SEQ 2- * ARABIC39)که در آن، keffوeffبه ترتیب قابلیت هدایت مؤثر پروتونی و الکترونی فازهای غشاء و جامد در لایه کاتالیست می‌باشد، با استفاده از تصحیح برگمان و کسر حجمی متناظر با هر فاز میتوان نوشت:
(2- SEQ 2- * ARABIC40)
مقادیر kو در REF _Ref331243557 h * MERGEFORMAT جدول ‏22 آمده است.
شرایط مرزیمعادلات حاکم بر انتقال اجزاء یک دستگاه معادلات دیفرانسیل معمولی بوده که شامل معادلات REF _Ref330628605 h * MERGEFORMAT (2- 24)، REF _Ref330636162 h * MERGEFORMAT (2- 30) و REF _Ref330636169 h * MERGEFORMAT (2- 39)می‌باشد. این دستگاه معادلات مرتبه اول غیر خطی و کوپل است. برای حل این دستگاه سه شرط مرزی مستقل لازم است که در ادامه توضیح داده می‌شود:
شرایط مرزی در سطح مشترک لایه نفوذ گاز با لایه کاتالیست (z=0):حفره‌های موجود در سطح مشترک لایه نفوذ گاز با لایه کاتالیست پر از آب فرض شده‌اند(فرض (ث) در بخش REF _Ref331435271 r h ‏2-3-). بنابراین اکسیژن برای نفوذ به درون لایه کاتالیست باید در آب حل شود. از این‌رو غلظت اکسیژن در این مرز با استفاده از قانون هانری بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC41)که در آن ، ثابت هانری برای انحلال اکسیژن در آب می‌باشد. برناردی و همکارانش [REF _Ref332025833 h * MERGEFORMAT13] این پارامتر را به صورت تابعی از دمای پیل بر حسب atm m3 mol-1 گزارش کرده‌اند، بطوریکه:
(2- SEQ 2- * ARABIC42)
فرض بر این است که تمامی پروتون‌هایی که از لایه کاتالیست آند به سمت کاتد از درون غشاء مهاجرت می‌کنندقبل از رسیدن به مرز مشترک لایه کاتالیست با لایه نفوذ گاز کاملاً مصرف می‌شوند، بنابراین در این مرز میزان چگالی جریان پروتونی محلی صفر خواهد بود.
(2- SEQ 2- * ARABIC43)این دومین شرط در این مرز می‌باشد.
شرط مرزی در سطح مشترک غشاء با لایه کاتالیست (z=LCL):چگالی جریان محلی در این مرز به بیشینه مقدار خود، یعنی چگالی جریان کلی پیل،Itot، می‌رسد:
(2- SEQ 2- * ARABIC44)جایگذاری معادله REF _Ref330637704 h * MERGEFORMAT (2- 44)در معادله REF _Ref330636162 h * MERGEFORMAT (2- 30) نتیجه می‌دهد که شار غلظت اکسیژن در این مرز برابر با صفر است، این یعنی اینکه اکسیژن موجود در لایه کاتالیست نمی‌تواند از طریق این مرز به داخل غشاء عبور کند (شار نفوذ اکسیژن در این مرز صفر است).
تمامی شروط مرزی را که در بخش‌های REF _Ref331452886 r h * MERGEFORMAT ‏2-7-1- و REF _Ref331452893 r h * MERGEFORMAT ‏2-7-2- توضیح داده شده است، به صورت شماتیکی در REF _Ref331453206 h * MERGEFORMAT شکل ‏28 نشان داده شده است.

شکلSTYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 8: شماتیک شروط مرزی در دو طرف لایه کاتالیست.شرحی بر پارامترهای استفاده شده در مدل‌سازیمقدار برخی از پارامترهای ساختاری و عملکردی برای حالت پایه در REF _Ref331243557 h * MERGEFORMAT جدول ‏22 گزارش شده است. باقیمانده پارامترها در ادامه توضیح داده می‌شوند.
مساحت سطح مؤثر پلاتیندر لایه‌های کاتالیست مدرن مساحت سطوح انجام واکنش بسیار بیشتر از مساحت اسمی لایه کاتالیست می‌باشد. این به دلیل زبری لایه کاتالیست است که مساحت واقعی واکنش را تا چندین هزار برابر افزایش می‌دهد[REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]. مساحت سطح مؤثر پلاتین،aeff، در حقیقت نسبت مساحت سطح واقعی انجام واکنش به حجم لایه کاتالیست است، بطوریکه:
(2- SEQ 2- * ARABIC45)در معادله REF _Ref330642170 h * MERGEFORMAT (2- 45)، l، نسبت سطح مؤثر پلاتین می‌باشد. As مساحت سطح واقعی واکنش بر واحد جرم پلاتین است. ایتک[REF _Ref332027291 h * MERGEFORMAT37] مقدار آن را به صورت تجربی بر حسب کسر جرمی پلاتین به فرم زیر بیان می‌کند:
(2- SEQ 2- * ARABIC46)
f نسبت بارگذاری جرمی پلاتین به بارگذاری جرمی کل فاز جامد (پلاتین + کربن) می‌باشد، یعنی:
(2- SEQ 2- * ARABIC47)
mPtوmCبه ترتیب بارگذاری جرمی پلاتین و کربن است که مقدار آن‌ها برای حالت پایه در REF _Ref331243557 h * MERGEFORMAT جدول ‏22 گزارش شده است.
تخلخل لایه کاتالیستمساحت سطح مؤثر توده‌ها برابر با سطح تمامی توده‌ها (سطح در دسترس برای نفوذ اکسیژن به درون توده‌ها) بر واحد حجم لایه کاتالیست است، و به صورت زیر بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC48)در رابطه REF _Ref330643201 h * MERGEFORMAT (2- 48)،CLبه منظور محاسبه سطح در دسترس برای نفوذ اکسیژن به درون توده‌ها بکار برده شده است. پارامتر n درمعادله REF _Ref330643201 h * MERGEFORMAT (2- 48)، تعداد توده‌ها بر واحد حجم لایه کاتالیست می‌باشد و به صورت زیر تعریف می‌گردد:
(2- SEQ 2- * ARABIC49)تعداد توده‌ها (#) از تقسیم زیر بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC50)
بنابراین:
(2- SEQ 2- * ARABIC51)که در آن Ls نسبت حجم کل Pt/C های موجود در لایه کاتالیست به حجم کل لایه کاتالیست است، یعنی:
(2- SEQ 2- * ARABIC52)
و Li,agg کسر حجمی غشاء درون هر توده می‌باشد،یعنی:
(2- SEQ 2- * ARABIC53)
که مقدار آن برای حالت پایه در REF _Ref331243557 h * MERGEFORMAT جدول ‏22 آمده است.
از آنجایی که درون توده‌ها فقط ذرات Pt/Cو فاز آیونومر است لذا می‌توان نوشت که:
(2- SEQ 2- * ARABIC54)
شایان ذکر است که حجم هر یک از توده‌ها برابر است با:
(2- SEQ 2- * ARABIC55)
کسر حجمی فاز جامد در لایه کاتالیست،Ls، به بارگذاری پلاتین و کربن وابسته است، بطوریکه:
(2- SEQ 2- * ARABIC56)PtوCبه ترتیب چگالی پلاتین و کربن می‌باشد.
فاز آیونومر درون لایه کاتالیست از دو قسمت تشکیل شده است: (الف) آیونومر درون ذرات توده‌ای (ب) فیلم نازک آیونومر اطراف ذرات. بنابراین کسر حجمی فاز غشاء در کل لایه کاتالیست برابر است با:
(2- SEQ 2- * ARABIC57)
نهایتاً تخلخل لایه کاتالیست از کم کردن کسر حجمی فازهای غشاء و جامد از عدد یک بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC58)جدول STYLEREF 1 s‏2SEQ جدول_ * ARABIC s 1 2: پارامترهای عملکردی، فیزیکی و سینیتکی مدل (حالت پایه).پارامترها کمیت مقدار/مرجع
T دما، 50oC
P فشار گازهای ورودی، 5 atm
کسر مولی اکسیژن سمت کاتد، 100 %
کسر مولی هیدروژن سمت آند، 100 %
LCLضخامت لایه کاتالیست، 50 m [ REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT 14]
Rohmic مقاومت اهمیک پیل، 0.47×10-4m2[ REF _Ref332027389 h * MERGEFORMAT 38]
mPtبارگذاری جرمی پلاتین بر واحد سطح کاتد،0.0035 kg m-2[ REF _Ref332027389 h 38]
mC بارگذاری جرمی کربن بر واحد سطح کاتد، 0.045 kg m-2[ REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT 14]
Pt چگالی پلاتین،21400 kg m-3C چگالی کربن، 1800 kg m-3
غلظت مرجع اکسیژن، 1.2 mol m-3[ REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT 14]
Cضریب انتقال بار کاتدی، 1.0
a ضریب انتقال بار آندی، 0.5
k قابلیت هدایت حجمی پروتونی، 17 m-1[ REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT 14]
 قابلیت هدایت حجمی الکترونی، 72700 m-1[ REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT 14]

dad89

7-7 پیشنهادات:78
8-8نتیجه گیری کلی: 82
فصل هشتم:83
موارد پیگیری برای انجام این طرح:
فصل نهم:89
چکیده مقالات مربوت به ترموالکتریک و فناوری نانو
فصل دهم:102
منابع ومأخذ
منابع103
پیوست ها103
مشخصات پژوهش وپژوهش گر105
اطلاعات مربوط به پژوهشگر سرپرست106
تشکر و قدر دانی
از همه کسانی که مرا در این راه یاری رساندند کمال تشکر را دارم.
حرفی با خوانندگان:
و این چنین است که تعداد اندکی انسان متفکر و دانشمند ، اندیشه دور پرداز خود را با زرادخانه علم ودانش مجهز میکنند. تا از یک طرف ، بکشف بسیار بزرگ کیهانی بپردازند و در این کاوش علمی ستارگانی را کشف کند. که بیست میلیارد سال نوری با کره زمین فاصله داشته باشد .واز طرفی دیگر به دنیای بی نهایت کوچک اتم حمله می کنند تا اسرار آنرا دریابند و انرژی عظیمی را که در دل آن نهفته است مهار کنند.
و که دانشمندان از زمزه قلیل رهروانند که صخره های بلند و صحراهای هموار روح و اندیشه را در نوردیدند. در این مقدمه ،مرا با ادبیات و شعر و اندیشه های سیاسی و غیره سیاسی کاری نیست. زیرا ،این پژوهش حاوی مطالب کاملا علمی و منعکس کننده پیشرفته ترین دانش و تکنیک بشر در زمان ماست.
وبا لااخص که:
اندیشه و مسلک های موجود ، آشفته بازاری را ماند که در آن ایدئولوژی ها ( از راستترین و چپ ترین و از تندرو ترینش و تا متعادل ترین آنها) بنحوه ناجور و نا مناسب و نا هماهنگی کنار هم چیده شده اند و به فراخان رنگ ظاهرین، ونه محتوی، ارباب رجوع و مشتری می تلبید.آشفتگی به حدی است که گاهی عرضه کننده کالا دارای دو جنس متناقض با هم،و یا کسی که هیچ صلاحیتی برای عرضه چنین جنسی را ندارد و سردر گمی کامل خریدار را سبب میگردد . مشتریان هم دلال و واسته مانند که چنین کالاهای نا هماهنگی وناجور وحتی در تضاد با واقعیت را به تنها مشتری ومصرف کننده یعنی ملت میرسانند.
مروری ،حتی مختصر، بر ویترین کتاب فروشی ها و فروشندگان دوره گرد حاشیه خیابان ، نمایان گر صحت این مدعا ست . و اما از نظر علمی که مورد نظر این مقدمه است ، نظری هرچند کوتاه،بر تاریخچه زندگی علمی ملت ها و فعالیت و کوشش آنان در رشته های خاص، یعنی انرژی های مختلف و کاربرد بهتر و ساده تر و ارزان تر، است، که خواننده گرامی می توانند بکتب مربوط مراجعه و کسب علم کنند.
بلااخص که در دوره رنسانس و جهش علمی کشور های غربی و به دنبال آن انقلاب اکتبر وکوشش خستگی نا پزیر شرق در پیشرفت علم و تکنولوژی ، و می تواند راه گشا و حاوی درس حتی عبرت برای کشور هایی باشد که خواهان استقلال واقعی و عدم وابستگی به شرق و غربند.
در این مقدمه به ذکر اساسی ترین مسایل مورد نیاز در بهره گیری از این پژوهش می پرداریم.
سیری مختصر در تاریخ علوم ، نشان می دهد که انسان ها از گذشته ای دور و حتی از دوران کهن و نا شناخته غارنشینی در جستجو و کشف اسرار طبیعت و استفاده بهتر از مواهب آن بوده است.
بین راهورد های مختلفی که طبیعت به انسان عرضه کرده است ، انرژی مقام اول را دارا است و بسیاری از شاخه های علم فیزیک مانند ترمودینامیک ، و مکانیک ، ئیدرولیک،...... و قسمتی از علم شیمی اختصاص به این رشته خواص و حیاتی دارد.
پس از کشف آتش ، مواد سوختنی از قبیل چوبی و فسیلی از نوع نفت و گاز و.... تنها منبع انرزی حرارتی (بغیر از انرژی خورشیدی ) در زندگی انسان بوده است . سپس با کشف نیروی برق و تولید آن به کمک انرژی حرارتی و نیروی حاصل از آب سد ها، انسان توانست حوزه فعالیت علمی خود را گسترده ترکرده وتصویر نمونه بسیاری کوچک از بازده این انرژی معجزه گر است.
تحولی که از دوران استفاده از گرمای چوب ، تا وسایل حرارتی مدرن امروز به وقوع پیوسته است که چون اهرمی سازنده در دست انسان در کاربرد بهتر انرژی و استفاده اصولی تر از انرژی های عظیمی که در اطراف ما نهفته است.
سخن از تکامل تسلیحات جنگی ، به کمک انرژی حرارتی ، که در همه زمان مورد نیاز انسان ستیز گر بوده است ، امری زائد و خارج از بحث ماست . زیرا مسیر تحول این بخش از تکنیک واز زمانی که بشر با تیر و کمان به قتل همنوعش پرداخت، تا کنون که موشکهای چند پیکانه حامل بمب ئیدروژنه و کباتریا، در زرادخانه خود آماده پرواز دارد، امری اجتناب ناپزیر و همیشه انسانهایی آگاه با تاثر تاظر کشتار ها و قتل عامهای دیگر بوده اند .
اکنون نیز انبار تسلیحات اتمی،نه تنها حیات بشر ، بلکه کره زمین و احیانامنظومه شمسی را تهدید می کند که خود محتاج بحث جدا گانه ایست که به ناچار اندیشه و سلیقه سیاسی و غیر سیاسی ملتها در تحلیل آن دخالتی تام دارد. ومن،همانطور که در ابتدای این پروژه - ریسرچمذکور افتاد، از تحلیل این مسئله اسف بار و درد ناک خود را معذورو معاف کردم.
و اما سهم ما در این کوشش عظیم علم و دانش بشری،متاسفانه هیچ و در اصطلاح علم ریاضی صفر بوده است. صفر غم انگیزی که پیامد های شوم فراوانی بدنبال داشته که مهم ترین آنها جهل علمی و پس از آن وابستگی علمی و فنی تا مرز دریوزه گی بوده است. صفریکه نمایانگر آنستکه ما فقط مصرف کننده کالا نبوده ایم،زیرا قدرت تولید آن را نداشته ایم . گاهی نیز برای تسلی خاطر و رفع ملال به صنایع مونتاژ رو کرده ایم ، که نه تنها درمان درد نبوده بلکه وابستگی اجتناب ناپذیر و چند جانبه دیگر ما را نیز بدنبال داشته است.
چرا چنین بوده است؟
محقق و پژوهشگر به هیچ کشور و مسلکی متعلق نیست ، زیرا علم و دانش نیز حد و مرز نمی شناسد. محقق در هر نقطه از کره زمین که زندگی کند،احتیاج بفضای کاملا باز و عاری از هر نوع قید وبند دارد،تا بتوان مرغ دور پرواز اندیشه علمی خود را در تمام جهات برای کشف مسائل ناشناخته به پرواز در آورد. نگهداری اجباری وی در قفس اندیشه های خاص ، مرگ علمی وی را به دنبال دارد که پی آوردش رکود و سپس محو و نابودی علم و دانش و تحقیق وبه دنبال آن تکنولوژی و صنعت است.
در گذشته ای دور، شاهد ظهور دانشمندان و محققین ، بنامی چون شیخ ابوعلی سینا، محمد زکریای رازی،... در این سرزمین بوده ایم که شناخت زندگی گالیله وار آنها بیانگر واقعیت تلخ بالاست. نتیجه که حتی بهترین شاگردان این استادان علم و دانش ، حوصله و جرأت آنکه زندگی علمی استادان را دنبال کنند، نداشته اند و اینگونه بود که زندگی علمی و تحقیقی ما از قرن پیش دچار رکود و افسردگی و دل مردگی خاصی شد.
در دورانی که غرب جهش علمی خود را در دوره رنسانس آغاز کرد و شرق ، پس از انقلاب اکتبر، به خانه تکانی لازم برای هموار کردن راه پیشرفت علم و دانش و تکنولوژی پرداخت. کشور ما اسیر سلاطین و وزیرانی آنچنانی بود که مواردی چون ساخت بدون کوچکترین تغییر 30 ساله پیکان در ایران و خروج 90% نخبگان و رتبه های اول کنکور از کشور و جذب شدن توست ابر قدرت های علمی دنیا و مثال های دیگری که داستان کشورداری آنها چون قصه های طنز آمیز ملا نصردین ، بظاهر خنده آور و به باطن کوله باری از غم را بر دل آگاهان می نهد.
و که در میان این مرداب وار در سکون مطلق شاهد و نظاره گر پیشرفت علمی دیگران و راویان قصه های رفته از یاد زندگی های رفته بر باد بودیم.
در این پژوهش که نتیجه جمع آوری چند ساله اینجانب می باشد سعی شده است که سیر تحول و شناخت فناوری ترموالکتریک و بهره برداری و کاربرد آن در زمینه های مختلف بررسی شود که علاوه بر اطلاعات لازم در این زمینه خواننده می تواند چگونگی روش تحقیق علمی را ، نه تنها در این زمینه بلکه در کلیه زمینه های علمی دیگر علم ها ،بشناسد و ارزیابی کند.مسائلی خاص که در این پژوهش بررسی شده دورنمایی از قسمتی از دانش بشریست که هم آینده بس امیدبخشی را نوید می دهد و هم بیانگر زوال هر نوع زندگی و تمدن موجود در کره زمین می باشد.
این پژوهش ریگی را ماند بر مرداب سکون و جمود علمی ما افکنده شود. امید است که ناظر افکندن ریگها و حتی سنگ های دیگر بر این مرداب باشیم تا به خروش آید و نهال خشکیده علم و تکنولوژی ما را در این زمینه سیراب و همتی که این خلاء عظیم را که میراث شوم گذشته است را پر کند.
مطالعه این مطالب نه تنها، اطلاعات لازم را در کوشش همه جانبه و ایثار بی پایان دانشمندان جهان در راه کشف مواد جدید و موارد استفاده فناوری ترموالکتریک و کاربرد های آن را می دهد، بلکه ارزیابی منصفانه آن می تواند روشنگر تاریکی های باشد که ما را از مسیر علم و دانش و تحقیق ، منحرف و دست نیاز مان را به سوی دیگران دراز کرده است.ترموالکتریک با بسیاری از فرایند های دیگر ارتباط دارد و همچنین درک این فناوری به صورت عمیق تر به حل یک سری مسائل و انتگرال های پیشرفته و آشنایی کامل با علم شیمی وریاضیات و همچبین متالوژی و الکتریسیته و مواد سرامیکی وخواص مواد سرامیکی از جمله فروالکتریک وخواص دیر گدازی وجدیدا لیتوگرافی و مواد پلیمری جدید با خواص مواد ترمو الکتریکی و همچنین فناوری نانو و برخی از نتایج کاربرد های خواص فناوری ترموالکتریک می باشد، که برای دست یابی به مطالب مطلوب در این زمینه به آزمایشگاه های پیشرفته و هزینه بالا و دورنگری می باشد که از دست شخص و یا حتی گروه های کوچک بر نمی آید و احتیاج به کمک، همه جانبه علمی و دولتی دارد. بخاطر بسپارید که این مطالب مقدمه ای خلاصه و به ناچار ناقص در باره ترموالکتریک میباشد برای آشنایی خوانندگان با این فناوری رو به پیشرفت ، موثرمی باشد. که به همراه این مطالب فایلی با فرمت فلش و همچنین فایل هایppt وpdfوword پیوست می شود برای خوانندگان علاقه مند و متخصص که باید زمینه علمی لازم را دارا باشند تا به درک بیشتری در باره این فناوری دست یابند و در پایان از دوستانی که این مطالب را مطالعه کرده اند وبه اهمیت این موضوع پی برده اند خواهشمندم در صورت امکان برای پیشرفت این علم در کشور راه ها و راهنمایی های لازم را در صورت امکان به ایمیل این جانب و شماره من که به هم راه پیشنهادیه در این فایل موجود میباشد ارسال نمایید.
کار یز درون جان تو می باید کز عار یه ها ترا دری نکشاید
یک کوزه آب در درون خانه به از رودی که کز برون می آید

( حکیم سنایی)
فصل اول:
معرفی پژوهش
عنوان:مواد پیشرفته ترموالکتریکی و تولید انرژی
استاد راهنما:مهندس میلاد اسئدی
تهیه کننده:مهدی باقری مهارلویی
مقدمه:
TEG طرح تولید انرژی از اختلاف دمای بین دو محیط ،
تحقیقات انجام شده در کشور های توسعه یافته بر روی این زمینه جدید این نتیجه را حصول میکند که کشور ایران با توجه به رویکرد های آینده نگر برای گسترش و بومی سازی علم وفناوری های نو از جمله دانش هسته ای،صنایع نظامی ، صنعت خودرو ، وموارد خاص دیگر نیاز مبرمی به ساخت وتعمیم این فناوری دارد.
چکیده:
افزایش راندمان مولد های ترمو الکتریکی TEG همواره به عنوان یکی از اهداف مهندسی مطرح بوده است و استفاده از اصل سیبک،اصل پیلیته واصل تامسون وMEMS ترموشیمی ونانو سیم های سیلیکونی و همچنین ساخت قطعات و وسایل الکتریکی که با ولتاژ کمتر از 200Mv کار کنند به عنوان چند راه برای برای رسیدن به این اهداف مطرح شوده است. از اهداف اصلی این پژوهش تولید مواد ترموالکتریکی پیشرفته و نیز بالا بردن راندمان و توسعه آن در کشور میباشد،همچنین اندازه گدری و نوصیف خواص اخنتصاصی موادTE ،نحوه اتصال ،قدرت خروجی و بررسی مواد ln4se3،in4Te3،مس-Se-Ge،skutterudites(شکل 1) وهزینه ها و اقتصادی بودن طرح است.

شکل 1
حداقل دو سوم انرژی تولید شده حاصل از احتراق سوخت های فسیلی مانند بنزین و گازوییل در خودرو ها و کامیون ها به هدر رفته و به عنوان ضایعات حرارتی از اگزوز خودرو خارج می شود. ترموالکتریک ها مواد نیمه هادی و نیمه رسانایی هستند که حرارت و گرما را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند، می توانند حرارت و گرمای هدر رفته را دریافت  و از آن مجددأ استفاده کرده و نیاز به سوخت در خودروها را تا حدودی کاهش دهند و به میزان 5 درصد باعث صرفه جویی در هزینه های سوخت خودرو می شوند. اما راندمان پایین در ازای هزینه های بالا و گران قیمت بودن، مواد ترموالکتریک موجود و متداول را از ورود عملی و کاربردی به دستگاه ها و وسایل دور نگه داشته است. Combustion30% EngineVehicle Operation100%40% Exhaust Gas30%Coolant5% Friction & Radiated25%Mobility & AccessoriesGasolineGasolinegasoline
اما حالا محققان در حال مونتاژ اولین نمونه اولیه از ژنراتورهای ترموالکتریک هستند که آن را در خودروهای تجاری و خودروهای شاسی بلند SUV بتوانند مورد آزمایش قرار دهند.این دستگاه ها اوج پیشرفت هایی هستند که مرکز ساخت تجهیزات ترموالکتریک شرکت BSST در آیرویندل کالیفرنیا و مرکز A&D کمپانی جنرال موتورز واقع در وارن میشیگان ساخته می شوند. هر دو شرکت قصد دارند نمونه های اولیه ساخته شده خود را در اواخر تابستان امسال برای آزمایش بر روی خودروها نصب و راه اندازی کنند. شرکت BSST این کار را بر روی خودروهای فورد و بی.ام.و و شرکت جنرال موتوز این سیستم را بر روی خودروهای SUV شورلت آزمایش می کنند.
1-1 تاریخچه:
کشف اساس اولیه فناوری ترموالکتریک را می توان به یک فیزیکدان آلمانی به نام توماس ج.سی بک نسبت داد. سی بک کشف کرد که اگر با اتصال دوفلز مختلف یک مدار الکتریکی ایجاد شود و یکی از اتصالات حرارت داده شود درمدار حاصله جریان الکتریکی تولید می شود(شکل 2). سی بک از این آزمایش خود به این نتیجه میرسید که با این کار جریان در مدار القا میشود ولی چون موضوع به این صورت مورد نظر وی قرار نگرفته بود . این کشف سال ها راکد ماند (1) Thomas j. seebeck

درسال 1834 ژان پلتیه (1) دریافت که اگرجریانی از محل اتصال دو فلز مخطلف عبور نماید محل اتصال گرم یا سرد می شود. شکل (3)پیلیته هم مانند سی بک از درک اهمیت این مطلب در مورد فناوری ترمو الکتریک عاجز ماند

شکل 2 شکل 3
در سال 1837امیل لنز بطور وضوح اهمیت کشف پلتیه وسی بک را با قراردادن قطره ای آب در محل اتصال دو فلز و کزراندن جریان مستقیم از مدار نشان داد. موقعی که جریان دریک جهت ادامه پیدا می کرد آب منجمد می گردید و در اثر معکوس کردن جریان یخ آب می شد با تمام این ها لنز نیز از درک اهمیت کشف خود غافل ماند و این دانش برای 100 سال دیگر بعلت عدم وجود نیمه هادی ها راکد ماند.فقط در دهه 1930 بود که مواد نیمه هادی توسه یافت وامکان کاربرد کشف سی بک و پلتیه در سرد کردن موضعی را ایجاد نمود درسال 1930و1960 پیشرفت ترموالکتریک به آزمایشگاههای علمی محدود می شد. در سالهای اول دهه 1960 بسیاری از کمپانی ها با تحرک شدیدی در راه ساخت وسایل سرد کننده ترموالکتریکی اقدام کردند.

فصل دوم
تعاریف
1-2 اجزاء یک اتم

شکل 4
مفهوم الکتریسیته با عناصر پایه ی سازنده مواد یعنی اتم اغاز می شود . هسته ی یک اتم از پروتون ها و نوترون ها تشکیل شده است . پروتون ها یک بار مثبت دارند و نوترون ها خنثی می باشند .الکترون ها با بار منفی به دور هسته در گردش ا ند .(فقط الکترون ها و پرتون ها در شکل(4) نشان داده شده ا ند .قسمت های آبی رنگ هسته ، نوترون ها را نشان میدهند .)
2-2 الکترون های آزاد

شکل 5
الکترون ها ی خارجی ترین لایه می توا نند بوسیله ی یک نیروی خارجی مثل میدان مغناطیسی ،اصطکاک و یا واکنش های شیمیایی از مدارشان خارج شوند .
در این صورت « الکترون های آزاد» نامیده می شوند . مبنای الکتریسیته حرکت این الکترون های آزاد است. در شکل (5) مشخص است.
3-2 هادی ها
شکل 6
جریان الکتریکی هنگامی ایجاد می شود که الکترون های آزاد از یک اتم به اتم دیگر منتقل شوند. شکل(6). ماده ای که به الکترون ها اجازه حرکت آزادانه را می دهد هادی (رسانا) نامیده می شود .
مس ،نقره ،الومینیوم ،روی ، آهن از جمله هادی های خوب می باشند .
4-2 نارساناها
موادی که به تعداد کمی از الکترون ها اجازه ی حرکت می دهند ، نارسانا (عایق) نامیده می شوند .شکل 7
پلاستیک ، لاستیک ، شیشه ، میکا و سرامیک نارسا نا می باشند

شکل 7
5-2 کاربرد هادی و عایق در کنار هم
بسیاری از قطعات الکتریکی مثل کابل ، ترکیبی از هادی ها و عایق ها هستند . عایق دور کابل رسانا ، به جریان اجازه میدهد که تنها در هادی جاری شود .شکل 8
شکل 8
6-2 جریان

جریان ، شارش الکترون های آزاد در یک ماده از یک اتم به اتم بعدی و در یک جهت مشخص می باشد( شکل 9)که آن را با نماد « I» نشان می دهند، و با واحد آمپر سنجیده می شود .

شکل 10
بعضی دانشمندان بین شارش الکترون و شارش جریان تمایز قائل می شوند .تئوری شارش جریان قرار دادی شارش الکترون را رد می کند و اظهار می دارد که جریان از مثبت به منفی شارش می یابد( شکل 10) برای جلوگیری از اشتباه ، این دوره نظریه ی شارش الکترون را به کار می برد که اظهار می دارد الکترون ها از منفی به مثبت شارش می یابند
7-2 جریان متناوب

در جریان متناوب الکترون ها ابتدا در یک جهت و سپس در جهت دیگر جاری می شود . جریان و ولتاژ هر دو به طور مداوم تغییر می کنند . شکل نمودار جریان متناوب (AC) ، به صورت موج سینوسی می باشد که جریان یا ولتاژ را نشان می دهد ..(شکل 11) دو محور برای موج سینوسی رسم می شود .محور عمودی دامنه و جهت جریان یا ولتاژ را نشان می دهد . محور افقی زمان یا زاویه چرخش را نشان می دهد . هنگامی که شکل موج بالای محور زمان است ، گوییم جریان در جهت مثبت جاری است ، وقتی شکل موج زیر محور زمان است گوییم جریان در جهت منفی جاری است .یک سیکل کامل در 360 درجه اتفاق می افتد که نیمی مثبت و نیمی منفی است .
7-2 ضریب توان

ضریب توان نسبت توان حقیقی به توان ظاهری می باشد که رابطه ای است برای اندازه گیری مقدار توانی که مصرف می شود و مقدار توانی که به منبع برگشت داده می شود . ضریب توان اهمیت زیادی دارد زیرا روی راندمان سیستم های توزیع توان اثر می گذارد .
ضریب توان توسط رابطه ی فازی بین ولتاژ و جریان تعیین می شود و در حقیقت ، کسینوس زاویه بین آنها می باشد. در یک مدار مقاومتی محض ، که جریان و ولتاژ هم فاز هستند اختلاف فاز صفر می باشد . کسینوس صفر درجه یک است . بنابر این ، ضریب توان یک می باشد و این بدان معنی است که همه انرژی تولیدی منبع ، توسط مدار مصرف می شود .
در مدار راکتیو همیشه مقداری اختلاف فاز بین ولتاژ و جریان وجود دارد . به عنوان مثال اگر این زاویه ˚45 باشد ، ضریب توان 0.707 خواهد بود که همان کسینوس ˚45 می باشد .
فصل سوم
تعاریف کاربردی
مقدمه:
برای آشنای و درک بهتر در مورد ترموالکتریک در ابتدا باید با موارد کلیدی و مربوطه آشنا شود. در این فصل سعی شده است که به صورت روان مواردی را معرفی کرد تا کمکی برای درک فصل های بعد باشد.
نیمه هادی ها
3-1 مقدمه ای درمورد نیمه هادی ها:
همانطور که هادی ها در صنعت امروزی به خصوص در زمینه های حرارتی و برودتی کاربردی ویژه یافته اند عناصر نیمه هادی نیز اهمیت زیادی در صنعت الکترونیک و ساخت قطعات پیدا کرده اند. هدف اصلی که در الکترونیک آنالوگ دنبال می شود تقویت سیگنالها بدون تغییر شکل آن سیگنال است. همین هدف بشر را به سمت استفاده از نیمه هادی ها در ساخت قطعات تقویت کننده پیش برده است. اما آن چیزی که عملکرد این قطعات را رقم می زند چگونگی حرکت الکترون ها و حفره ها در ساختار کریستالی این عناصر می باشد.و این مقدمه ای ست برای پیدایش قطعاتی نظیر ترانزیستور ها –دیود ها و... عامل موثر بر چگونگی حرکت الکترون ها و حفرها چیزی نیست جز درجه حرارت. به طوری که گفته شد درجه حرارت صفر مطلق ساختمان کریستالی نیمه هادی هایی نظیر ژرمانیوم و سیلسکن را تحت تاثیر خود قرار می دهد. یعنی در این درجه حرارت الکترون ها کاملا در باند ظرفیت قرار گرفته و نیمه هادی نظیر یک عایق عمل می کند.
اگر درجه حرارت افزایش یابد الکترون های لایه ظرفیت انرژی کافی کسب کرده و پیوند کو والانسی خود را شکسته وارد باند هدایت می شوند.به مراتب این جابه جایی باعث تولید حفره ناشی از عبور الکترونهای می گردد.
انرژی لازم برای شکستن چنین پیوندی در سیلسکن 1.1(الکترون ولت) و در ژرمانیوم 0.72 (الکترون ولت) می باشد. اهمیت حفره در این است که نظیر الکترون حامل جریان الکتریکی بوده و و نظیر الکترون آزاد عمل می نماید. حال آنکه تا چندی پیش دانشمندان حفره ها را حامل جریام نمی دانستند!
3-2نیمه هادی چیست.؟
در میان عناصر گروهی هستند که نه فلز کامل ونه غیر فلز کامل هستند به همین ترتیب این عناصر نه رسانای خوب ونه نارسانای خوب هسستند از اینرو به آنها نیمه رسانا یا نیمه هادی می گویند رسانائی این عناصر که در گروه چهارم جدول تناوبی قرار دارند با اندکی ناخالصی از عناصر گروه سوم و پنجم جدول تناوبی تقویت می شود.به علت اینکه سیلیسیم و ژرمانیوم در مدار آخر خود چهار الکترون دارند ، تمایل دارند که مدار آخر خود را کامل کرده و به حالت پایدار برسند . برای این منظور هر اتم با هر یک از چهار اتم مجاور خود یک الکترون به اشتراک می گذارد . این نوع پیوند بین اتم ها را پیوند اشتراکی یا کووالانسی می گویند . در شکل پیوندهای کووالانسی بین اتم های سیلیسیم نمایش داده شده است
به علت اینکه سیلیسیم و ژرمانیوم در مدار آخر خود چهار الکترون دارند ، تمایل دارند که مدار آخر خود را کامل کرده و به حالت پایدار برسند . برای این منظور هر اتم با هر یک از چهار اتم مجاور خود یک الکترون به اشتراک می گذارد . این نوع پیوند بین اتم ها را پیوند اشتراکی یا کووالانسی می گویند . در( شکل1) پیوندهای کووالانسی بین اتم های سیلیسیم نمایش داده شده است

شکل1
چون تعداد الکترونهای آزاد و حفره های ایجاد شده در کریستال های سیلیسیم و ژرمانیوم در اثر انرژی گرمایی به اندازه کافی زیاد نیست این کریستال ها قابلیت هدایت الکتریکی خوبی ندارند . برای افزایش قابلیت هدایت الکتریکی این نیمه هادی ها به آنها ناخالصی اضافه می کنند .اضافه کردن ناخالصی به نیمه هادی ها به دو شکل صورت می گیرد/
N نوعP نوع
3-3 نوع P
ناخالص کردن کریستال نیمه هادی با اتم پنج ظرفیتی : در این روش عناصر پنج ظرفیتی مانند آرسنیک (As) ، آنتیموان (Sb) و یا فسفر (P) را که در لایه ظرفیت خود پنج الکترون دارند به کریستال سیلیسیم یا ژرمانیوم اضافه می کنند . به عنوان مثال در شکل (2) عنصر پنج ظرفیتی آرسنیک به کریستال سیلیسیم اضافه شده است
شکل2
در یک بلور سیلیسیم یا ژرمانیوم ، در دمای صفر مطلق به علت اینکه تمامی پیوندهای کووالانسی بین اتم ها برقرار است و هیچ الکترون آزادی وجود ندارد بلور سیلیسیم یا ژرمانیوم یک عایق کامل می باشد . اما با افزایش دما جنبش الکترونهای والانس افزایش یافته و بعضی از پیوندهای کووالانسی بین اتم ها شکسته شده و الکترونهایی آزاد می شوند و به این ترتیب هدایت الکتریکی در کریستال های سیلیسیم و ژرمانیوم افزایش می یابد . هر چه دما بیشتر افزایش یابد پیوندهای کووالانسی بیشتری شکسته شده و تعداد الکترونهای آزاد بیشتر می شود و در نتیجه هدایت الکتریکی کریستال افزایش می یابد . به ازای جدا شدن هر الکترون از یک اتم ، یک جای خالی الکترون در آن اتم ایجاد می شود که به آن حفره می گویند . در شکل (3)نحوه ایجاد یک حفره نمایش داده شده است

شکل 3
4-3 نوع N
ناخالص کردن کریستال نیمه هادی با اتم سه ظرفیتی : هرگاه یک عنصر سه ظرفیتی مانند آلومینیوم (Al) ، گالیم (Ga) و یا ایندیم (In) را که در مدار ظرفیت خود سه الکترون دارند به کریستال سیلیسیم یا ژرمانیوم خالص اضافه کنیم الکترونهای مدار آخر عنصر ناخالصی مانند آلومینیوم با الکترونهای والانس اتم های مجاور خود تشکیل پیوند کووالانسی می دهند . به این ترتیب در مدار آخر اتم ناخالصی هفت الکترون در حال گردش هستند که در نتیجه یک جای خالی یا حفره ایجاد می شود.شکل 4

شکل 4
عنا صر چهارم (مانند سیلسیوم ویا یاژرمانیوم ) در لایه آخر خود 4الکترون دارند عناصر گروه پنجم (مانند آرسنیک ) وارد شود موجب تولید الکترونهای آزاد می شود به ماده حاصل نیمه هادی نوع N می گویند زیرا این الکترونها هستند که مسئولیت هادی بودن ماده را دارند اگر همین عمل با عناصر گروه 3مانند آلومینیوم یا گالیم تکرار شود حاصل یک نیمه هادی نوع Pاست که در این نوع مواد حفره ها الکترونی یا اصطلاحا بار مثبت مسئولیت هادی بودن ماده هستند
5-3 جدول تناوبی
periodgroupns2np6
فصل چهارم
تعاریف اصول اولیه فناوری ترموالکتریک
1-4 مقدمه ای (ترموالکتریک)برای درک مطلب ترموالکتریک لازم است که با مفهوم های زیر آشنا شویم
تعاریف
2-4قانون دوم ترمودینامیک:
مفهوم جامع قانون دوم ترمو دینامیک متضمن است که یک فرایند فقط در یک جهت معین پیش پیش میرود ولی در جهت خلاف،قابل قبول نیست.یک فنجان قهوه داغ با انتقال حرارت به محیط ،سرد می شود ولی حرارت نمی توان در جهت خلاف و از محیط سرد تر به فنجان قهوه ی داغ تر ، منتقل شود.در هنگام بالا رفتن خودرو از تپه،بنزیل مصرف می شود ولی پایین امدن آزادانه خودرو از تپه،موجب برگشتن بنزیل مصرف شده به به سطح اولیه نمی شود.این گونه مشاهدات نشان گره ارزش قانون دول نرمودینامیک است. شکل 1 قانون دوم را در پمپ گرمایی و یخچال ها نشان میدهد.

شکل 1
3-4یخچال ها و سیستم های تبرید:
پمپ گرمایی:با پمپ حرارتی میتوان سیستمی داشت که در یک سیکل کار می کند و مقدار خالص انتقال حرارت و کار آن مثبت است. در پمپ گرمایی سیستمی خواهیم داشت که در یک سیکل کار میکند و حرارت از یک جسم درج حرارت پایین به سیستم منتقل می شود و از سیستم به جسم با درجه حرارت بالا منتقل می شود و مقداری کار برای انجام این فرایند لازم است.در ادامه چند پمپ حرارتی و یخچال یا سیکل تبرید همراه با سیکل وشماتیک فرایند ها به صورت شکل نشان داده شده است که برای چون در این جا مطلب مورد نحث ترموالکتریک است برای اطلاعات بیشتر می توان به کتابهای ترمودینامیک مراجه کرد.
4-4یخچال:

امروزه دستگاههای ترموالکتریک در تکنولوژی مدرن فلزات و نیمه هادی ها و در کل مواد نیمه های جایگزین فلزات گوناگون شد و در آزمایشات ترموالکتریک مورد استفاده قرار می گیرند . «سیبک» ، «پولتیر» و «تامسون» با چندین وقایع ، شکل ابتدایی عملکرد نمونه های ترموالکتریک را ارائه کردند بدون اینکه به جزئیات اشاره شود . برخی از این اثرات بنیادی ترموالکتریک را بیان می کنیم .
5-4 اثر سیبک :پیوست
6-4 اثر «پلتیر» :پیوست
7-4 اثرتامسون :
وقتی جریان الکتریکی از رسانا می گذرد که دما افت حرارتی بیشتر از طولش داشته باشد و گرما از طریق رسانا جذب یا خارج شود و در اینجا این سوال پیش می آید که آیا گرمای جذب شده یا به بیرون انتقال داده شده بستگی به جریان الکتریکی و دمایی که افت حرارت در آن ایجاد شده است یا خیر ؟ این اتفاق توسط تامسون صورت گرفت که اصول کلی را در بر
می گیرد اما نقش چندان مهمی در عملکرد نمونه های عملی ترموکوپل ندارد به این دلیل به رسمیت شناخته نشده است .
8-4 اصول کلی نمونه های ترموالکتریک مواد :
مواد ترموالکتریکی :
اغلب مواد نیمه رسانای ترموالکتریک در دستگاههای خنک کننده TE امروزی آلیاژ بیسموت تلورید که به طور مناسب بخش های تک یا عناصری که خصوصیات جدا N و P را دارد بکار برده می شوند . اغلب مواد ترموالکتریک با متبلور کردن فلز یا فشار به پودر فلزکاری تشکیل شده اند . هر روش ساخت دارای مزایای خاص خودش است اما زمانی که تحت هدایت هستند این مواد رشد می کنند و به رشدی بیش از حد معمول می رسند . علاوه بر   ، مواد ترموالکتریکی دیگری موجود است مانند   ، سیلیکون ، ژرمانیوم   و (Bi-Sb )  آلیاژهایی که شاید در موقعیت های خاص بکار برده شده باشند .
حداکثر   در میان دمای محدود بسیار مناسب و بیشتر از عملکردهای خنک سازی است .
مواد    :
متبلور کردن مواد   دارای چندین ویژگی است که مزایای آن در اینجا بحث خواهد شد که ناشی از ساختار بلوری کردن   به مقدار خیلی زیاد است که در طبیعت سرد می شوند . این نتایج در مواد الکتریکی سبب ایجاد مقاومت ویژه ای که تقریباً بزرگتر از محور رشد بلور (C-axis) است به نسبت حالت عمودی است . علاوه بر این قابلیت رسانایی گرما حدوداً 2 برابر بزرگتر از محور C در جهت عمودی است از زمانی که مقاومت این حالت بیشتر از قابلیت رسانایی گرما است بیشترین کار در این حالت رخ می دهد به این دلیل عناصر ترموالکتریک در نمونه خنک سازی جمع می شوند ، بنابراین محور رشد بلور موازی طول یا بلندی هر ماده است . بنابراین محور عمودی  لایه سفال می باشد . یکی دیگر از ویژگی های جالب   این است که مربوط به ساختار بلوری مواد می شود . بلورهای   در لایه هایی که اتم مشابه دارد ، درست می شود . و زمانی که لایه های   با هم نگه داشته می شوند توسط قیدهم ظرفیت که مربوط به نزدیک بودن لایه ها است . در نتیجه با متبلور کردن   این لایه ها را جدا می کنند .    که رفتاری 0بسیار شبیه به ورقه های میکاست . خوشبختانه ورقه ورقه کردن صفحات بطور کلی موازی به محور C است و مواد کاملاً محکم هستند . زمانی که در نمونه خنک سازی ترموالکتریک به هم متصل می شود . مواد   توسط متبلورکردن فلز تولید می شوند  و به نوعی در قالب ساخته می شوند یا شکل می گیرند و سپس به ورقه هایی با ضخامت های گوناگون تقسیم می شوند . بعد از اینکه منابع به طور درست آماده شد آنگاه به قطعات کوچکتقسیم می شود که شاید نمونه هایی از خنکسازی ترموالکتریک باشند . بخش هایی از مواد   که معمولاً به آن عناصر یا قطعات کوچک بریده شده نیز می گویند . همچنین با فشردن پودر فلزکاری ساخته می شود .
9-4 نمونه های خنک سازی ترموالکتریک :
دستگاه خنک سازی ترموالکتریک دارای دو یا چند مواد نیمه رسانا که به طور الکتریکی به مجموعه ها و از نظر حرارتی با هم برابرند مربوط می شود . این عناصر ترموالکتریک و اتصالات داخلشان به نوعی میان دو ظرف سفالی است که این لایه ها سبب می شود که ساختار سرتاسری با هم از نظر مکانیکی نگه داشته شوند و اجزاء هر یک را به طور الکتریکی و از سطوح خارجی جدا شده ، از هم جدا می کنند . بعد از اینکه بخش ها و اجزاء گوناگون نمونه درست شد ، نمونه های دیگری از ترموالکتریک تقریباً   (  تا   اینچ ) اندازه شان و   (  تا   اینچ) بلند ساخته می شوند . هر دو نمونه N وP   مواد ترموالکتریک در دستگاه خنک سازی ترموالکتریک بکار برده می شوند . این قرارگیری سبب می شود گرما از دستگاه خنک کننده حرکت کند و زمانی که جریان الکتریکی بر می گردد و متناوباً میان لایه های بالا و پایین از میان عناصر N و P قرار می گیرد . از مواد  نوع N الکترون های زیادی عبور می کنند (بیشتر الکترون ها در ساختار مولکولی موجودند ) بطوریکه در مواد نوع N الکترون های کمتری عبور می کند (الکترون های کمتری در ساختار مشبک موجود است ) بیشتر الکترون ها در مواد N و حفره ها هستند که در نتیجه آن الکترون های کمتری در مواد P وجود دارد که انرژی گرمایی از میان مواد ترموالکتریک عبور می دهند .  دستگاه خنک کننده ترموالکتریک با گرما حرکت می کند و در نتیجه جریان الکتریکی را بیشتر از نمونه های خنک سازی ترموالکتریک ساخته شده با تعدادی از عوامل نوع P و N در جایی که N و P شکل گرفته اند جفت می کند  که دارای دو جفت P و N است و به اصطلاح به آن مدل به هم پیوسته نیز می گویند . شکل2

شکل2
تغییرات پی در پی گرما (گرمایی که فعالانه پمپ می شود از میان نمونه ترموالکتریک) به نسبت بزرگی در جریان الکتریکی DC بکار می روند . گوناگونی بازده از صفر به بیشترین حد می رسد و ممکن است باعث تعدیل آن شود که میزان جریان گرما و دما را کنترل می کند .
10-4 موارد مورد توجه
عملکرد در هر گرایشی :
TE ها در هر جهتی و در هر محیطی که جاذبه زمین صفر است بکار برده می شوند بنابراین در بسیاری از فضاهای ماوراء جو مورد استفاده قرار می گیرند .راه درست تهیه کردن نیرو :
مدل TE بطور مستقیم از منبع نیروی DC  کار می کند و این نمونه ها دارای ولتاژ زیاد و جریاناتی هستند که این نوسان وسیع جریان (PWM) در بسیاری از موارد مورد استفاده قرار می گیرند .
محل خنک سازی :
بادستگاه خنک کننده TE ممکن است بتوان یک منطقه یا ترکیب خاص را خنک کرد در نتیجه آن اغلب لازم به خنک کردن ، بسته بندی یا محدوده بندی نیست .
قابلیت تولید نیروی الکتریکی :
در عمل بصورت معکوس بکار برده می شود با بکار بردن دمای گوناگون برای دستگاه خنک کننده TE ممکن است که مقدار کمی نیروی DC  تولید کند .
شرایط مساعد از لحاظ محیطی :
سیستم های خنک سازی به طور قراردادی ساخته نمی شوند و بدون استفاده از کلروفلوروکاربن یا مواد شیمیایی دیگر که برای محیط زیست مضر است و در دیگر شیوه های ترموالکتریک بکار برده نمی شود یا ممکن است یک نوع گاز دیگر تولید شود .
دستگاه خنک کننده ترموالکتریک.
، گاهی اوقات به آن ترموالکتریک یا دستگاه خنک کننده «پلیتر» نیز می گویند . که نیمه رسانای است که دارای اجزا و ترکیبات الکترونیکی است که عملکردهایی مانند گرم کردن با پمپ را در بر می گیرد .منبع نیرو با ولتاژ پایین DC با مدل TE کار می کند . گرما از آن محدوده به طرف دیگر حرکت خواهد کرد ، بنابراین . یک طرف خنک می شود وقتی که هنوز طرف دیگر همزمان گرم است ، مهم است به خاطر داشته باشید زمانی که این اتفاق معکوس می شود که به موجب آن قطبش نیز تغییر
می کند. (مثبت و منفی) و ولتاژ DC سبب می شود که گرما به طرف دیگر برود، در نتیجه ، ترموالکتریک به کار برده می شود برای گرم سازی و خنک سازی در نتیجه بسیار مناسب است برای کنترل دقیق دمای مورد استفاده قرار می گیرد .
11-4 نظریه تبدیل حرارت اتلافی به نیروی محرکه در خودروها
در اواخر تابستان امسال یک ماده ترموالکتریک جدید برای گرفتن انرژی از حرارت و گرمای اتلافی در موتورها بر روی خودروهای بی.ام.و ، فورد و شورولت آزمایش خواهد شد.
حداقل دو سوم انرژی تولید شده حاصل از احتراق سوخت های فسیلی مانند بنزین و گازوییل در خودرو ها و کامیون ها به هدر رفته و به عنوان ضایعات حرارتی از اگزوز خودرو خارج می شود. ترموالکتریک ها مواد نیمه هادی و نیمه رسانایی هستند که حرارت و گرما را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند، می توانند حرارت و گرمای هدر رفته را دریافت  و از آن مجددأ استفاده کرده و نیاز به سوخت در خودروها را تا حدودی کاهش دهند و به میزان 5 درصد باعث صرفه جویی در هزینه های سوخت خودرو می شوند. اما راندمان پایین در ازای هزینه های بالا و گران قیمت بودن، مواد ترموالکتریک موجود و متداول را از ورود عملی و کاربردی به دستگاه ها و وسایل دور نگه داشته است.اما حالا محققان در حال مونتاژ اولین نمونه اولیه از ژنراتورهای ترموالکتریک هستند که آن را در خودروهای تجاری و خودروهای شاسی بلند SUV بتوانند مورد آزمایش قرار دهند.این دستگاه ها اوج پیشرفت هایی هستند که مرکز ساخت تجهیزات ترموالکتریک شرکت BSST در آیرویندل کالیفرنیا و مرکز A&D کمپانی جنرال موتورز واقع در وارن میشیگان ساخته می شوند. هر دو شرکت قصد دارند نمونه های اولیه ساخته شده خود را در اواخر تابستان امسال برای آزمایش بر روی خودروها نصب و راه اندازی کنند. شرکت BSST این کار را بر روی خودروهای فورد و بی.ام.و و شرکت جنرال موتوز این سیستم را بر روی خودروهای SUV شورلت آزمایش می کنند. شکل 3

شکل 3

شرکت BSST از مواد جدید تلورید بیسموت که یک ماده ترموالکتریک متداول است و دارای تلوریوم گران قیمت بوده و فقط در دماهایی بالاتر از 250 درجه سانتی گراد کار می کند به طور متداول استفاده می کند. این درحالیست که ژنراتورهای ترموالکتریک می توانند به دمای 500 درجه سانتی گراد برسند. بنابراین شرکت BSST از خانواده دیگری از ترکیبات ترموالکتریک که شامل هافنیوم و زیرکنیوم هستند و در دماهای بالا کارایی بهتری دارند برای این پروژه استفاده می کند که این مواد می توانند راندمان و کارایی ژنراتور را به میزان 40 درصد افزایش دهند.در شرکت جنرال موتور محققان در حال مونتاژ مراحل نهایی نمونه اولیه ژنراتور ترموالکتریک هستند اما با نوید یک کلاس و رده جدید از ترموالکتریک ها بنام اسکاترادیتس که نسبت به تلورید ها ارزانتر هستند و در دماهای بالا کارکرد بهتری دارند. مدلسازی های کامپیوتری شرکت نشان می دهد که در خودروی مورد آزمایش که یک دستگاه شورلت ساباربان SUV می باشد، این دستکاه می تواند 350 وات انرژی تولیدکرده و به میزان 3 درصد مصرف سوخت را بهبود ببخشد.جورجی میسنز یکی از دانشمندان و محققان جنرال موتورز می گوید ساخت و تولید اسکاترادیتس که شامل عناصر کمیاب و نادری مانند کبالت و آرسنید می باشد دارای پروسه و روند پیچیده ای است و ترکیب کردن آنها درون وسایل و دستگاه ها بسیار مشکل است و چالش بسیار مهم ایجاد تماس و ارتباط الکتریکی و گرمایی خوب و مناسب است چراکه تغییرات گرمایی بزرگ در طول دستگاه تنش ها و فشارهای مکانیکی بر روی محل های تماس ترموالکتریکی وارد می آورد که باعث تنزل عملکرد دستگاه می شود و ما با انتخاب مناسب مواد می توانیم مقاومت را تحت تاثیر قرار دهیم و به این مشکل فائق آییم. چالش کلیدی دیگر ادغام و یکپارچه کردن دستگاه درون خودرو ها و وسایل نقلیه است. محققان در حال حاضر یک ژنراتور تلورید بیسموت را در یک SUV آزمایش کرده اند.میسنز هم چنین اضافه می کند که در حقیقت دستگاه درون سیستم اگزوز خودرو جای می گیرد. یک مقطع از لوله اگزوز برش داده شده و دستگاه که شبیه به یک انباره یا صدا خفه کن است در آنجا قرار می گیرد. هدف از طراحی بهینه این است که بتوان طراحی را به سمتی پیش برد که سیستم های خودرو د هم ادغام شوند نه اینکه به عنوان یک سیسم جداگانه فضایی برای خود اشغال کنند و این نکته در طراحی این سیستم رعایت شده است.محققان دو شرکت جنرال موتورز و BSST هم چنین نیاز دارند راه هایی را برای ساخت و تولید حجم بالتری از مواد جدید و ارزان پیدا کنند. میسنز پیش بینی می کند که دست کم 4 سال دیگر ژنراتور های ترموالکتریک را می توان در تولید خودروها مورد استفاده قرار داد.
اساسی برای کاربران درباره تونایی دستگاه خنک کننده ترموالکتبیک داده شده است که با ارائه این نمونه ، مفید است . یک نوع مرحله ترموالکتریک در یک مخزن گرمایی است که دمای اتاق را نگه می دارد و سپس به یا باطری مناسب متصل می شود . یا به دیگر منابع نیروی DC متصل می گردد . طرف سرد نمونه تقریباً به دمای   می رسد . در این لحظه نمونه بدون گرما پمپ می شود و به بیشترین میزان ولتاژ T  می رسد . اگر گرما به تدریج به طرف سرد نمونه اضافه شود ، قسمت سرد دمایش بالا می رود و سرانجام برابر قسمت گرما می شود . در این هنگام دستگاه خنک کننده TE به بیشترین میزان گرما می رسد .دستگاههای خنک کننده ترموالکتریک به یخچالهای مکانیکی کنترل کنند با همان قوانین بنیادی ترمودینامیک و سیستم های سردسازی اگرچه به طور قابل ملاحظه ای در فرم متفاوت هستند عملکردشان به یک صورت می باشد . در سیستم های سردسازی مکانیکی دستگاه فشار برای فشردن هوا به مایع فشار می آورد در میان سیستم سرما راپخش می کند . فضای تبخیر کننده یا منجمد کننده که به نقطه جوش می رسد طی مراحل تدریجی مداوم تبخیر می شود . دستگاه سرد کننده گرما را می گیرد (جذب می کند) به همین علت است که دستگاه سرد
می شود . گرمای جذب شده توسط دستگاه سرد کننده به طرف دستگاه منقبض کننده حرکت می کند . در جایی که سردکننده تراکم را به محیط انتقال می دهد در سیستم سردسازی ترموالکتریک پیش بینی می شود که یک نوع نیمه هادی جای مایع سرد کننده را می گیرد و منقبض کننده جایگزین قسمت گرمایی می شود . دستگاه فشردن هوا جایگزین منبع نیروی DC می شود .
استفاده از نیروی DC  در ترموالکتریک به این علت است که الکترون ها به طرف مواد نیمه هادی حرکت می کنند . در انتهای قسمت سردکننده مواد نیمه هادی گرما را جذب می کنند توسط حرکت الکترون ها و از میان مواد حرکت می کنند و قسمت انتهایی گرم کننده از آن خارج می شود تا زمانی که قسمت انتهایی گرم کننده مواد بطور فیزیکی به مخزن گرما متصل شده است گرما از مواد به طرف مخزن می رود و سپس در عوض به محیط انتقال داده می شود . قائده کلی فیزیکی به روی دستگاههای خنک کننده سرماساز ترموالکتریک جدید نزدیک به سال 1800 بر می گردد . اگرچه نمونه های TE تجاری تا سال 1960 در دسترس نبوده اند اولین کشف مهم مربوط به ترموالکتریسیتی در سال 1821 رخ داد . زمانی که یک دانشمند آلمانی به نام توماس سیبک پی برد که جریان الکتریکی در مدار جریان دارد که از دو فلز مختلف درست شده است که نقطه اتصال فلزات در دو دمای گوناگون می باشد . سیبک واقعاً متوجه نشد هرچند که مقدمات علم برای کشفش کافی نبود و اشتباه فرض می کرد که جریان گرما همانند جریان الکتریکی اثر مشابه دارد . در سال 1834 یک ساعت ساز فرانسوی و یک فیزیک دان به نام جین پولتیر بعد از بررسی اثر تحقیقات سیبک پی بردند که برعکس این اتفاق رخ می دهد وقتی که انرژی گرمایی در نقطه اتصال دو فلز گوناگون جذب شده و در نقطه برخورد دیگر زمانی که جریان الکتریکی در میان محدوده بسته ای جریان دارد ، تخلیه می شود . 20 سال پیش ویلیام تامسون توضیحی برای درک بهتر سیبک و پولتیر و روابطشان داد . هرچند حالا این اتفاق تنها در آزمایشگاه از روی کنجکاوی صورت می گیرد و بدون اینکه کاربرد عملی داشته باشد . در سال 1930 که یک داشمند روسی مطالعاتش را درباره برخی از کاربردهای ترموالکتریک شروع کرده بود و تلاش کرد نیرویی در ژنراتورها ایجاد کند که در محل هایی خارج از زمین مورد استفاده قرار گیرند . سرانجام این دانشمند روسی به نمونه های عملی ترموالکتریک توسعه یافته پی برد .
فصل پنجم
مصارف فن آوری ترموالکترک

1-5 مصارف فن آوری ترموالکترک:
یخچال ترمو الکتریکی
مولد ترمو الکتریکی
2-5 فرایند های ترموالکتریکی:
مقدمه:
فرایند ترموالکتریکی یکی از آخرین پیشرفت های رشته تبرید است که در آن برای گرفتن حرارت از یک محل وجا گذاشتن آن در محل دیگر، بجای استفاده از ماده سرما زا از انرژی الکتریکی به عنوان حامل گرما استفاده می شود. و کاربرد عمده آن در زمینه سرد کننده های قابل حمل،آب سرد کن ها و سرد کن دستگاههای علمی مورد مصرف در تحقیقات فضای است.در شکل بعد نمای از یک سیستم ترموالکتریکی را مشاهده میکنید.شکل 1

شکل 1

سیستم پلیته از یک رشته نیمه هادی تشکیل گردیده است و به گونه ای تعبیه شده اند که یک نوع از حاملهای بار (مثبت یا منفی) بخش زیادی از جریان را حمل نمایند.زوجهای به گونه ای شکل داده شده اند که از نظر الکتریکی با هم سری ولی از نظر گرمای با هم موازی می باشند .(شکل 2).لایه های بیرونی سرامیکی آنها فلزی شده تا بتواند هم گرما وهم جریان الکتریکی را منتقل کنند0

شکل 2
وقتی ولتاژ به سیستم ترمو الکتریک اعمال می شود حامل های بار منفی و مثبت در رشته قرص ها انرژی گرمای را از یک سطح لایه خروجی دریافت و آن را در سطح طرف دیگر آزاد می کنند. سطحی که انرژی گرمای از آن جذب می شود سرد میگردد و سطح مخالف که انرژی گرمای را دریافت می کند گرم می شود. با استفاده از این روش ساده ” تلمبه گرمای “: فن آوری ترمو الکتریکی از قبیل خنک کننده های دیودی کوچک ،یخچال های قابل حمل ، سرد کننده های مایع و غیره استفاده می شود. بسیاری از این واحد ها همچنین می توانند برای تولید توان الکتریکی در شرایطی استفاده کرد.کاربرد های جدید و اغلب جالب ترمو الکتریکی هر روز در حال پیشرفت است.
3-5 نمای کسترده واحد ترمو الکتریکی . شکل 3

شکل 3
4-5 یخپال ترموالکتریکی
مقدمه
در (شکل4) بعد یک واحد ترمو الکتریکی ساده که یک قطب به طرز خاصی عمل آورده می شود که نسبت به قطب دیگرالکترون ها را با سرعت بیشتری از خود عبور دهد.نشان داده شده است.

شکل 4
5-5 طرز کار سیستم ترموالکنریکی شکل 4 قبل:

شکل 5
بخاطر تمرکز الکترونها در ساختمان ملکول(P مثبت وN منفی) جریان که از طریق P بهN میرود احتیاج به انرژی دارد بنابراین هنگام عبور انرژی لازم را از فلز رابط گرفته و آن را سرد میکند (گرمای آنرا می گیرد ).هنگامی که در یک مجموعه ترموالکتریکی این فعل وانفعال پیش میاید بخش سرد سیستم گرمای فزای را که باید سرد شود را به خود می گیرد و مطابق (شکل 4) انرا در بخش گرم رها می کند. اگر قطب منفی یک منبع الکتریکی جریان مستقیم به ماده نوع P وصل شود (جای که کمبود الکترون دارد) صفحه مسی رابط PوNسرد شده وگرمای محیط را میگیرد (مانند سیستم ابتدای تبرید ترموالکتریکی( شکل 5) جریان الکتریکی از باطری واز طریق Pگه کمبود الکترون داردصورت میگیرد وگرمای سطح سرد بالای را گرفته وانرا به سطح سرد زیرین انتقال میدهد.در شکل های بعد می توان اندازه و چگونگی محاسبه ولتاژ را مشاهده کرد.

6-5 مقایسه سیستم های مختلف تبرید:
انتقال گرما توسط حامل های بار در یک سیستم ترموالکتریک خیلی شبیه به روشی است که خنک کننده های کمپرسی،گرما را در یک سیستم مکانیکی انتقال می دهند.در سیستم خنک کننده کمپرسی،مایعات گردشی گرما را از بار گرمایی به تبخیر کننده ای که گرما در آن میتواند پخش شود منتقل می کند.
7-5 مزایای سیستم ترمو الکتریک:
انتخاب فناوری سرمایشی خنک کننده های ترموالکتریکی به نیاز های خاص هر کاربرد بستگی دارد،اما خنک کننده های ترمو الکتریکی مزایای متفاوتی در مقایسه با سایر فن آوریها دارند.
خنک کننده های ترموالکتریکیTE هیچ قسمت متحرکی ندارند و بنابراین مراقبت کمتری لازم دارد.
آزمایش طول عمر نشان داده که طول عمر وسایل ترموالکتریکی TEبیش از هزار ساعت در شرایط کار پایدار است.
خنک کننده های ترموالکتریکی TEمحتوی کلرو فلورواید کربن یا موارد دیگری نیستند که نیاز به پر کردن مداوم داشته باشد
کنترل دما تا جزیی ترین درجه به راحتی با سیستم ترموالکتریکی TEممکن است .
خنک کننده های ترموالکتریکیTE در محیط هایی که خیلی مهم وخیلی حساس یا بسیار کوچک قابل استفاده هستند.
عملکرد خنک کننده های TEبستگی به محل وموقعیت هندسی ندارد.
جهت تخلیه گرما در یک سیستم TE کاملا قابل برگشت است. تغیر پلاریته منبع DC باعث می شود که گرما در جهت دیگری تخلیه شود.به این ترتیب یک خنک کننده نیز میتواند ماننده یک گرما زا عمل کند.
خنک کننده های ترموالکتریکیTE در محیط هایی که خیلی مهم وخیلی حساس یا بسیار کوچک
8-5 مولد ترمو الکتریکی( شکل 6)

( شکل 6)

از طرف دیگر با استفاده از فناوری ترموالکتریکی جریان مستقیم گردشی،گرما را از بار گرمای به گرما گیرهایی که گرما را به محیط بیرون انتقال می هند حمل می کند.هر طرح سیستم ترموالکتریک به تنهایی ظرفیت منحصر به فردی برای انتقال گرما بر حسب وات یا بی تی یو بر ساعت دارد این ظرفیت می توان تحت تاثیر عوامل بسیاری قرار گیرد .مهمترین متغیر ها دماهای محدوده،و مشخصه های الکتریکی وفیزیکی طرح ترموالکتریک به کار برده شده و بازده سیستم پخش گرما هستند.از کاربرد های معمولی ترموالکتریکی پمپ بارهای گرمای در محدوده ای از چندین میلی ولت تا صدها وات می باشد.
فصل ششم
ترموالکتریک در صنعت خوردو و کاهش مصرف سوخت ترموالکتریک در صنعت خوردو و کاهش مصرف سوخت1-6 تاریخپه
دانشمندی به نام «سی بک» در سال ۱۸۲۳ دریافت اگر محل اتصال دو فلز ناهمانند دارای اختلاف دمایی باشد، افت ولتاژ ایجاد می شود. بعدها این پدیده به نام «پدیده سی بک» شناخته شد. حالت معکوس این پدیده آن است که اگر افت ولتاژی در محل اتصال این دو فلز حفظ شود، یکی از آنها گرم و دیگری سرد می شود که به آن «پدیده Peltier» می گویند. در سال های بعد دانشمندان دیگری نشان دادند وقتی قطره آبی در محل اتصال سیم های فلزی ساخته شده از آنتیموان و بیسموت ریخته و جریان الکتریسیته اعمال شود، این قطره آب یخ خواهد زد و زمانی که جریان معکوس می شود، یخ ذوب می شود. این موضوع از اصول سرمایش ترموالکتریکی به شمار می رود. علت این پدیده آن است که الکترون ها حامل انرژی گرمایی هستند و می توانند توسط اعمال ولتاژ از باتری، از انتهای سرد به انتهای گرم حرکت کنند. بر این اساس حدود دو دهه بعد موضوع ساخت یخچال های ترموالکتریکی برای خانه ها مطرح شد که در آنها از نیمه هادی ها بهره گرفته شد. بعدها این موضوع به علت محدودیت در سرمایش توسعه چندانی نیافت ولی مثلاً در خودرو برای خنک کردن نوشابه مورد استفاده قرار گرفت. امروزه با توجه به افزایش قیمت حامل های انرژی در سطح جهان، دانشمندان در پی آن هستند که با بهره گیری از مواد ترموالکتریک بتوانند حرارت های ناخواسته را به این مواد اعمال کرده و الکتریسیته تولید کنند. یکی از مشهورترین این حرارت های ناخواسته همانا حرارت خروجی از اگزوز خودرو است که گروه های زیادی از محققان سعی در بهره برداری از این حرارت دارند.
خودروی شما بین ۷۰- ۶۰ درصد از انرژی ورودی را به صورت گرما هدر می دهد. این در حالی است که با افزایش کارایی مواد ترموالکتریک می توان این شرایط را تغییر داده و این حرارت را به الکتریسیته تبدیل کرد. همان طور که می دانید در موتورهای بخار از حرارت برای تولید بخار جهت به حرکت درآوردن تجهیزات استفاده می شود. همان طور که بیان شد، در تجهیزات ترموالکتریکی نیز به طریق مشابه می توان از حرارت برای حرکت الکترون ها در مسیر مورد نیاز بهره جست. از آنجایی که در اکثر تجهیزات مکانیکی و الکتریکی حرارت غیرمفید تولید می شود، می توان با بهره گیری از مواد ترموالکتریک از این حرارت مقادیر زیادی انرژی مفید به دست آورد. مطالب فوق بدان معنی است که با قرار دادن قطعات کوچکی از مواد ترموالکتریک در سطوح گرم یا داغ(مثل اگزوز خودروها یا پروسسور کامپیوترها)، می توان انرژی تولید کرد. البته مشکل اینجا است که مواد ترموالکتریک کنونی دارای راندمان پایینی هستند. این راندمان توسط عدد ZT (ZT figure) تعریف می شود. باید گفت به رغم چندین دهه پژوهش هنوز بهترین مواد ترموالکتریک دارای عدد ZT نزدیک به یک هستند و فقط زمانی که بتوان این عدد را به حدود ۳ تا ۴ رساند، می توان این روش را با دیگر روش های تولید برق مقایسه کرد. (پیوست 1)
Combustion30% EngineVehicle Operation100%40% Exhaust Gas30%Coolant5% Friction & Radiated25%Mobility & AccessoriesGasolineGasolinegasoline
2-6 بهبود راندمان
یکی از متغیرهای عدد ZT، مقدار حرارتی است که یک قطعه مشخص از مواد ترموالکتریک می تواند در یک لحظه به برق تبدیل کند. امروز به اثبات رسیده است که می توان این خاصیت را بهبود بخشید. جوزف هرمانس و ولادیمیر یوویچ از دانشگاه ایالتی اهایو روشی را برای تغییر این خاصیت در ماده تلورید سرب(مرسوم ترین ماده ترموالکتریک) یافته اند. اساساً درون ماده تلورید سرب تعداد معدودی الکترون با امکان دارا بودن انرژی کافی برای تبدیل حرارت به الکتریسیته وجود دارد. اصطلاحاً به این انرژی، انرژی یا سطح فرمی گفته می شود. افراد فوق الذکر در آزمایش های خود دریافتند با افزودن مقادیر کمی تالیم به ترکیب تلورید سرب می توان الکترون های بیشتری را به این سطح از انرژی رساند. این موضوع به دلیل رزونانس(تشدید) مناسب بین الکترون های موجود در تالیم با ماده تلورید سرب است.شکل 1

شکل 1


آزمایش ها نشان می دهد بهترین کارایی معجون تالیم با تلورید سرب، در دمای ۵۱۰-۲۳۰ درجه سانتیگراد حاصل شده است که این معادل دمای موتور خودروها است. ضمناً در دمای ۵۱۰ درجه سانتیگراد عدد ZT به ۵/۱ می رسد.(پیوست 2)
3-6 تلفیق دو راهکار
هرمانس می گوید؛«در سال ۲۰۰۶ پروفسور ماهانتی از دانشگاه ایالتی میشیگان موفق به محاسبه رزونانس خاص بین الکترون های تالیم و الکترون های اتم تلوریم شد.» شکل 2البته اوایل این سال ژیفنگ رن و گروه همکارش از کالج بوستون در ماساچوست توانسته بودند ماده ترموالکتریکی با عدد ZT معادل ۴/۱ را از روش دیگری تولید کنند. آنها به روش فیزیکی ساختمان کریستالی تلورید بیسموت، آنتیموان را به نحوی تغییر دادند تا حرارت عبوری از این ماده کاهش یابد و بدین طریق نسبت حرارت تبدیل شده به الکتریسیته افزایش یابد که این به معنی افزایش راندمان است. در این باره رن متذکر شده است؛«پس از دستاوردهای ما در زمینه بهبود عدد ZT اکنون زمان مناسبی برای مشاهده نتایج به دست آمده توسط هرمانس ویوویچ است.» یوویچ نیز می گوید؛«نکته جالب آن است که حالا ما می توانیم دیدگاه جدید خود را با دیدگاه جدید گروه رن در هم بیامیزیم. هر چند تخمین محدوده ZT حاصل از این تلفیق کار سختی است ولی واضح است که به عدد ZT بالاتر از ۵/۱ خواهیم رسید. »

شکل 2

6-4 تئوری در مرحله اجرا
همان طور که ذکر شد، با استفاده از گازهای بدبوی خروجی از اگزوز خودروها می توان مصرف سوخت خودرو را کاهش داد. اخیراً وزارت انرژی امریکا از خودروسازان خواسته است با به خدمت گرفتن انرژی اتلافی در اگزوز خودروها، مصرف سوخت را به میزان ۱۰ درصد کاهش دهند و محققان نیز درتلاشند به این هدف تعیین شده، دست یابند. شرکت جنرال موتورز در حال رسیدن به این هدف است ولی باید اذعان کرد این شرکت در این مسیر تنها نیست و یکی از زیرمجموعه های خودروسازی BMW به همراه دانشگاه ایالتی اهایو توجه خود را روی این موضوع معطوف کرده اند. نهایتاً این موضوع به بحث «مواد ترموالکتریک» مربوط شد. نباید فراموش کرد این بحث دربرگیرنده دانشی است که طی آن سعی می شود از اختلاف دما برای تولید الکتریسیته و برق استفاده کرد و برای رشد این دانش نیز هیچ زمانی بهتر از دوره کنونی نیست که قیمت سوخت افزایش یافته است و همه از راهکارهای صرفه جویی در مصرف سوخت حمایت می کنند. شکل 4

شکل 4

—d1937

1-9-1- سینیتیک واکنش اکسیداسیون متانول در DMFC21
1-9-2- مکانیسم اکسایش متانول22
1-9-2- اکسیداسیون 2-پروپانول و پروپیلنگلیکول روی الکتروکاتالیستهای برپایه پلاتین23
1-10- اهداف پروژه29
فصل دوم مبانی نظری
2-1- مقدمه31
2-2- تکنیکهای مورد استفاده31
2-3- ولتامتری32
2-3-1- ولتامتری با روبش خطی پتانسیل32
2-3-2- ولتامتری چرخه‏ای32
2-3-3- عوامل موثر در واکنشهای الکترودی در حین ولتامتری چرخهای33
2-3-4- نحوه عمل در ولتامتری چرخهای34
2-4- نمودارهای تافل35
2-5- روش طیف‏نگاری امپدانس الکتروشیمیایی36
2-6- مشخصهیابی سطح الکترود48
2-6-1- SEM38
2-6-2- EDS39
فصل سوم: بخش تجربی
3-1- مواد شیمیایی41
3-2- دستگاه‌های مورد استفاده41
3-3- الکترودهای بهکار گرفته شده در روشهای ولتامتری44
3-4- تهیه کاتالیست پلاتین/کربن44
3-5-تهیه جوهر کاتالیست44
3-6- آمادهسازی الکترود کربنشیشه45
فصل چهارم: بحث و نتیجهگیری
4-1- کلیات47
4-2- بررسی ریختشناسی و تجزیه عنصری47
4-3- ولتامتری چرخهایPt/C در محلول قلیایی49
4-4- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر محلول بازی متانول51
4-4-1- بررسی ولتاموگرام چرخهای الکترود Pt/C/GC در محلول بازی متانول51
4-4-2- بررسی منحنی‌های EIS و کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسایش متانول53
4-5- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر محلول قلیایی 2-پروپانول56
4-5-1- بررسی ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C در اکسیداسیون 2-پروپانول56
4-5-2- بررسی منحنی‌های نایکوئیست و کرونوآمپرومتری کاتالیست Pt/C در اکسایش 2-پروپانول59
4-6- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال60
4-6-1- ولتامتری چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در محلول قلیایی 1و2-پروپان‌دی‌ال60
4-6-2-بررسی پایداری Pt/C اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال62
4-7- بررسی عملکرد کاتالیست پلاتین/کربن در اکسیداسیون سوخت‌های مختلف64
4-7-1- بررسی و مقایسه ولتاموگرام‌های چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال در محیط قلیایی65
4-7-2- مقایسه و بررسی نمودارهای ولتامتری روبش خطی Pt/C در اکسیداسیون الکلهای مختلف67
4-7-3- مقایسه و بررسی نمودارهای تافل کاتالیست Pt/C در اکسیداسیون الکل‌ها68
4-7-4- بررسی نمودارهای کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل‌های مختلف69
4-7-5- مطالعات اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی الکترود Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل‌های مختلف72
4-8-نتیجه گیری75
4-9-پیشنهادات76
4-10-منابع77
چکیده انگلیسی

فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل1-1- مقایسه تبدیلات انرژی در فرایند تولید انرژی از سوخت‌های فسیلی با روند تولید انرژی در پیل‌های سوختی3
شکل1-2- پیل سوختی اولیه ساخته شده توسط ویلیام گرو5
شکل1-3 منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای استفاده از هیدروژن6
شکل1-4- کاربردهایی از پیل سوختی در سیستم حمل و نقل دریایی، زمینی، وسایل پرتابل و مصارف نیروگاهی6
شکل1-5- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی پلیمری9
شکل-1-6- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی متانولی مستقیم12
شکل1-7- مکانیسم اکسایش متانول و انواع حدواسطهای تولیدی21
شکل1-8- مکانیسم اکسیدسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول روی الکتروکاتالیستهای فلزی24
شکل1-9- مکانیسم واکنش اکسیداسیون 2-پروپانول25
شکل1-10- مکانیسم پیشنهادی برای اکسیدسیون 1،2-پروپاندیال28
شکل1-11- شکل شماتیک مکانیسم اکسیدسیون 1و2-پروپاندیال در محیط قلیایی29
شکل2-1- مسیر کلی واکنش الکترودی34
شکل2-2- سیگنال تهییجی برای ولتامتری چرخه ای یک موج پتانسیلی با فرم مثلثی35
شکل2-3- تصویر شماتیک از نحوهی عملکردSEM 39
شکل3-1- شمای کلی دستگاه اندازه گیری الکتروشیمیایی43
شکل3-2. شمای کلی تهیه جوهر کاتالیست Pt/C45
شکل3-3- ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود کربن شیشه‌ای در 20 میلی‌لیتر محلول یک مولار متانول و یک مولار KOH در دمای اتاق با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه46
شکل4-1- طیف EDS از پلاتین/کربن. ضمیمه: دادههای تجزیه عنصری حاصل48
شکل4-2- تصاویر SEM از سطح پلاتین/کربن با بزرگ‌نماییهای متفاوت50
شکل4-3- نمودار ولتامتری چرخهای الکترود Pt/C در محلولKOH 1 مولار با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه51
شکل4-4- ولتاموگرام چرخهای کاتالیست Pt/C در محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلیولت بر ثانیه53
شکل4-5- مکانیسم کلی اکسایش متانول توسط کاتالیست Pt/C54
شکل4-6- نمودار نایکویست الکترود Pt/C/GCدر محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH در پتانسیل 4/0- ولت قبل و بعد از گرفتن CV بعد از 100 چرخه با دامنه پتانسیل 10 میلیولت55
شکل4-7- نمودار کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH 56
شکل4-8- ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی‌‌ولت بر ثانیه57
شکل4-9- ولتاموگرام‌های چرخهای کاتالیست Pt/C در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه در 100 چرخه59
شکل4-10- منحنی‌های نایکوئیست اکسیداسیون 2-پروپانول روی الکترود Pt/C/GCقبل و بعد از گرفتن CV بعد از 100 چرخه60
شکل4-11- نمودار کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH در پتانسیل 0.4- ولت64
شکل4-12- منحنی ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در الکترواکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال با سرعت روبش 50 میلی‌ولت بر ثانیه در محلول یک مولار 1و2-پروپان‌دی‌ال و یک مولار KOH62
شکل4-13- ولتاموگرام چرخهای الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 1و2-پروپان‌دی‌ال و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلیولت بر ثانیه در 100 چرخه64
شکل4-14 منحنیهای نایکوئیست اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال در پتانسیل 0.4- ولت قبل و بعد از گرفتن CV65
شکل4-15- منحنیهای کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون قلیایی 1و2-پروپان‌دی‌ال در پتانسیل 0.4- ولت65
شکل4-16- ولتاموگرام‌های چرخه‌ای مربوط به اکسیداسیون الکلها روی Pt/C در محلول 1مولار الکل و 1مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه67
شکل4-17- الف. مقایسه بین پتانسیل آغازی و ب. دانسیته جریان اکسیداسیون الکلهای مختلف روی الکترود Pt/C/GC67
شکل4-18- منحنی‌های ولتامتری روبش خطی کاتالیست Pt/C در محلول یک مولار الکل و 1 مولار KOH در دمای اتاق با سرعت روبش یک میلی ولت بر ثانیه69
شکل4-19- منحنی تافل برای محاسبه مقدار ضریب انتقال () مربوط به روبش رفت اکسیداسیون متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال با سرعت روبش 1 میلی ولت بر ثانیه70
شکل4-20- بررسی نمودار کرونوآمپرومتری کاتالیست Pt/C در اکسیداسیون الکل 1 مولار و KOH 1 مولار در پتانسیل 0.4- ولت71
شکل4-21- نمودار جریان بر حسب t-1/2 برای به‌دست آوردن ضریب نفوذ در اکسیداسیون الکل 1 مولار و KOH 1 مولار73
شکل 4-22- نمودار امپدانس الکتروشیمیایی الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون الکل‌های مختلف قبل و بعد از گرفتن CV در 100 چرخه در پتانسیل 0.4- ولت75
شکل 4-23- مدار معادل با دیاگرام‌های نایکوئیست76

فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول1-1- معایب و مزایای سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی17
جدول3-1- مشخصات مواد شیمیایی41
جدول4-1- مقایسه پارامترهای الکتروشیمیایی در اکسیداسیون بازی الکل 1 مولار + KOH 1 مولار روی کاتالیست Pt/C68
جدول 4-2- شیب‌های تافل و ضرایب انتقال الکترون به دست آمده از فعالیت الکتروکاتالیست Pt/C در محلول‌های مختلف70
جدول 4-3- دانسیته جریان نهایی (jf) و اولیه (ji) حاصل از اکسایش الکل‌های متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال توسط Pt/C و نسبت ji/jf72
فهرست علائم و اختصارات
معادل فارسی معادل انگلیسی علائم و اختصارت

MMolarمولار
SSecondثانیه
PtPlatinumپلاتین
µAMicroamper میکروآمپر
CConcentrationغلظت
jCurrent densityچگالی جریان
mv s-1 Milivolt per secondمیلیولت بر ثانیه
U Potential sweep rateسرعت روبش پتانسیل
cvCyclic Voltametryولتامتری چرخهای
SEMScsnning electron microscopyمیکروسکوپی الکترون روبشی
EDSEnergy dispersive spectroscopyطیفبینی پراکنش انرژی
nNumber of exchanged electronتعداد الکنرونهای مبادله شده
c Capacitor خازن
DMFC Direct Methonol fuel cell پیل سوختی متانولی مستقیم
DAFCSDirect Alcohol Fuel cellsپیل سوختی الکلی مستقیم

فصل اول
مقدمه

center16861000
فصل اول: مقدمهای بر پیلهای سوختی
مقدمه
امروزه در استفاده از سوخت‌های فسیلی که 80 درصد انرژی زمین را تأمین می‌کنند دو مشکل اساسی وجود دارد. اول اینکه ذخایر این سوخت‌ها محدود است و دیر یا زود تمام خواهند شد. دوم اینکه سوخت‌های فسیلی از عوامل اساسی ایجاد مشکلات زیست محیطی مثل گرم شدن کره زمین، تغییرات آب و هوایی، ذوب کوه‌های یخی، بالا آمدن سطح دریاها، باران‌های اسیدی، از بین رفتن لایه ازن و ... هستند [1].
در اوایل سال 1970 استفاده از انرژی هیدروژن برای حل مشکلات ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی پیشنهاد شد. هیدروژن یک منبع انرژی عالی با ویژگی‌های فراوان است. هیدروژن سبک‌ترین، تمیزترین و پربازده‌ترین سوخت بهحساب میآید. یکی از ویژگی‌های هیدروژن این است که طی فرآیندهای الکتروشیمیایی در پیلهای سوختی می‌تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود. قابل ذکر است بازده چنین تبدیلی در پیل سوختی بالاتر از راندمان یک موتور احتراق داخلی است که انرژی سوخت فسیلی را به انرژی مکانیکی تبدیل میکند. علاوه بر این سوخت، سوخت‌های دیگری نیز همچون الکل‌ها بهخصوص متانول و اتانول بهدلیل چگالی بالای انرژی و آسانی ذخیره‌سازی و حمل آنها نیز مورد توجه قرار گرفته‌اند.
1-2- پیل سوختی چیست؟
پیل سوختی یک وسیله الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی سوخت را بهطور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. معمولاً فرآیند تولید انرژی الکتریکی از سوخت‌های فسیلی شامل چند مرحله تبدیل انرژی است :
احتراق که انرژی شیمیایی سوخت را به گرما تبدیل میکند.
گرمای تولید شده برای به‌جوش آوردن آب و تولید بخار استفاده میشود.
بخار، توربینی را به حرکت در می آورد و در این فرآیند انرژی گرمایی به انرژی مکانیکی تبدیل میشود.
انرژی مکانیکی باعث راهاندازی یک ژنراتور و در نتیجه تولید انرژی الکتریکی میشود.
در یک پیل سوختی برای تولید انرژی الکتریکی نیازی به عمل احتراق نیست و هیچ بخش متحرکی مورد استفاده قرار نمی‌گیرد، بهعبارت دیگر بهجای سه مرحله تبدیل انرژی، در یک مرحله انرژی الکتریکی تولید می‌شود (شکل1-1).
موتور احتراق داخلی
154305201930انرژی شیمیایی
انرژی الکتریکی
انرژی مکانیکی
انرژی حرارتی
00انرژی شیمیایی
انرژی الکتریکی
انرژی مکانیکی
انرژی حرارتی

پیل سوختی
1186180120650انرژی شیمیایی
انرژی الکتریکی
00انرژی شیمیایی
انرژی الکتریکی

شکل 1-1- مقایسه تبدیلات انرژی در فرایند تولید انرژی از سوخت‌های فسیلی با روند تولید انرژی در پیل‌های سوختی.
نکته مهم دیگر که به آن می‌توان اشاره داشت این است که این پیل‌ها موتورهای الکتروشیمیایی هستند نه موتور گرمایی و بههمین دلیل تابع محدودیت سیکل کارنو نبوده و لذا بازده آنها بالا می‌باشد.
مزایای فناوری پیل سوختی عبارتند از:
آلودگی بسیار پایین و در حد صفر.
پیلهای سوختی که با هیدروژن کار میکنند آلودگی در حد صفر دارند و تنها خروجی آنها هوای اضافی و آب می‌باشد. این ویژگی نیز باعث شده پیل‌های سوختی نه تنها برای حمل و نقل مورد توجه قرار گیرند بلکه برای کاربردهای خانگی و نظامی نیز مورد استفاده قرار گیرند. اگر پیل سوختی از سوخت دیگری برای تولید هیدروژن مورد نیاز خود استفاده کند یا اگر متانول را جایگزین هیدروژن در پیل سوختی کنیم آلودگی‌هایی از جمله دیاکسید‌کربن تولید میشود، ولی مقدار این آلودگیها کمتر از آلودگیهایی است که وسایل معمول تولید انرژی بهوجود میآورند.
وابستگی کمتر به نفت.
هرچند هیدروژن به سادگی در دسترس نیست ولی میتوان آن را از الکترولیز آب یا سوختهای هیدروکربنی بهدست آورد.
عدم وجود بخشهای متحرک و طول عمر بالا.
از آنجایی که پیل سوختی هیچ بخش متحرکی ندارد از نظر تئوری در شرایط ایدهآل طول عمر یک پیل سوختی تا زمانی که سوخت به آن میرسد می‌تواند بی‌نهایت باشد.
وزن و اندازه.
پیل‌های سوختی در ظرفیتهای متفاوتی ساخته میشود (از میکرووات تا مگاوات) که باعث میشود برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گیرند.
آلودگی صوتی بسیار پایین.
راندمان بالا نسبت به فناوری‌های دیگر [2].
1-3- تاریخچه
در سال 1839 ویلیام گرو فیزیکدان و روزنامه نگار انگلیسی اصول کار پیل سوختی را کشف کرد (شکل 1-2). گرو، چهار پیل بزرگ که هر کدام دارای ظرفی محتوی هیدروژن و اکسیژن بودند را برای تولید الکتریسیته بهکار برد. الکتریسیته حاصل آب را در یک ظرف کوچک‌تر به اکسیژن و هیدروژن تبدیل می‌‌‎کرد [1].

1729740-49784000
شکل1 -2- پیل سوختی اولیه ساخته شده [1].
اما سابقه تولید پیل سوختی به سال 1889 بر میگردد که اولین پیل سوختی توسط لودویک مند و چارلز لنجر ساخته شد. در اوایل قرن بیستم تلاشهایی در جهت توسعه پیل سوختی صورت گرفت. در سال 1995 پیل سوختی قلیایی پنج کیلوواتی ساخته شد.
از سال 1960 سازمان فضایی آمریکا (ناسا) از پیلهای مزبور در سفینههای جیمینی و آپولو جهت تولید الکتریسیته و تهیه آب مورد نیاز فضانوردان استفاده کرد. در طی دهه هفتاد فنآوری پیل سوختی در وسایل خانگی و خودرو بهکار گرفته شد. اولین خودروی مجهز به پیل سوختی حدود سال 1970 توسط شرکت جنرال موتورز آمریکا ساخته شد. با سرمایهگذاری جدی وزارت انرژی آمریکا از زمان جنگ خلیج فارس و نیز سرمایه گذاری بعدی این وزارتخانه فنآوری پیل سوختی توسعه چشمگیری پیدا کرده است.
از دهه هشتاد به بعد شرکت بالارد در کانادا تحت حمایت دولت با انجام پروژه ساخت زیردریایی که در آن از پیل سوختی استفاده میشد بهعنوان پیشرو این صنعت در دنیا معرفی شد.
هواپیمای پیل سوختی ناسا در سال 2000 میلادی با نیروی محرکه دوگانه باتری خورشیدی و پیل سوختی مورد بهرهبرداری قرار گرفت که توان پرواز طولانی (شش ماه) بدون وقفه را دارد.
پیشرفت‌های بعدی همه در جهت بهینه کردن هر چه بیشتر این پیل‌ها و افزایش بازده کارآیی آنها میباشد تا این پیلها را به شکل یک محصول تجاری در دسترس تبدیل کنند [2].
1-4-کاربردهای پیل سوختی
در شکل (1-3) منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای مورد استفاده از هیدروژن و سهم هر یک به صورت شماتیک رسم شده است.
10668046990
شکل 1-3- منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای استفاده از هیدروژن [3].
همان‌طوریکه در شکل 1-4 مشخص است، می‌توان کاربردهای پیل سوختی را به سه بخش کاربرد وسایل قابل حمل، کاربرد در بخش حمل و نقل و وسایل متحرک و کاربردهای نیروگاهی تقسیم نمود.

شکل 1-4- کاربردهایی از پیل سوختی در سیستم حمل و نقل دریایی، زمینی، وسایل پرتابل و مصارف نیروگاهی [3].
1-5- انواع پیل سوختی
پیل‌های سوختی بر اساس نوع الکترولیت استفاده شده در آنها به پنج نوع اصلی زیر طبقهبندی می‌شوند [4]:
پیل سوختی پلیمری با غشاء مبادله کننده پروتون
پیل سوختی قلیایی
پیل سوختی اسیدفسفریک
پیل سوختی کربنات مذاب
پیل سوختی اکسید جامد
پیل‌های سوختی دارای دامنه دمایی از 80 درجه سانتی‌گراد برای پیل سوختی پلیمری تا بیش از 1000 درجه سانتی‌گراد برای پیل سوختی اکسید جامد می‌باشند. پیل سوختی دما پایین (پلیمری ، قلیایی، اسید فسفریک) دارای حامل‌هایH+ و یا OH- هستند و در پیل‌های سوختی دما بالا مانند کربنات مذاب و اکسید جامد، جریان الکتریکی بهترتیب از طریق یون‌ها انتقال می‌یابد.
1-5-1- پیل سوختی پلیمری با غشاء مبادله کننده پروتون
قبل از اختراع پیل سوختی پلیمری، پیل‌های سوختی مانند پیل‌های سوختی اکسید جامد تنها در شرایط خاصی مورد استفاده قرار گرفتند. چنین پیل‌هایی به مواد بسیار گرانقیمت احتیاج داشتند و بهدلیل اندازه خاصشان تنها برای کارهای ثابت بهکار برده می‌شدند. این موارد در پیل سوختی پلیمری نیز بههمین صورت بود. پیل سوختی پلیمری در اوایل دهه 1960 توسط ویلیام تماس گراب و همکاران از شرکت جنرال الکتریک ابداع شد. در ابتدا، غشاهای پلی استیرن سولفامات برای الکترولیت مورد استفاده قرار می‌گرفتند، اما در سال 1966 پلیمر نفیون جایگزین آن گردید که دارای دوام و عملکرد بهتری نسبت به پلیاستیرن سولفامات میباشد [5-6]. پیل‌های سوختی پلیمری در ناسا برای سفینههای فضایی مورد استفاده قرار می‌گرفتند اما آن‌ها در برنامههای آپولو و شاتل فضایی توسط پیل‌های سوختی آلکالین جایگزین شدند. چندین اختراع خاص مثل بارگذاری اندک کاتالیزور پلاتین و الکترود فیلم نازک، هزینه پیلهای سوختی را کاهش داده و باعث توسعه سیستمهای پیل سوختی پلیمری شد. در سال اخیر بهدلیل پیشرفت تکنولوژی و موفقیت در استفاده از پیل سوختی پلیمری در اتوبوس‌های شهری و اتومبیلهای شخصی افق‌های امیدبخشی برای گسترش روزافزون استفاده از این پیل پدیدار شده است بهطوری که می‌توان ادعا کرد پیل سوختی پلیمری، مرحله تجاری شدن خود را آغاز کرده است [7].
جزء اصلی پیل سوختی پلیمری که هادی پروتون و عایق الکترون می‌باشد، غشاء نام دارد. در دو طرف این غشاء الکترودهای متخلخل قرار دارند. گازهای واکنش دهنده از بین خلل آن گذشته و خود را به فصلمشترک الکترود و غشاء جایی که واکنش الکتروشیمیایی انجام می‌شود و لایه کاتالیزوروجود دارند، می‌رسانند. این مجموعه چند لایه شامل الکترودها، کاتالیزور‌ها و غشای بین آنها را MEA می‌نامند. در دو طرف MEA صفحات جمع‌کننده جریان قرار دارند. بهدلیل آن که این صفحات وظیفه و هدایت جریان الکتریکی تولید شده را بهعهده دارند همچنین جدا کننده کانال‌های گازی در سل‌های مجاور بوده و در یک ترکیب چند سلی اتصال دهنده فیزیکی و الکتریکی کاتد یک سل با آند دیگر می‌باشند، بهصفحات دو قطبی معروف هستند [8-9].
دمای کار پایین پیل سوختی پلیمری (حدود 80 درجه سانتی گراد) اگرچه سبب راهاندازی سریع و افزایش طول عمر پیل میشود اما نرخ فعل و انفعالات الکتروشیمیایی پیل پایین آمده و استفاده از کاتالیزور (فلز گران قیمت پلاتینیوم) ضروری میشود. واکنش‌های الکتروشیمیایی پیل سوختی پلیمری را می‌توان بهطور خلاصه بهاینصورت نوشت:
H2 → 2H+ + 2e- (1-1) 2/1O2 + 2e- + 2H+ → H2O (1-2)
از جمع دو واکنش آند و کاتد ، واکنش نهایی را می‌توان بهصورت کلی زیر نوشت :
H2 + 2/1 O2 → H2O + Heat + Electric Energy (1-3)
الکترون تولید شده در آند از مدار خارجی می‌گذرد و حین گذر انرژی خود را بهعنوان توان خروجی پیل آزاد و در طرف کاتد واکنش را تکمیل می‌کند [10].

شکل 1-5- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی پلیمری [3].
1-6- پیلهای سوختی الکلی مستقیم
پیلهای سوختی الکلی مستقیم بهدلیل مزایای ویژهای که در مقایسه با پیلهای سوختی هیدروژنی دارند بهعنوان منبع انرژی در وسایل قابل حمل بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. الکلهایی مانند متانول، اتانول، اتیلنگلیکول و گلیسرول بهدلیل چگالی انرژی حجمی بالا و همچنین به علت ذخیره و حمل بسیار راحتتر از هیدروژن، بهعنوان سوخت این پیلهای سوختی مورد استفاده قرار گرفتهاند. در این بین، متانول بیشترین استفاده را بهعنوان سوخت داشته است. پیل سوختی متانولی مستقیم معمولا در محیط اسیدی و با کاتالیزور پلاتین مورد استفاده قرار گرفته است. اما بهدلیل مشکلاتی از قبیل 1- مسمومیت کاتالیزور Pt بوسیله CO 2- اثر میانعبورمتانول 3- تخریب غشاء و خوردگی مواد کربنی 4- مسمومیت متانول، که DAFC وجود دارد، در تحقیقات گستردهای برای استفاده از الکلهای دیگر در DAFCs انجام شده است. الکلهایی با وزن مولکولی بالاتر بهدلیل حلالیت بالا درآب، سمیت کمتر، نقطه جوش بالاتر و دانستیه انرژی بالاتر مورد توجه قرار گرفتهاند. الکلهایی مانند اتانول، اتیلنگلیکول و گلیسرول بهدلیل داشتن چنین مزایایی بیشترین توجه را به خود جلب کردهاند [12-11]. الکلها به دو صورت می‌توانند در پیلهای سوختی مورد استفاده قرار بگیرند. اگر از الکلها برای تولید هیدروژن مورد استفاده در پیلهای سوختی استفاده شود چنین پیل سوختی را پیل سوختی الکلی غیرمستقیم می‌نامند و اگر از الکلها بهطور مستقیم بهعنوان سوخت در پیلهای سوختی استفاده شود، پیل سوختی را الکلی مستقیم مینامند.
1-7- سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی الکلی
برای بهبود عملکرد پیل سوختی و کمک به سلامت محیط زیست، سوخت مورد استفاده در پیلهای سوختی باید دارای شرایطی باشد: اولاً دارای ولتاژ سل بالایی باشد ثانیاً موجب کاهش انتشار CO2 و دیگر آلودگیها شود.
هیدروژن اولین سوخت مورد استفاده در پیلهای سوختی است ولی بهدلیل مشکلاتی که دارد تلاش‌های زیادی برای استفاده از سوختهای جایگزین انجام شده است. سوختهای الکلی، سوختهایی هستند که به‌عنوان جایگزین هیدروژن توجه زیادی را بهخود جلب کردهاند.
استفاده از الکلها در پیلهای سوختی الکلی مستقیم دو مزیت را بههمراه خواهد داشت اولاً اینکه این سوختها مایع هستند و مشکلات مربوط بهذخیره را بهحداقل میرسانند و ثانیاً اینکه بیشتر آنها میتوانند از زیست تودهها تولید شوند بدین معنی که احتراق آنها تاثیر زیادی در افزایش اتمسفر نخواهد داشت.
1-7-1- متانول بهعنوان سوخت
متانول یا الکل متیلیک دارای وزن مولکولی gr mol-1 04/32 و چگالی gr cm-3 796/0 میباشد. در حال حاضر قسمت عمدۀ متانول دنیا از گاز طبیعی بهدست میآید. ذخایر دیگر مانند زغال سنگ، ضایعات چوب و یا مواد آلی دیگری مانند زیست توده نیز میتوانند بهعنوان ماده اولیه جهت تولید متانول بهکار روند. متانول از چوب و زغال سنگ نیز قابل تولید است. البته تولید آن از منابع طبیعی و تجدیدشونده در مقایسه با گاز از لحاظ اقتصادی گرانتر است.
متانول بهعنوان سوخت در وسایل نقلیه نیز بهکار گرفته شده است، بهخصوص مخلوط متانول با بنزین مد نظر بوده است. متانول از یک واکنش کاتالیزوری تحت فشار بهدست میآید که در آن CO و هیدروژن در حضور یک کاتالیزور با هم ترکیب شده و متانول سنتز میشود. متانول به دو روش مستقیم و غیرمستقیم به‌منظور تأمین انرژی در پیل سوختی بهکار گرفته میشود. پیلهای سوختی چنانچه از متانول استفاده کنند از مزایای بازدهی بالا جهت تولید انرژی برخوردار خواهند بود و چنانچه در آنها از اتلاف حرارت جلوگیری شود میتوانند بازده بیش از 80 درصد داشته باشند. این موضوع استفاده از متانول را از لحاظ اقتصادی مقرون بهصرفه مینماید [13].
1-7-1-1- پیل سوختی متانول مستقیم
پیل سوختی متانولی مستقیم زیر مجموعهای از پیلهای سوختی تبادل پروتون و از خانوادۀ پیلهای سوختی پلیمری است. سوخت در این پیل سوختی متانول میباشد که مستقیماً پیل سوختی را تغذیه می‌کند. این پیل سوختی تاکنون در وسایل نقلیه، گوشیهای موبایل، دوربینهای دیجیتال و لپتاپها مورد استفاده قرار گرفته است.
متانول همراه آب در لایۀ کاتالیزوری اکسید میشود و دیاکسیدکربن، یون H+ و الکترون تولید می‌کند. یونهای H+ تولید شده در آند از غشای تبادل پروتون عبور کرده و به طرف کاتد انتقال مییابد و در آنجا با اکسیژن واکنش میدهد و تولید آب میکند. الکترون نیز از مدار خارجی از آند به کاتد جهت تولید نیرو در وسایل خارجی، منتقل میشود. نیم واکنشهای آند و کاتد در این پیل سوختی عبارتند از:
12204708953500(1-4) CO2 +6 H+ +6 e− CH3OH + H2O
125285510223500(1-5) 3H2O O2 + 6H+ + 6e−2/3
از جمع کل دو واکنش آندی و کاتدی، واکنش نهایی پیل سوختی متانولی را میتوان بهصورت زیر نوشت:
11849109461400(1-6) CH3OH + 3/2 O2 CO2 + 2H2O + Electeric Energy + Heat
در شکل (1-6) پیل سوختی متانولی و چگونگی عملکرد آن بهصورت شماتیک نشان داده شده است [5].
12592052698750
شکل 1-6- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی متانولی مستقیم.
آب در آند مصرف و در کاتد تولید میشود . با توجه به طریقۀ انتقال آب از سمت کاتد به آند، پیل سوختی متانولی به دو نوع فعال و غیرفعال تقسیم بندی میشود. در پیل سوختی متانولی غیرفعال آب از طریق انتقال غیرفعال مثل اسمز بهسمت آند منتقل میشود و در پیل سوختی متانولی فعال آب از طریق انتقال فعال مثل پمپ کردن بهسمت آند منتقل و مصرف میشود [3].
پیل سوختی متانولی مزایایی نسبت به پیل سوختی پلیمری دارد که عبارتند از:
جریان سوخت آندی مایع است و نیازی به یک سیستم جانبی برای سرد کردن و مرطوب کردن گاز نیست.
بهجهت استفاده از سوخت مایع در آند، نیازی به پمپ کردن بی مورد در مقایسه با سوخت گازی نیست.
با فراهم کردن دانسیته بالایی از سوخت مایع در فشار محیط مشکلات ناشی از نگهداری سوخت گازی از بین میرود.
متانول قابل حمل و به فراوانی در دسترس است.
اگرچه پیل سوختی متانولی نسبت به پیل سوختی پلیمری دارای مزایایی است، با این وجود جهت تجاری سازی با محدودیتهایی مواجه است که مهمترین آنها عبارتند از:
پیل سوختی متانولی غیرفعال به مدیریت آب نیاز دارد زیرا لازم است یک اختلاف فشار هیدرولیکی بین آند و کاتد وجود داشته باشد تا به هدایت آب از سمت کاتد به آند منجر شود. در این صورت برای رسیدن به عملکرد مناسب این نوع از پیلهای سوختی لازم است از جریان شدید آب به سمت آند جلوگیری شود.
میانعبور متانول بهخاطر غلظت بالای متانول در طرف آندی، از سمت آند به کاتد از میان غشاء وجود دارد. در این هنگام اکسایش متانول در سمت کاتد منجر به ایجاد پتانسیل مخلوط میشود که ولتاژ مدار باز (OCV) پیل سوختی متانولی را از مقدار تئوری 02/1 ولت به 8/0 -7/0 ولت کاهش میدهد.
سینتیک واکنش آندی به خاطر واکنش اکسایش پیچیده متانول در آند ذاتاً از سرعت کمی برخوردار است که لازم است در مقایسه با پیل سوختی پلیمری مقدار فلز گران قیمت بیشتری استفاده شود.
جریان مخالفی از حبابهای دیاکسیدکربن (CO2) که در سطح آند تولید میشود در منطقه نفوذ با جریان سوخت مایع متانول درگیر می‌شود و دسترسی مولکولهای متانول به لایه کاتالیزور را محدود میکند.
متانول تا حدودی سمی است و نسبت به بنزین آسانتر به داخل زمین نفوذ میکند، آتش گیری بالایی دارد و قابل امتزاج با آب است، لذا آلودگی مخازن آب بهراحتی میتواند صورت گیرد [3].
موضوع مهم دیگر درDMFC، میانعبور متانول از آند بهسمت کاتد از طریق کشش الکترواسمزی و نفوذ است.
میانعبور متانول از آند به کاتد منجر به اثرات محدود کننده ای در عملکرد پیل سوختی به شرح زیر میشود [14] :
اکسایش متانول در این منطقه دو کاتالیزور را مسموم میکند و پتانسیلی مخلوط در کاتد ایجاد می شود، اکسیژن را هدر میدهد و مقدار فراوانیOCV را کاهش میدهد و تأثیرات سوء پیش آمده شدیدتر از تأثیرات مشابه در میانعبور هیدروژن در سیستم هایH2PEFC است. OCV نوعیDMFC مشخصاً پایین تر از 8/0 ولتاست.
نشت بی مورد: میانعبور سوخت از غشاء بدون ایجاد و تولید جریان منجر به کارآیی پایین می شود.
بهمنظور جلوگیری ازمیانعبور متانول چندین رویه مورد استفاده قرار می گیرد:
استفاده از محلولهای رقیق متانول: استفاده از محلول متانول با مولاریته پایین (5/0 – 2/0 مولار) با کاهش غلظت متانول در آند، میانعبور را کاهش می دهد. بههر حال، این رویه به ناچار منجر به استفاده از تانک های نگه داری بزرگ سوخت میشود و پمپ آب بیشتری را میطلبد.
استفاده از الکترولیت ضخیمتر: الکترولیت ضخیمتر میتواند میانعبور را محدود کند و همینطور عملکرد پیل را از طریق افزایش افت اهمی از میان الکترولیت کاهش میدهد.
یک مانع نفوذ روی آند: یک مانع نفوذ، جایگزینی برای الکترولیت ضخیم تر است که محدودیت نفوذ را در منطقه ای انتقال یونی تحت تأثیر قرار نگیرد، قرار می دهد. یک مانع نفود منجر به یک گرادیان غلظت تند از محیط نفوذ تا مانع می شود بهطوریکه غلظت متانول در لایه کاتالیست کم شده و میانعبور را کاهش میدهد [14].
1-7-2- 2- پروپانول
2-پروپانول یا ایزوپروپیل الکل یک الکل نوع دوم می‌باشد که کربنی که حامل گروه –OH است، خود به دو کربن دیگر متصل است. فرمول شیمیایی این الکل CH3CHOHCH3 می‌باشد. این ماده یک ترکیب شیمیایی قابل اشتعال و بدون رنگ با بوی قوی است. ایزوپروپیل الکل درآب، الکل، اتر وکلروفرم قابل حل است. این الکل می‌تواند به استون اکسید ‌شود. این را می‌توان با استفاده از یک عامل اکسید کننده مانند اسیدکرومیک، ویا با هیدروژنزدایی ایزوپروپیل الکل بهدست آورد.
از ایزوپروپیل الکل بهعنوان حلال برای فرآیندهای صنعتی همچنین بهعنوان یک افزودنی به بنزین استفاده میشود. ایزوپروپیل الکل بهویژه برای کاربردهای دارویی، با توجه به سمیت کم مورد استفاده قرار می‌گیرد. گاهی از ایزوپروپیل الکل بهعنوان یک واسطه شیمیایی استفاده میشود. از عمده موارد کاربرد دیگر این الکل در صنعت چاپ میباشد زیرا الکلهای مشابه نظیر 2-پروپانول دمای آب را در دستگاههای چاپ بسیار پائین نگاه داشته و قابلیت تبخیر پائینی دارد. از این الکل به مقدار بسیار کم برای استفاده خانگی و در محصولات مراقبت شخصی استفاده می‌شود.
1-7-2-1- پیل سوختی 2-پروپانولی مستقیم
از 2-پروپانول به‌دلیل سمیت کمتر و عدم عبور از غشاء پیل سوختی می‌توان به‌عنوان سوخت استفاده کرد. اگر از 2-پروپانول به‌طور مستقیم در آند پیل سوختی استفاده شود به این پیل سوختی، پیل سوختی 2-پروپانولی مستقیم می‌گویند. بررسیهایی که روی عملکرد این پیل در غلظتهای مختلف الکل، درجه حرارت سل و شرایط مختلف با اکسیدان اکسیژن انجام شده است نشان میدهد که این پیل در محیط اسیدی عملکرد بالاتری از پیل سوختی متانولی مستقیم، مخصوصا در چگالی جریان کمتر از حدود 200 میلی آمپر بر سانتی متر مربع را دارد. 2-پروپانول میتواند ولتاژ مدار باز بیشتر، میانعبور کمتر و بازده بالاتری نسبت به متانول داشته باشد، بههمین جهت میتوان از 2-پروپانول بهعنوان سوخت پیل سوختی الکلی مستقیم استفاده کرد. اما یکی از مشکلات 2-پروپانول بهعنوان سوخت، مسمومیت کاتالیزور آندی مورد استفاده میباشد. واکنش کلی اکسایش 2-پروپانول بهصورت زیر است [15]:
CH3CHOHCH3 + 18 OH− → 3CO2 + 13 H2O + 18 e− (7-1)
1-7-3- پروپیلنگلیکول
پروپیلنگلیکول یا 1و2-پروپان‌دی‌ال با فرمول شیمیایی C3H8O2 یک مایع بیرنگ و جاذب رطوبت است. پروپیلنگلیکول صنعتی، ازپروپیلناکسید تولید میشود. همچنین پروپیلنگلیکول میتواند ازگلیسرول، که یک محصول جانبی بیودیزل است نیز تولید شود. پروپیلنگلیکول الکلی ویسکوز، با فراریت پایین، غیرخورنده و بر خلاف اتیلنگلیکول سمیت پایینی دارد. این الکل بهدلیل بو و طعم و مزه معمولا برای استفادههای صنعتی مورد توجه قرار گرفته است. 45٪ از پروپیلنگلیکول تولید شده بهعنوان مواد خام شیمیایی برای تولید رزینهای پلیاستر غیراشباع مصرف میشود. در این راستا، پروپیلنگلیکول با مخلوطی از انیدریدمالئیک غیراشباع و ایزوفتالیکاسید برای تشکیل یک کوپلیمر واکنش میدهد. پروپیلنگلیکول به‌عنوان مادهای ایمن برای استفاده در موادغذایی توسط سازمان غذا و داروی ایالات متحده شناخته شده، وآن را بهعنوان حلال و نگهدارنده در مواد غذایی، در محصولات توتون و تنباکو (سیگارهای الکتریکی) و به‌عنوان حلال در بسیاری ازمواد دارویی، و فرمولاسیونهای خوراکی استفاده میشود. این الکل مانند اتیلن‌گلیکول، قادر به کاهش نقطه انجماد آب است، بههمین دلیل از آن بهعنوان ضدیخ در هواپیما و اتومبیل استفاده میشود.
1-7-3-1- پیل سوختی 1و2-پروپاندیال مستقیم
پیل سوختی 1و2-پروپاندیال مستقیم نیز، زیر مجموعهای از پیلهای سوختی تبادل پروتون می‌باشد که در آن 1و2-پروپاندیال مستقیماً به پیل سوختی خورانده میشود. پروپیلنگلیکول مایع در آند، اکسید شده و تولید CO2، الکترون و آب مینماید. در کاتد نیز اکسیژن هوا و الکترون واکنش میدهند. واکنشهای انجام شده در این پیل به شرح ذیل میباشد:
290703011556900واکنش آندی C3H8O2 + 16OH- 3CO2 + 12 H2O + 16e- (1-8)
284988011556900واکنش کاتدی1/2O2 + H2O + 2e- 2OH - (1-9)
یکی از مزیتهای اصلی استفاده از پروپیلنگلیکول بهعنوان سوخت این است که سینتیک واکنش آندی آن در محیط قلیایی سریعتر از متانول است ولی مطالعات کمی در زمینه اکسیداسیون آن روی فلزاتی مانند پلاتین انجام شده است. معایب و مزایای سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی در جدول 1-1 ذکر شده است.
جدول 1-1- معایب و مزایای سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی.
سوخت مزایا معایب
هیدروژن پاک (تنها محصول جانبی آب است)، واکنش آندی سریع مشکلات ذخیره (چگالی پایین و نشت گاز)، امنیت پائین هیدوژن
متانول ارزان، مایع، تولید از زیست توده واکنش آندی کند، اشتعال پذیر، سمیت و میانعبور متانول
2-پروپانول سمیت کمتر نسبت به متانول و عدم عبور از غشاء پیل سوختی واکنش آندی کند در محیط قلیایی، تولید از منابع تجدیدناپذیر
1و2- پروپاندیال سمیت کم، فراریت کم، غیرخورنده، سنتیک واکنش آندی در محیط قلیایی سریعتر از متانول واکنش آندی کند در مقایسه با پیل سوختی هیدروژنی
1-8-کاتالیزور مورد استفاده در آند پیلهای سوخت
در پیل سوختی هیدروژنی و الکلی، و اکنشگرها باید روی سطح آند بهترتیب، فرآیندهای جذب، واکنش سطح و واجذب را انجام دهند. برای انجام این فرآیندها انتخاب یک کاتالیزور مناسب که از طرفی سینتیک واکنش را بهبود ببخشد و از طرف دیگر مسمومیتها روی آن اثر کمتری داشته باشند ضروری بهنظر می‌رسد.
پلاتین و آلیاژهای آن معمولاً بهعنوان آند در پیل سوختی مورد استفاده قرار میگیرند. در پیلهای سوختی متانولی، مسموم کنندههایی مانند CO روی سایتهای فعال پلاتین جذب میشوند و روند انجام واکنش را مختل میکنند. CO جذب شده روی سطح کاتالیزور را میتوان با افزایش پتانسیل آند به CO2 اکسید کرد اما انجام این واکنش موجب کاهش بازده خواهد شد و عملی نیست [16].
در DAFCs نیز مانند پیل سوختی متانولی، CO یکی از حدواسطهای تولید شده میباشد و موجب بروز مشکلات مشابهی روی سطح الکتروکاتالیزورهای پلاتین میشود. از اینرو توسعه الکتروکاتالیزورهایی که در برابر مسمومیت و مزاحمتهای CO مقاوم باشند یک فاکتور مهم و اساسی برای بهبود عملکرد پیلهای سوختی محسوب میشود.
1-8-1- بهبود کاتالیزور پلاتین با استفاده از بسترهای مختلف
بهمنظور بهبود بخشیدن ظرفیت انتقال پروتون در یک واکنش الکتروکاتالیزوری، در طول تهیه جوهر کاتالیزور، محلول نفیون به جوهر کاتالیزور اضافه میشود. مقدار مناسب نفیون در این جوهر در حدود 10% تا 30% است. اضافه کردن نفیون میتواند ظرفیت انتقال پروتون را بهبود ببخشد، ولی این روش ناخواسته تعداد زیادی از سایتهای فعال کاتالیزور را میپوشاند. اصلاح کردن بستر کربن روش مفیدی جهت بهبود بهره‌برداری از کاتالیزورهای فلزی گرانقیمت نظیر پلاتین است. این روش نه تنها ظرفیت انتقال پروتون را افزایش میدهد بلکه مقدار نفیون گرانقیمت را کاهش میدهد که میتواند هزینهی پیل سوختی را کاهش دهد [17].
برای دستیابی به پراکندگی خوب، بهرهبرداری بالا و نانوذرات فلزی پایدار، استراتژیهای بستر کاتالیزور مورد ارزیابی قرار گرفتند. در مقایسه با کاتالیزورهای فلزی بدون بستر، کاتالیزورهای بستر شده پایداری و فعالیت بالایی را از خود نشان میدهند. در بیشتر موارد ذرات کربن بهدلیل پایداری نسبی در دو محیط اسیدی و بازی، هدایت الکتریکی خوب و مساحت سطح ویژه بالا بهعنوان بسترهای کاتالیزور استفاده می‌شوند. ماده کربن تأثیر بهسزایی بر روی خصوصیات کاتالیزورهای فلزی نجیب بستر شده دارد. این تأثیرات عبارتند از:
1-اندازه ذرات فلزی
2-مورفولوژی
3-توزیع اندازه ذرات
4-درجه آلیاژ شدن
5-پایداری و پراکندگی ذرات.
از طرف دیگر بسترهای کربن همچنین میتوانند بر روی عملکرد کاتالیزورهای بستر شده در پیلهای سوختی نیز تأثیرگذار باشند. این تأثیرات عبارتند از:
1-انتقال جرم و هدایت الکترونی لایه کاتالیزور
2-داشتن سطح فعال الکتروشیمیایی
3-پایداری نانوذرات فلزی در طول کارکرد پیل سوختی.
از این رو بهینهسازی بسترهای کربنی در توسعه و پیشرفت پیلهای سوختی متانولی مستقیم خیلی مهم است. خصوصیات مناسب یک بستر کربن از قبیل مساحت سطح ویژه، تخلخل، مورفولوژی، هدایت الکترونی، مقاومت در برابر خوردگی و غیره باید بهمنظور ساختن یک کاتالیزور فعال و با توجه به چگونگی بهکارگیری آن کاتالیزور انتخاب شده باشند. خصوصیات مواد بستر کربن تأثیر بهسزایی روی مراحل آماده سازی و عملکرد کاتالیزورهای بستر شده سنتزی دارد. سرچشمه تأثیرات فیزیکی و شیمیایی این بسترها هنوز بهطور کامل مشخص نیست [17].
1-8-1-1- کربنبلک
بستر مورد استفاده در این پایاننامه کربنبلک می‌باشد. لذا این پایه کاتالیزور را بیشتر تحت بررسی قرار می‌دهیم. کربنبلکها بهطور رایج بهعنوان بستر برای کاتالیزورهای آند پیل سوختی متانولی مستقیم به‌کار میروند. تعداد زیادی از کربنبلکها از قبیل استیلنبلک، ولکان XC-72، و غیره وجود دارند که همه اینها معمولاً بهوسیله حرارت دادن هیدروکربنها از قبیل گاز طبیعی یا قسمتهایی از نفت که در فرآیند پتروشیمی از نفت خام گرفته میشود، ساخته میشوند.
اصطلاح کربنبلک به خانواده مهم کربنهای صنعتی که در اصل در لاستیک و جوهرسیاه کاربرد دارند اطلاق می‌شود. کربن‌بلک‌ها از ذرات کروی با ابعاد کلوئیدی تشکیل شده‌اند و ساختمان شبهگرافیتی دارند بههمین دلایل با کربن‌های تجاری مانند کک‌ها و ذغال‌ها تفاوت دارند. کربن‌بلک بهصورت تجاری در اندازه ذرات 100 تا 4000 آنگستروم تولید می‌شود. کربن‌بلک‌ها از طریق احتراق ناقص یا تجزیه حرارتی هیدروکربن‌های مایع یا گازی تولید می‌شوند.
کربن‌بلک‌ها صرفنظر از روش تولید و اینکه چه ماده خامی در تولید آن‌ها بهکار رفته باشد دارای خواص مشابهی هستند. سطح ویژه کربنبلک‌ها بهراحتی از روش جذب قابل اندازه‌گیری است. این روش به وسیله برونرو ایمیت توسعه پیدا کرد. ذرات کربنبلک متخلخل هستند و قطر حفره این کربن‌ها بین 20 تا 30 آنگستروم تخمین زده شده است.
آرایش اتم‌های کربن در داخل ذرات کربن‌بلک مطالعه شده است. ساختار کریستالی کربن‌بلک‌ها را می‌توان بهصورت گرافیتی که بهطور نه چندان موازی روی هم انباشته شده است توصیف کرد. در گرافیت فضای بین لایه‌ای 7/6 آنگستروم است ولی درکربن‌بلک بزرگتر از آن است و در حدود 7 آنگستروم است.
یک خاصیت مهم فیزیکی دیگر کربنبلک ساختار زنجیری آنها است. بعضی از کربن‌بلک‌ها مانند دوده چراغ و استیلن‌بلک‌ها ساختار زنجیری کاملتری دارند و بعضی مانند بلک‌های حرارتی ساختارپذیری کمتری دارند [18]. کربن‌بلک‌ها از نظر هدایت الکتریکی نیز بسیار متغیرند. دوده کربنبلک و استیلنبلک از میان بلک‌ها هدایت بسیار بالایی دارند.
1-9- مطالعه اکسیداسیون الکلها روی الکتروکاتالیزورهای بر پایه پلاتین
مسلماً داشتن مکانیسم اکسیداسیون الکلها در محیط قلیایی پیش نیازی ضروری برای طراحی و توسعه غشاهای تجمع الکترود (MEAs) مؤثر برای DAFCs میباشد. اعتقاد بر این است که اکسایش الکلها از 2 مسیر کلی انجام میشود. یک مسیر شامل تشکیل حدواسط COads و مسیر دیگر جایی است که شکستن پیوند کربن ـ کربن اتفاق نمیافتد. در ادامه مکانیسم اکسیداسیون الکلهای مختلف برای کاتالیزورهای برپایه پلاتین مورد بررسی قرار خواهد گرفت [19].
1-9-1- سینتیک واکنش اکسیداسیون متانول در DMFC
واکنش اکسایش آندی متانول شامل مسیر پیچیده‌ی حاوی حدواسط‌های گوناگون است. طرح کلی واکنش‌های حدواسط‌های پیشنهادی برای اکسایش متانول در شکل زیر آورده شده است[9]:

شکل 1-7- مکانیسم اکسایش متانول و انواع حدواسطهای تولیدی [9].
اکسایش متانول در یک مرحله انجام نمی‌شود. اعتقاد بر این است که اکسایش متانول از دو مسیر کلی انجام می‌شود. مسیری که بیشتر ترجیح داده می‌شود، مسیری است که در آن فرمالدئید (CH2O) تولید می‌‌شود که سرانجام منجر به تشکیل اسیدفرمیک (CH2O2) و دیاکسیدکربن می‌شود. مسیر غیرترجیهی، از جهتی پیش می‌رود که در آن فرمالدئید تولید می‌شود اما این‌بار این ترکیب تبدیل به مونواکسیدکربن می‌‌شود و در نهایت دی‌اکسیدکربن تولید میگردد. در هر دو مسیر ترجیهی و غیرترجیهی، اکسایش منجر به تولید 6 الکترون و 6 پروتون می‌شود. مسیری که در آن اکسایش CO وجود دارد، ترجیح داده نمی‌شود چرا که CO یک مسموم‌کننده رایج کاتالیست‌های پلاتین است. نوعاً یک کاتالیست متفاوت مانند پلاتین- روتنیم مورد استفاده قرار می‌گیرد زیرا که حذف اکسایشی CO در ولتاژهای پایین‌تر را میسر می‌سازد و لذا میزان مسموم سازی در مسیر غیرترجیهی را کاهش میدهد.
تحقیقات فراوانی با هدف کاهش مقدار فلزات گران قیمت در DMFC وکاهش میزان فعال‌سازی پلاریزاسیون آندی انجام گرفته است که به موفقیت‌های چندانی رسیده‌اند. حتی با گزینش کاتالیزور جدید، واکنش آندی عموماً نیازمند مقدار بالایی فلز گران قیمت، تقریباً 10 برابر پیل سوختی هیدروژن است. نوعاً حدود 2-4 میلی‌گرم بر سانتیمترمربع کاتالیست برای آند و کاتد موردنیاز است (2/0 میلی‌گرم بر سانتیمترمربع کاتالیزور برای پیلسوختی هیدروژنی لازم است). الکترود کاتد معمولاً بهمقدار کاتالیزور بیشتری برای مقاومت در برابر اکسایش متانول گذرکرده نیاز دارد.
نکته آخر اینکه سینتیک آندی DMFC در مقایسه با اکسایش H2 کند است و بهمحتوای کاتالیزوری بالایی نیاز دارد که این امر ممکن است DMFC را فقط برای کاربردهای قابل حمل محدود سازد.
1-9-2- مکانیسم اکسایش متانول
کندی و حامنت گزارش داده‌اند که متانول در حین اکسایش تحت جذب سطحی تخریبی قرار می‌‌گیرد. متانول روی سطح پلاتین ابتدا جذب سطحی می‌شود و سپس دهیدروژناسیون گونه‌های جذب سطحی شده اتفاق میافتد که طی چند مرحله در پتانسیل‌های پایین‌تر انجام می‌شود. اتم‌های هیدروژن جذب سطحی شده میتوانند سریعاً از سطح پلاتین حذف شوند. فرآیند تخریبی که منجر به تشکیل یک سری از حدواسط‌های کربوکسیلی جذب سطحی می‌شوند مثل (x = 1-3) ads(CHxO) با تشکیل گونه CO با جذب سطحی قوی شونده همراه است که مهمترین عامل مسمومیت الکترود هستند. گونه CO جذب سطحی شده با گونه های حاوی اکسیژن جذب سطحی شده مجاور مثلاٌ OHads یا H2O در محلول واکنش داده تا به CO2 محصول نهایی تبدیل شود که توسط آنالیزهای HPLC تأیید شده است. بنابراین مولکول‌های متانول، گونه‌های جذبسطحی شونده حاصل از تخریب و گونه‌های اکسیژن‌دار می‌توانند بهآسانی جذب سطحی یک کاتالیزور مناسب برای اکسایش متانول شوند. با توجه به شواهد جمعآوری شده از نوشتهها و مقالات و نتایج آزمایشات، سه نتیجهگیری میتوان انجام داد [20]:
جذب سطحی متانول مرحله تعیینکننده سرعت در واکنش اکسایش کلی متانول است.
اکسایش متانل شامل یک فرایند چند مرحله‌ای از جذب سطحی- تخریب است.
واکنش اکسایش از درجه اول نسبت به متانول است بنابراین مکانیسم واکنش متانول بهصورت زیر ارائه میشود [15]:
Pt + CH3OH → Pt – (CH3OH)ads (1-10)
Pt – (CH3OH)ads +Pt → Pt – (CH2OH)ads +Pt - Hads (1-11)
Pt - (CH2OH)ads + Pt → Pt - (CHOH)ads +Pt - Hads (1-12)
Pt - (CHOH)ads + Pt → Pt – (COH)ads + Pt – Hads (1-13)
Pt – (COH)ads +Pt → Pt – (CO)ads +Pt – Hads (1-14)
Pt - Hads → H+ +Pt + e- (1-15)
Pt +H2O →Pt – (OH)ads + Pt –Hads (1-16)
Pt – (CO)ads + Pt – (OH)ads → CO2 + H+ + e + 2Pt (1-17)
و واکنش کلی:
CH3OH + H2O→CO2 + 6H+ + 6e- (1-18)
1-9-2- اکسیداسیون 2-پروپانول و پروپیلنگلیکول روی الکتروکاتالیزورهای برپایه پلاتین
یکی از خصوصیات الکلهایی مانند اتانول و گلیسرول این است که روی Pt و آلیاژهای آن بهسختی اکسید میشوند بهویژه آنکه هیچ کاتالیزوری آندی بر پایه پلاتین، دانستیه انرژی قابل قبول را در پیلسوختی گلیسرولی مستقیم و پیلسوختی اتانولی مستقیم نشان نداده است. اکسیداسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول نسبت به اتانول بهدلیل حضور دو یا سه گروه هیدروکسیل پیچیدهتر میباشد. شکل 1-8 فرم عمومی پیشنهاد شده برای اکسیداسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول روی الکتروکاتالیزورهای پلاتین را نشان میدهد. اکسیداسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول موجب تشکیل مقدار قابل توجهی کربنات میشود و از اینرو اکسالات روی سطح الکترود Pt بهکندی اکسید میشود و CO2 نیز عموماً یک محصول فرعی هم برای اکسیداسیون گلیکولات (a) و هم برای تارترونات (b) محسوب میشود [23-21]. از طرفی اکسیداسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول بر خلاف اکسیداسیون هیدروژن شامل مراحل زیاد و تشکیل حدواسطهای فراوانی است که ممکن است سایتهایفعال روی سطح فلز را اشغال کنند. ثانیاً اکسیداسیون جزئی محصولات منجر به بازدهی پایین پیلسوختی خواهد شد هم چنین حدواسطهای تولید شده مانند CO موجب مسمومیت و غیر‌فعال‌شدن کاتالیزور میشوند [22].

شکل 1-8- مکانیسم اکسیدسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول روی الکتروکاتالیزورهای فلزی [21].
بر همین اساس استفاده از سوختهای جایگزین در آند DAFC هنوز هم مورد توجه پژوهشگران قرار دارد. خصوصیتی که این سوختها باید داشته باشند این است که چگالی انرژی حجمی و ولتاژ سل بالایی داشته باشند از طرفی حدواسطهای تولیدشده در اکسیداسیون آنها موجب مسمومیت کاتالیزور آندی نشوند.
پژوهشهای اولیه انجام شده روی الکلهای نوع اول و نوع دوم نشان داد که واکنش اکسایش 1-پروپانول و 2-پروپانول منجر به تشکیل ترکیبات کربونیل مربوطه میشود. همچنین آزمایشات انجام شده برای مقایسه واکنشپذیری 1-پروپانول و 2-پروپانول روی الکتروکاتالیزور Au/SiO2 مشخص کرد که فعالیت 2-پروپانول در دماهای پایین بیشتر از 1-پروپانول است [24]. علاوه بر طلا، پلاتین نیز میتواند بهعنوان کاتالیزور برای اکسیداسیون الکلهای ایزومری مورد استفاده قرار گیرد. از اینرو Pt/C 5% برای اکسایش 2-پروپانول در دمای محیط مورد استفاده قرار گرفت نتایج نشان داد که در فرایند اکسیداسیون 2-پروپانول، محصولات استون، پروپیونیکآلدئید و اسیدپروپیونیک تشکیل میشوند [25]. کاتالیزور پلاتین با بستر نانوذرات سیلیکا نیز میتواند برای اکسایش 2-پروپانول مورد استفاده قرار بگیرد [26]. پژوهشهای دیگر مشخص کرد که کاتالیزور Au/CeO2 نیز فرآیند الکترواکسایش 2-پروپانول را با بازدهی بیشتری نسبت به CeO2 انجام می‌دهد ولی کارایی این کاتالیزور کمتر ازPt/C تجاری است [27-28].
شکل 1-9 مکانیسم اکسایش 2-پروپانول را نشان میدهد. در این مکانیسم که شامل چند مرحله است ابتدا هیدروژن گروه هیدروکسیل جدا میشود و در ادامه فرآیند اکسایش بهوسیلهی دو واکنش موازی: (1) تشکیل پروپن و (2) هیدروژنزدایی و تشکیل استون دنبال میشود. در نهایت این ترکیبات به CO2 و H2O تجزیه میشوند [29].

شکل 1-9- مکانیسم واکنش اکسیداسیون 2-پروپانول [29].
در سال 2002 ژیگانگ و همکارانش عملکرد پیلسوختی 2-پروپانولی مستقیم را ارزیابی کردند. نتایج نشان داد که 2-پروپانول عملکرد خیلی بهتری در مقایسه با پیلسوختی متانولی مستقیم دارد. این سوخت، ولتاژ مدار باز بسیار بالاتر و جریان میانعبور بسیار پایینتر نسبت به متانول نشان میدهد. آزمایشات مشخص کرد که اگر در پیلسوختی از 2- پروپانول بهعنوان سوخت استفاده شود، میتواند چگالی انرژی الکتروشیمیایی 5/1 برابر بیشتری نسبت به پیلسوختی متانولی داشته باشد. با این حال، حدواسطهای تولید شده در اکسیداسیون 2-پروپانول موجب مسمومیت شدیدتر آند میشود [30].
در سال 2006 اقای برجنز و همکارانش الکترواکسیداسیون 2-پروپانول را روی الکترود پلاتین در محیط‌های قلیایی بررسی کردند. نتایج مشخص کرد میزان حداکثر جریان با افزایش غلظت 2-پروپانول یا هیدروکسید افزایش می یابد، همچنین افزایش غلظت هیدروکسید باعث جابجایی پتانسیل به مقادیر منفیتر میشود. الکترواکسیداسیون پتانسل آغازی استون بالاتر از الکترواکسیداسیون 2-پروپانول میباشد و این امر بهدلیل جذب بالای حدواسطها در اکسیداسیون 2-پروپانول میباشد [31].
در سال 2007 اقای چانگ وی زو و همکارانش فعالیت پالادیم و طلا برای اکسیداسیون 2-پروپانول مورد بررسی قرار دادند. الکترود پالادیم چگالی جریان بهتر، فعالیت بالاتر و پتانسیل آغازی منفیتری برای اکسیداسیون 2-پروپانول نسبت به کاتالیزورهای پلاتین در محیط قلیایی نشان داد. نتایج ولتامتری چرخهای نشان داد که افزودن Au منجر به نتایج امیدبخشی در اکسیداسیون 2- پروپانول میشود و پتانسیل آغازی را در اکسیداسیون 2ـ پروپانول نسبت به اکسیداسیون متانول 120 میلیولت جابجا مینماید [32] .
در سال 2008 متیو و همکارانش الکترواکسیداسیون 2- پروپانول و استون را روی الکتروکاتالیزور Pt و Pt-Ru در الکترولیت قلیایی با روشهای ولتامتری چرخهای و کرونوآمپرومتری مورد بررسی قرار دادند. نتایج حاصل از ولتامتری چرخهای نشان داد که مقدار پتانسیل آغازی برای Pt/C مقدار مثبتتری نسبت به Pt-Ru/C است که این امر به سینتیک کند کاتالیزور Pt/C در مقایسه با کاتالیزور Pt-Ru/C نسبت داده شد. بررسی نتایج کرونوآمپرومتری نشان داد که کاتالیزور حاوی Ru فعالیت بسیار بالایی در کاهش استون در پتانسیلهای پایینتر نشان میدهد [33].
در سال 2008 تانگ و همکارانش الکترواکسیداسیون متانول، 1-پروپانول و 2-پروپانول را روی پلاتین و پالادیم در محیط قلیایی بررسی کردند. نتایج اولیه این مطالعه نشان داد که Pd الکتروکاتالیزور مناسبی برای اکسیداسیون 1-پروپانول و 2-پروپانول است. و فعالیت اکسیداسیون 1-پروپانول و 2-پروپانول روی الکترود Pt در محیط قلیایی کم است ولی فعالیت اکسیداسیون این الکلها در سطح الکترود Pd به این صورت است:
متانول < 1-پروپانول < 2-پروپانول
نتایج نشان داد که چگالیجریان مربوط به اکسیداسیون 1-پروپانول و 2-پروپانول روی الکترود Pd خیلی بالاتر از الکترود Pt است. پتانسیل شروع اکسیداسیون 2-پروپانول در الکترود Pd منفیتر از الکترود Pt بوده و در نتیجه Pd میتواند جایگزین مناسبی برای Pt دراکسیداسیون 1-پروپانول و 2-پروپانول در محیط قلیایی باشد[34].
در سال 2011، مارگارتا و همکارانش اکسیداسیون الکتروکاتالیتیکی 2،1 پروپاندیال را با استفاده از الکترود نانومتخلخل و مسطح پلاتین در محیط قلیایی بررسی کردند. ولتامتری چرخهای نشان داد که الکترود نانومتخلخل پلاتین چگالی جریان بالاتری نسبت به الکترود مسطح پلاتین نشان میدهد. نویسنده دلیل این امر را مورفولوژی و ساختار هندسی الکترود نانومتخلخل پلاتین میداند. همچنین مطالعه ساختار الکترودها نشان داد چگونگی اتصال حدواسطهای تولید شده به الکترود Pt به مورفولوژی الکترود پلاتین بستگی دارد[35].
در سال 2012 مونیچاندرایه و همکارش اکسیداسیون 1،2پروپاندیال روی الکتروکاتالیزور Pd ترسیب شده روی پلی 3،4-اتیلن دی اکسی تیوفن (PEDOT) را بررسی کردند. آزمایشات نشان داد که فعالیت الکتروکاتالیزور Pd-PEDOT/C در الکترواکسیداسیون1،2پروپاندیال بیشتراز الکترود Pd و Pd/C میباشد. افزایش سطح و همچنین افزایش سایتهای فعال پالادیم موجب شد که Pd-PEDOT/C فعالیت الکتروشیمیایی بسیار بالاتری نسبت به پالادیم نشان دهد. نتایج ولتامتری چرخهای مشخص کرد که چگالی جریان با افزایش غلظت 2،1پروپاندیال و همچنین NaOH در الکترولیت افزایش مییابد. مطالعات آمپرومتری اثبات کرد که الکترود Pd-PEDOT/C پایداری و ثبات بسیار بیشتری در مقایسه با الکترود Pd/C دراکسیداسیون 2،1پروپاندیال دارد [36].
در سال 2013 ویل مدلین و همکارانش اکسیداسیون انتخابی اتیلنگلیکول و 2،1پروپاندیال را بر روی طلا و پالادیم و کاتالیزور دوفلزی Au/Pdتهیه شده بهوسیله ترسیب الکترودی مورد بررسی قرار دارند. بررسیها با استفاده از معرف انتخابی رقیق شده نشان داد که برای اتیلنگلیکول شکستن پیوند C-H مرحله تعیینکننده سرعت است. مطالعات DFT و XRDنشان میدهد که افزایش سطح کاتالیزور دوفلزی در مقایسه با پالادیم به احتمال زیاد به علت کاهش در پوشیده شدن پیوندهای جذبشده بوده و هنگامی که درصد طلا افزایش مییابد احتمال شکسته شدن پیوند C-H کاهش مییابد [37].
دامر و همکارانش اکسیداسیون 2،1پروپاندیال را با استفاده ازنانوذرات فلزی طلا، پالادیم، پلاتین و مخلوطی از این فلزات مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد که استفاده از Au-Pt/C باعث افزایش اکسایش 2،1پروپاندیال تحت شرایط واکنش میشود. آلیاژ طلا با پلاتین منجر به تولید کاتالیزوری با بازدهی بیشتر در مقایسه با آلیاژ طلا با پالادیم میشود. بررسی اکسیداسیون 1،2-پروپاندیال مشخص کرد که در محیط بازی محصول اصلی لاکتات خواهد بود و در غیاب باز واکنش پذیری کاتالیزورها کاهش می‌یابد و محصولات واکنش، هیدروکسیاستون و لاکتات هستند. مسیر پیشنهادی برای مکانیسم اکسایش 2،1پروپاندیال در شکل 1-10 نشان داده شده است [38].

شکل 1-10- مکانیسم پیشنهادی برای اکسیدسیون 1و2-پروپاندیال [38].
مکانیسم دیگری برای اکسیداسیون 1و2-پروپاندیال روی کاتالیزورهای Pd/C ,Pt/C ,Au/C در محیط بازی توسط پراتی و گروه مطالعاتیاش پیشنهاد شد (شکل 1-11). نتایج نشان داد که Au/C فعالیت ذاتی بالایی در اکسیداسیون گروه هیدروکسیل نوع اول نشان میدهد در حالیکهPd وPt/C گزینشپذیری بین هیدروکسیل نوع اول و دوم ندارند [39]. نتایج مشابهی توسط پینکس و تارنینگ نیز برای اکسایش 1و2-پروپاندیال بدست آمده است [40-41].

شکل 1-11- شکل شماتیک مکانیسم اکسیدسیون 1و2-پروپاندیال در محیط قلیایی[39].
1-10- اهداف پروژه
در این پروژه ابتدا الکتروکاتالیزور پلاتین/کربن به وسیلهی کاهش شیمیایی نمک پلاتین با کاهنده شیمیایی سدیمبورهیدرید سنتز میشود. در ادامه، فعالیت کاتالیزور پلاتین/کربن در فرایند اکسیداسیون 2،1-پروپاندیال، 2- پروپانول و متانول در محیط قلیایی مورد بررسی قرار خواهد گرفت و واکنش اکسیداسیون این الکلها بهعنوان سوخت قابل استفاده در پیل سوختی قلیایی بررسی میشود. سپس رفتار الکتروشیمیایی الکلهای مختلف با یکدیگر مقایسه شده و تفاوتهای موجود استخراج و مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در نهایت پایداری کاتالیزور پلاتین/کربن سنتز شده در برابر مسمومیتهای ناشی از حد‌واسط‌های تولید شده در فرآیند اکسیداسیون، با استفاده از تکنیکهای مختلف الکتروشیمیایی ارزیابی خواهد شد.
فصل دوم
مبانی نظری
280098545466000263715511620500
فصل دوم: مبانی نظری
2-1- مقدمه
الکتروشیمی شاخهای از شیمی میباشد که به بررسی رفتارهای الکتریکی واکنشهای شیمیایی می‌پردازد. در این روش، کمیتهای الکتریکی مانند جریان، پتانسیل، مقاومت، بار اندازهگیری شده و ارتباط آن با واکنشهای شیمیایی، مورد بررسی قرار میگیرد که موجب کاربرد گستردهی این روش درزمینههای مختلف از جمله صنعت، محیط زیست، پزشکی و... شده است. همچنین روشهای الکتروشیمیایی دارای کاربرد وسیعی در تجزیه نمونههای مختلف و نیز در سنتزهای آلی و معدنی، بدست آوردن دادههای ترمودینامیکی و سینتیکی واکنشها و... میباشند. گزینشپذیری، حساسیت بالا، سهولت اجرا، سرعت عمل و کمهزینه بودن روشهای الکتروشیمیایی و همچنین صحت و دقت بالایی که با آن میتوان پارامترهای مرتبط با این واکنشها را اندازه گرفت، روشهای الکترو شیمیایی را در ردیف حساسترین و انتخابیترین روشها برای اندازهگیریهای کمی وکیفی قرار میدهد.
روشهای الکتروشیمیایی بر اساس وضعیت تعادلی سل الکتروشیمیایی و حضور یا عدم حضور جریان به دو دسته عمده روش‏های ایستا و پویا تقسیم‏بندی می‏شوند. در روش‏های ایستا اندازه‏گیری اختلاف پتانسیل در جریان صفر انجام می‏شود. درحالیکه، روش‏های پویا مبتنی بر اندازه‏گیری اختلاف پتانسیل یا جریان در خارج از حالت تعادل هستند. روش‏های پویا به چند دسته تقسیم‏بندی می‏شوند که عبارتند از‏: جریان ثابت‏، پتانسیل کنترلشده و بار عبوری کنترلشده‏.
2-2- تکنیکهای مورد استفاده
در این پروژه تحقیقاتی رفتار الکتروشیمیایی اکسیداسیون الکلها در محیط قلیایی توسط کاتالیست Pt/C، از طریق روشهای الکتروشیمیایی کرونوآمپرومتری، ولتامتری چرخهای(CV)، ولتامتری روبش خطی(LSV) و طیف نگاری امپدانس الکتروشیمیایی مورد مطالعه قرار گرفته است. در ادامه به کاربرد هر یک از این روشها در ارزیابی عملکرد الکترود آند پیلهای سوختی الکلی مستقیم پرداخته شده است.
2-3- ولتامتری
ولتامتری بهطور وسیعی توسط شیمیدان‏های معدنی، شیمیفیزیک و زیستشیمی برای مطالعات بنیادی فرایندهای اکسایش وکاهش در محیط‏های مختلف، فرایندهای جذب سطحی روی سطوح و مکانیسم انتقال الکترون در سطح الکترودهای تعدیلشدهی شیمیایی بهکار گرفته می‏شود. بهطورکلی ولتامتری شامل دسته‏ای از روش‏های الکتروتجزیه‏ای است که در آن‏ها اطلاعات در خصوص ترکیبات از طریق دنبال کردن جریان بهعنوان تابعی از پتانسیل اعمال شده حاصل می‏گردد.
2-3-1- ولتامتری با روبش خطی پتانسیل
ولتامتری با روبش خطی پتانسیل روشی است که در آن، پتانسیل شیب‌داری را به الکترود ساکن شناور در محلول ساکن اعمال می‌کنند و تغییرات جریان حاصل را نسبت به پتانسیل الکترود ثبت می‌نمایند. در این روش که جزء روش‌های پتانسیوستایی است از سه الکترود کار، کمکی و مرجع استفاده می‌شود و بسته به جهت روبش پتانسیل، فرایند الکترودی و جریان وابسته به آن ممکن است ماهیت آندی یا کاتدی داشته باشد [42].
2-3-2- ولتامتری چرخه‏ای
هرگاه جهت روبش پتانسیل را، با رسیدن به پتانسیل انتهایی عوض کنند و روبش پتانسیل را در جهت عکس تا رسیدن به پتانسیل اولیه ادامه دهند، در صورت برگشتپذیر بودن فرایند الکترودی، محصول واکنش که در مرحله روبش رفت پتانسیل به وجود آمده و در اطراف الکترود قرار دارد، میتواند در مرحله روبش برگشت، در واکنش عکس وارد شود وLSV را بهوجود آورد که علامت جریان آن، عکس علامت جریانهای ثبت شده در مرحله رفت است. در این حالت روش را ولتامتری چرخهای مینامند. بسته به اطلاعات مورد نیاز، یک یا چندین چرخه میتواند بهکار گرفته شود. در این روش که عمدتًا برای مطالعه مکانیزم واکنشها و تبیین حدود برگشتپذیری فرایندهای الکترودی بهکار میرود، سرعت روبش پتانسیل را در دو مرحله رفت و برگشت، معمولاً یکسان انتخاب میکنند.
در این پروژه، از روش ولتاموگرام چرخهای برای سنجش کارایی کاتالیتیکی کاتالیزور و همچنین سنجش پایداری کاتالیزور استفاده شده است.
2-3-3- عوامل موثر در واکنشهای الکترودی در حین ولتامتری چرخهای
در علم الکتروشیمی، به پدیدههایی که بر سطح الکترود رخ میدهد توجه خاصی شده است که برای بررسی، واکنش الکترودی کلی:
(2-1)O + ne- ⇔ R
را در نظر میگیریم که گونه اکسید شده O طی مراحل متعدد بهگونه کاهش یافته تبدیل می شود، شکل (2-1)] 43[.
همانطور که در شکل (2-1) نشان داده شده است جریان یا سرعت واکنش الکترودی بهوسیله سرعت فرآیندهای ذیل کنترل میشود:
1- انتقال جرم: بهمعنای فرایند انتقال گونه اکسیدی از داخل محلول به سطح الکترود.
2- انتقال الکترون در سطح الکترود
3- واکنش سطحی نظیر جذب سطحی، دفع یا کریستالیزاسیون.
4- واکنش شیمیایی قبل یا بعد از انتقال الکترون که این واکنشها میتوانند همگن یا ناهمگن باشند.

شکل 2-1- مسیر کلی واکنش الکترودی
فرایند انتقال جرم میتواند به سه طریق انجام گیرد:
مهاجرت: یعنی جابجایی گونه باردار در اثر میدان الکتریکی ایجاد شده بین دو الکترود (گرادیان پتانسیل الکتریکی).
نفوذ: یعنی جابجایی گونه باردار تحت تاثیر تغییر پتانسیل شیمیایی یا به عبارت دیگر اختلاف غلظت ایجاد شده بین محلول و الکترود (گرادیان غلظتی)
جابجایی: به معنای جابجایی گونه ها در اثر بهمزدن یا انتقال هیدرودینامیکی
2-3-4- نحوه عمل در ولتامتری چرخهای
در ولتامتری چرخهای پتانسیل الکترود کار نسبت به زمان بهطور خطی تغییر مینماید. پتانسیل آغازی را طوری انتخاب مینماییم که واکنش اکسیداسیون و احیا در سطح الکترود انجام نگیرد. بعد از طی کردن محدوده پتانسیل یک یا تعداد بیشتری واکنش الکترودی رخ میدهند. سپس جهت روبش خطی معکوس شده و واکنشهای الکترودی، حدواسطها و محصولاتی که طی فرآیند اول تشکیل شدهاند، اگر الکتروفعال باشند، قابل تشخیص خواهند بود (شکل 2-2).

شکل 2-2- سیگنال تهییجی برای ولتامتری چرخه ای یک موج پتانسیلی با فرم مثلثی
2-4- نمودارهای تافل
وقتی که E=Eeq است، هیچگونه جریان خالص از مدار عبور نمیکند. با این حال، این موقعیت با حرکت مستمر حاملان بار در هر دو جهت، یک حالت دینامیک است و در آن مؤلفههای جریانهای آندی و کاتدی متقابل با هم برابرند. قدرمطلق این مؤلفهها در Eeq ، جریانمبادله () را نشان می‌هد که مستقیماً با ثابت سرعت استاندارد متناسب است.
(2-1)
که در آن ، بهترتیب مؤلفههای کاتدی و آندی می‌باشند.
اگر معادله مبادله باتلر- ولمر برحسب جریان نوشته شود:
(2-2) معادله باتلر-ولمر

(2-3)
که در آن است و بهنام پتانسیل اضافی نامیده می‌شود.
معادله (2-3) می‌تواند برای استخراج اطلاعات مربوط به و α، که پارامترهای مهم سینتیکی هستند، مورد استفاده قرار گیرد.
برای پتانسیلهای اضافی بهقدر کافی بزرگ، یکی از عبارتها در معادله (2-3) در مقایسه با دیگری قابل صرفنظر کردن خواهد بود. مثلاً در پتانسیل مازاد بسیار منفی، میشود و معادله (2-3) بهشکل زیر درمی‌آید:
(2-4)
و بنابراین میتوانیم داشته باشیم:
(2-5)
این وابستگی لگارتیمی پتانسیل- جریان بهعنوان معادله تافل شناخته شده است. با رسم تغییرات logi برحسب ، منحنیهای تافل برای شاخههای کاتدی و آندی منحنیجریان- پتانسیل مازاد بهدست می‌‌آیند [44-45].
2-5- روش طیف‏نگاری امپدانس الکتروشیمیایی
در چند سال اخیر روش طیفنگاری امپدانس الکتروشیمیایی که به اختصار EIS یا امپدانس ac نامیده میشود بهعنوان روشی کلیدی در الکتروشیمی و علم مواد مورد استفاده فراوان قرار گرفته است. بدون شک، در مطالعه سیستمهای الکتروشیمیایی، روش EIS با استفاده از تکنیکها و قالبهای خروجی متنوعی که دارا است قادر به ارائه اطلاعات صحیح در مورد سینتیک و مکانیسم واکنش خواهد بود. بههمین دلیل به‌عنوان وسیلهای قدرتمند در مطالعات خوردگی، ارزیابی خواص پوششها، آبکاری الکتریکی، باتریها، سرامیکها و نیمههادیها بهکار میرود. بهعلاوه روش EIS دارای چهار مزیت عمده است که عبارتند از :
1-میزان تحرک کم: در این روش معمولا از دامنه ولتاژ 10-5 میلی ولت استفاده میگردد که آن امر منجر به ایجادکمترین آشفتگی در سیستمهای الکتروشیمیایی مورد آزمایش میشود.
2-مطالعه مکانیسم : چون دادههای حاصل از آزمایشهای امپدانس الکتروشیمیایی هم، اطلاعاتی در مورد ظرفیت و هم در مورد سینتیک انتقال بار بهدست میدهند لذا میتوان مطالعات مکانیسیمی سیستم را با آنها انجام داد.
3-صحت اندازهگیری: از آنجا که در روش EIS روبش پتانسیل انجام نمیشود اندازهگیری میتواند در محلولهایی با هدایت کم نیز انجام شود.
4-استفاده از مدارالکتریکی : مهمترین مزیت روش EIS این است که در آن از یک مدل کاملا الکتریکی برای پدیدههای الکتروشیمیایی استفاده میگردد.
اما مشکل عمده روش امپدانس ac این است که فهم دقیق مفاهیم مربوط به این روش نیازمند اطلاعات زیادی در زمینه ریاضیات و همچنین تجربه، تبحر و آگاهی در زمینههای مختلف خوردگی است. در مجموع، قابلیت مدلسازی شدن فرآیند خوردگی، استفاده عملی از روش امپدانس را میسر میسازد. روش امپدانس ac روش نوینی است که اهمیت آن برای پیشبینی رفتار خوردگی، روز به روز بیشتر میشود [46].
اندازهگیری EIS توسط یک تحلیلگر پاسخ فرکانس با کنترل پتانسیلاستاتیکی در یک سیستم الکترودی قابل انجام است. این روش مبتنی بر اغتشاش سیستم در حال خوردگی در حول و حوش پتانسیل خوردگی میباشد. سیستم سه الکترودی مذکور شامل الکترود کار، مرجع و کمکی است [46]. نمودارهای EIS بهصورتهای مختلف نمایش داده میشوند. یکی از روشهای مطلوب نمایش دادههای امپدانس الکترو‌شیمیایی منحنی نایکوئیست میباشد. در این قالب نمایش دادهها در مختصات مختلط امپدانس حقیقی (Zre) برحسب امپدانس موهومی (Zim) در محدوده یا از فرکانس تحریکی رسم میشوند. در صورتی که مدار فقط دارای مقاومت باشد امپدانس آن توسط یک نقطه روی محور افقی مشخص میشود و در صورتی که مدار، فقط دارای خازن باشد منحنی نایکوئیست آن خطی صاف و منطبق بر محور عمودی خواهد بود. در حقیقت، امپدانس مقاومت فقط دارای قسمت حقیقی و مستقل از فرکانس بوده ولی امپدانس خازن، فقط دارای قسمت موهومی و البته تابع فرکانس میباشد. معمولا منحنیهای نایکوئیست بهصورت نیمدایره هستند. از این نیمدایره، سه پارامتر اصلی را میتوان بهدست آورد که عبارتند از :
RΩ که در فرکانسهای بالا در نقطه Zim برابر با مقدار Zre میباشد.
Rf برابر با قطر دایره است.
C لایهی دوگانه الکتریکی که از رابطه زیر با دانستن فرکانس در بالاترین نقطه دایره قابل محاسبه است.
(2-1)C = 1/(ωRP )


علاوه بر این سرعت یک واکنش شیمیایی ممکن است تحت تاثیر نفوذ یک یا چند واکنشگر از سطح مورد مطالعه باشد. زمانی که مکانیسم واکنش الکتروشیمیایی کاملا تحت تاثیر نفوذ باشد پاسخ امپدانس دارای مشخصهی منحصر به فردی است که امپدانس واربرگ نامیده میشود. برای چنین واکنشی، جریان نسبت به پتانسیل اعمالی 45 درجه اختلاف فاز دارد بنابراین در تمامی فرکانسها قسمت حقیقی و موهومی بردار امپدانس با یکدیگر یکسان میباشند برای نشان دادن امپدانس واربرگ از علامتw استفاده میگردد.
اصلیترین حُسن منحنی نایکوئیست این است که نحوه رسم به گونهای است که بهسادگی میتوان نیم‌دایره را بهطرف چپ و پائین برونیابی کرده محل تقاطع آن را با محور x بهدست آورد غالبا با تغییر مقاومت اهمی، شکل نیمدایره تغییری نمیکند. حُسن دیگر منحنی نایکوئیست این است که بر روی اجزا سری مدار مانند مقاومت اهمی تاکید دارد.
2-6- مشخصهیابی سطح الکترود
برای مشخصهیابی سطح الکترودهای اصلاح شده و ترکیب عناصر موجود بر سطح آنها از روشهای تصویر‌برداری مانند میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیفبینی پراکنش انرژی استفاده میگردد که در ذیل به نحوهی عملکرد آنها پرداخته میشود.
2-6-1- SEM
SEM از جمله مهمترین و پرکاربردترین فنون مشخصهیابی ساختارهای نانو است که برای بررسی ساختار سطحی و اندازهی مواد نانو بهکار میرود. تکنیک SEM با بمباران الکترونی، از سطح اجسامی به کوچکی 10 نانومتر تصویربرداری میکند. در حین بمباران، الکترونهایی بهسمت صفحهی دارای بار مثبت رها می‌شوند که سبب ایجاد علامت میگردد. حرکت پرتو بر روی نمونهی آزمایشی، مجموعهای از علائم را فراهم میکند که بر این اساس، میکروسکوپ میتواند تصویری از سطح نمونه را بر صفحهی رایانه نمایش دهد. همچنین، معمولاً باید سطح نمونههایی که با SEM بررسی میشوند با یک مادهی رسانای الکتریسیته پوشانده شود. در غیر این صورت، الکترونی که بهسطح نمونه تابیده میشود، دفع نشده، روی سطح باقی مانده و بار ساکن ایجاد میکند. الکترونهای بعدی با این بار ساکن دارای بار همنام برخورد نموده، دفع و یا منحرف میشوند و در نتیجه تصویر حاصل ناپایدار شده و وضوح آن کاهش مییابد. از اینرو معمولاً با نشاندن لایهی نازکی از طلا و پلاتین، سطح نمونههای نارسانا، هدایت الکترونی پیدا میکنند و الکترونهای سطحی دفع شده و مشکل فوق حل گردیده و وضوح تصویر نیز بهبود مییابد [47].

شکل 2-3- تصویر شماتیک از نحوهی عملکردSEM .
2-6-2- EDS
اساس کار EDS به این ترتیب است که یک پرتو پرانرژی از ذرات باردار نظیر الکترون، پروتون یا پرتوی از اشعهی ایکس بر سطح مورد مطالعه متمرکز میشود. پرتو فرودی ممکن است یک الکترون در پوستهی داخلیتر را تهییج نموده و آن را از لایه بیرون رانده و یک حفرهی الکترونی ایجاد کند. سپس یک الکترون از لایهی پرانرژیتر بیرونی، این حفره را پر نموده و اختلاف انرژی بین پوسته با انرژی بالاتر و پوستهی با انرژی پایینتر به شکل اشعهی ایکس آزاد میشود. هر عنصر با توجه به ساختار اتمی خاص خود، اشعهی ایکس خفیفی با انرژی خاصی آزاد میکند که با توجه به آن میتوان عناصر موجود در نمونه را شناسایی کرد [48].
فصل سوم
بخش تجربی
268922538544500
فصل سوم: بخش تجربی
3-1- مواد شیمیایی
جدول 3-1، مشخصات مواد شیمیایی مورد استفاده را نشان میدهد.
جدول 3-1- مشخصات مواد شیمیایی
ردیف نام ترکیب شیمیایی درجه خلوص نام شرکت،کشور سازنده
1 پتاسیم هگزا کلرو پلاتینات
Cl6k2Pt)) 99< مرک، آلمان
2 هیدروکلریک اسید (HCl) 98 فلوکا، سوئیس
3 پتاسیم هیدروکسید
((KOH 85< فلوکا
4 کربن ولکان XC-72 99< نانو تک-چین
5 2-پروپانول 99< فلوکا
6 متانول 98< مرک
7 2،1-پروپاندیال 98< فلوکا
8 سدیم بور هیدرید
(NaBH4) 99< سیگما-آلدریچ

user8341

D-T Deuterium-tritiumD-3He Deuterium-Helium3
D-D Deuterium- Deuterium
T-T Tritium- tritium
ICF Inertial confinement fusion
H1ProtiumH2DeuteriumH3TritiumRWMResistive-Wall ModeRFPReversed field pinch NTMNeoclassical Tearing-ModeMHDMagnetohydrodynamicTFToroidal Fieldمقدمه
مقدمهیکی از مهمترین اهداف بشر در جهتگیری زمینههای تحقیقاتی و پژوهشی، دستیابی به منابع جدید انرژی می‌باشد. در این راستا بشر تلاش کرده است تا با ساخت رآکتورهای هستهای، به منبعی از انرژی دست یابد که بتواند مدت زمان بیشتری از آن، نسبت به سوخت‌های فسیلی استفاده کند. بطور کلی دو شیوه بنیادی، برای آزادسازی انرژی از یک اتم وجود دارد: شکافت هستهای و همجوشی هسته‌ای.
مزیت همجوشی هسته‌ای نسبت به شکافت هسته‌ای، فراوانی بسیار زیاد منابع سوختی آن (سوخت اصلی راکتورهای همجوشی دوتریوم می‌باشد که در آب دریاها به وفور وجود دارد. تولید انرژی بالاتر نسبت به روش شکافت هسته‌ای به ازای هر نوکلئون از ماده سوخت (به عنوان مثالی از انرژی تولیدی در یک راکتور همجوشی می‌توان گفت اگر یک گالن از آب دریا را که دارای مقدار کافی دوترون است در واکنش همجوشی استفاده کنیم معادل ۳۰۰ گالن گازوئیل، انرژی بدون آلودگی تولید می‌کند) ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>falzner</Author><Year>2006</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060407">1</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>falzner, S.P.;</author></authors></contributors><titles><title>An Introduction to Interial Confinement Fusion.</title><secondary-title>New York: CRC Press</secondary-title></titles><periodical><full-title>New York: CRC Press</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]، عدم وجود معضل پسماندهای هسته‌ای با طول عمر طولانی در روش همجوشی و در نهایت ایمن‌تر بودن راکتورهای همجوشی در هنگام وقوع حوادث احتمالی است که سبب برتری آن بر شکافت هستهای گردیده است. سوخت‌های متنوعی در فرایند همجوشی هستهای قابل بکارگیری می‌باشد. از آن جمله دوتریوم-تریتیوم(D-T) ، دوتریوم-هلیوم 3 (D-3He)، دوتریوم-دوتریوم (D-D) و تریتیوم-تریتیوم (T-T) می‌باشد. بیشتر تحقیقات انجام شده در فرایندهای همجوشی بر روی سوخت D-T انجام شده است و علت عمده آن نیز بالا بودن سطح مقطع واکنش پذیری این سوخت نسبت به سایر سوخت‌ها در بازه‌ی دمایی عملکردی راکتورها می‌باشد. این سوخت در کنار مزیت ذکر شده و سایر مزیت ها محدودیتهایی نیز دارد، نظیر پرتوزایی زیاد و گران بودن سوخت تریتیوم که جزو مواد اولیه این واکنش‌ها است. از طرفی دیگر واکنش همجوشی D-3He از میان سایر سوخت‌ها، به دلیل بازدهی بالاتر، تبدیل مستقیم انرژی و کاهش خطرات ناشی از تابش، هزینه تعمیر و نگهداری پایینتر و... مورد توجه قرار گرفت ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>1998</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[2-4]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060467">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J. F.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of Fusion Energy</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Fusion Energy</full-title></periodical><pages>33-40</pages><volume>17</volume><number>1</number><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Kulcinski</Author><Year>1992</Year><RecNum>3</RecNum><record><rec-number>3</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060514">3</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Kulcinski, G. L.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Fusion Technology</secondary-title></titles><periodical><full-title>Fusion Technology</full-title></periodical><volume>21</volume><number>1779</number><dates><year>1992</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Santarius</Author><Year>2003</Year><RecNum>4</RecNum><record><rec-number>4</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060578">4</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J. F.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Fusion Science and technology</secondary-title></titles><volume>44</volume><number>289</number><dates><year>2003</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2-4]. که این فرایند در راکتورهای متفاوت با شرایط مختلفی قابل انجام است.
لذا با این مقدمه از فرایند همجوشی هستهای، در فصل اول به بیان روشهای مختلف همجوشی هستهای و سوخت‌های قابل استفاده می‌پردازیم. در فصل دوم سینتیک فرایند همجوشی دوتریوم و هلیوم 3 و پارامترهای موثر بر همجوشی تشریح شده و به بررسی پارامترهای موثر بر همجوشی پلاسمای دوتریوم و هلیوم 3 به روش محصورسازی مغناطیسی پرداخته و فرایند با پارامتر مورد نظر شبیه سازی میگردد. در فصل چهار برخی از روشهای کنترل ناپایداری در راکتور بیان شده و در ادامه نتایج حاصل از شبیه سازی به کمک پارامترهای ترمودینامیکی مربوط به سوخت دوتریوم و هلیوم 3 با نتایج بدست آمده در سایر مطالعات مقایسه می‌شود.
فصل اول
همجوشی هستهای
فصل اول-همجوشی هسته‌ایواکنش‌های هسته‌ای تبدیلات خودبخودی یا مصنوعی بعضی از هسته‌ها به هسته دیگر که سبب تغییر ساختار هسته یا تغییر تعداد نوکلئونها (ذرات هسته‌ای) می‌گردد، واکنش‌های هسته‌ای نام دارند. همجوشی هسته‌ای و شکافت هسته‌ای، دو روش اصلی انجام واکنش‌های هسته‌ای می‌باشد.
شکافت هسته‌ایدر واکنش شکافت، هسته‌ی سنگین یک عنصر رادیو اکتیو مانند اورانیوم یا پلوتونیوم به دو یا چند هسته با جرم متوسط تجزیه می‌شود. به طور مثال اورانیوم 235 مورد اصابت یک نوترون قرار می‌گیرد و هسته فوق‌العاده ناپایداری تشکیل می‌شود که تقریبا بلافاصله می‌شکافد و کریپتون و باریم و مقدار زیادی انرژی تولید می‌شود. که ناشی از تبدیل جرم ناپدید شده (با مقایسه میان جرم سوخت‌های اولیه و محصولات واکنش) به انرژی است. این انرژی حدود 5 دهه است که مورد استفاده قرار گرفته است اینک این نیرو همان اندازه از برق جهان را تامین می‌کند که 40 سال پیش بوسیله تمام منابع انرژی تأمین می‌شد شکافت هسته‌ای مزایای بسیاری نسبت به سوخت‌های فسیلی دارد اما مسئله‌ی پسماندهای آن که حاوی مواد پرتوزا با طول عمر طولانی هستند از جمله مهم‌ترین مسائل خاص در مورد استفاده از شکافت هسته‌ای می‌باشد. از سوی دیگر ذخایر اورانیوم جهان برای استفاده در راکتورهای شکافت تنها در یک سده کفایت می‌کنند.
موادی که انجام یک واکنش شکافت هسته‌ای را ممکن می‌سازند عبارتند از: 239Pu ، 235U ، 238U ، و ایزوتوپ 233U ، 235U بطور مصنوعی در راکتورهای هسته‌ای با تاباندن نوترون به 233Th بوجود می‌آید.
در اثر برخورد نوترون حرارتی به ایزوتوپ235U ، هسته اتم به 235U تحریک شده تبدیل می‌شود. اورانیوم تحریک شده بعد از شکافت، به باریم و کریپتون و سه نوترون تبدیل می‌گردد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Krane</Author><Year>1996</Year><RecNum>5</RecNum><DisplayText>[5]</DisplayText><record><rec-number>5</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060620">5</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Krane, K.S.; </author></authors></contributors><titles><secondary-title>Modern Physics. published by Wiley</secondary-title></titles><periodical><full-title>Modern Physics. published by Wiley</full-title></periodical><dates><year>1996</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[5].
1n + 235U → 236U → 144Ba+89Kr + 3 1n
اما مسئله مهمتر اینکه هر نوترون‌ آزاد شده بر اثر شکافتن هسته 235U می‌تواند دو هسته دیگر را شکافته و چهار نوترون را بوجود آورد. شکافت هسته‌ای و آزاد شدن نوترون‌ها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه می‌یابد. در هر دوره تعداد نوترون‌ها دو برابر می‌شود. در واکنش‌های کنترل شده تعداد شکافت در واحد زمان و نیز مقدار انرژی به تدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگه‌داشته می‌شود. برای دستیابی به فرآیند شکافت کنترل شده و یا متوقف کردن یک سیستم شکافت پس از شروع، لازم است که موادی قابل دسترس باشند که بتوانند نوترون‌های اضافی را جذب کنند. مواد جاذب نوترون بر خلاف مواد دیگر مورد استفاده در محیط راکتور باید سطح مقطع جذب بالایی نسبت به نوترون داشته باشند. مواد زیادی وجود دارند که سطح مقطع جذب آنها نسبت به نوترون بالاست. زمانی که هسته اتمی 235U به دو قسمت شکافته می‌شود تولید عناصر استرتیوم 90، کریپتون 91، ایتریوم 91، زیرکونیوم 95، 126I ، 137U ، باریم 142، سریم 144 امکان پذیر هستند.
همجوشی هسته‌ایواکنش‌های همجوشی هسته‌ای از نوع واکنش‌هایی است که در خورشید و ستارگان صورت می‌گیرد. این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هستههای چهار اتم هیدروژن معمولی (شکل 1-1) که ضمن آزاد سازی مقدار زیادی انرژی ناشی از تبدیل جرم به انرژی است (E=mc2)، یک هسته‌ی هلیوم در دماهای بسیار بالای مرکز خورشید و ستارگان تولید می‌گردد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wilhelemsson</Author><Year>2004</Year><RecNum>6</RecNum><DisplayText>[6]</DisplayText><record><rec-number>6</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060659">6</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wilhelemsson, H.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion and the cosmos</title><secondary-title>Condensed Matter Physics</secondary-title></titles><periodical><full-title>Condensed Matter Physics</full-title></periodical><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[6].
در کره‌ی زمین، این انرژی را می‌توان به سه روش محصور سازی مغناطیسی، محصورسازی اینرسی یا لختی و محصور سازی از طریق کاتالیزور میون، تولید کرد؛ که البته همه در مرحله‌ی آزمایش قرار دارند. همجوشی هسته‌ای به دلیل پرتوزایی کمتر و ایمنی بیشتر و فراوانی بیشتر سوخت اولیه برای انجام واکنش‌ها نسبت یه شکافت مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. برای تولید انرژی در مقیاس بزرگ، به تعداد زیادی از واکنش‌هایی که با هم رخ دهند، نیاز است. دافعه‏ی کولنی، مانع رخ دادن همجوشی هسته‏ای می‏گردد. برای غلبه بر این دافعه، به دما و چگالی بالایی مورد نیاز است. در نتیجه سوخت باید در حالت پلاسما باشد.در دمای به قدر کافی بالا، سرعت‏های حرارتی ذرات خیلی زیاد خواهند شد. در این صورت، ذرات این فرصت را خواهند داشت که به اندازه‏ی کافی به هم نزدیک شده، بر دافعه‏ی کولنی چیره شوند وتوانایی پیوند داشته باشند. در طی این فرایند انرژی بسیار زیادی آزاد میگردد.
اگر چگالی پلاسما بیشتر از ١٠20 یون در هر سانتی‌متر مکعب باشد، آن گاه زمان محصورسازی می‌تواند کوتاهتر باشد. اگر پلاسما خیلی فشرده شود، زمان محصورسازی، بی نهایت کوتاه و انرژی آزاد شده، فوقالعاده شدید است. در این صورت با یک بمب سر و کار خواهیم داشت نه یک راکتور کنترل شده. بههمین دلیل، با وجود آن که وظیفه محصورسازی مشکل میگردد، چگالی پلاسما در حداقل نگه داشته می‌شود.
بطور عملی هنوز محفظهای وجود ندارد که بتواند پلاسما با دمایی در حدود چند صد میلیون درجه را محصور سازد. حتی محفظههایی که از فلزات مقاوم در دماهای بالا ساخته شده باشند، تنها در دماهای پایینتر از چند هزار درجه قابل استفاده خواهند بود. ستارگانی نظیر خورشید کره عظیم پلاسمای خود را از طریق جاذبه حفظ میکنند. پلاسما از ذرات باردار تشکیل یافته است. این ذرات نمی توانند خطوط میدان مغناطیسی را قطع کنند، اما حول این خطوط میچرخند. این نکته، خلاصهای از مبنای فکری طرح محصورسازی پلاسما توسط خطوط میدان مغناطیسی را تشکیل داده است.
در یک تعریف کلی فرایند جلوگیری از برخورد پلاسما با دیواره‌های مخزنی که در آن جای دارد، محصورسازی نامیده می‌شود و همچنین زمان تقریبی برای اینکه یون‌ها توسط میدان احاطه کننده به دام افتاده باقی بمانند، زمان محصورسازی نامیده می‌شود.

شکل 1-1- مراحل زنجیره‌ی پروتون – پروتون که در خورشید اتفاق می‌افتد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>McCollam</Author><Year>2013</Year><RecNum>7</RecNum><DisplayText>[7]</DisplayText><record><rec-number>7</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061554">7</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>McCollam, K.; </author></authors></contributors><titles><title>Magnetic confinement in plasma physics</title><secondary-title>UW–Madison Physics Dept.</secondary-title></titles><periodical><full-title>UW–Madison Physics Dept.</full-title></periodical><dates><year>2013</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7]
انتخاب سوخت مناسبباتوجه به فرآیندهای طبیعی و نتایج حاصل از آنها، مشخص شده است که واکنشهای همجوشی بسیاری وجود دارد. متغیرها برای واکنشهای مختلف، هستههای سوخت درگیر، محصولهای واکنش که خارج می شوند، مقدار واکنش و بستگی احتمال انجام واکنش به خواص جنبشی واکنش دهندهها، می باشند.
برهم کنش ایزوتوپهای هیدروژنی (دوتریم وهلیوم 3) یکی از واکنش‌های مورد توجه در فرآیند همجوشی میباشد. به دلیل این‌که ایزوتوپ های هیدروژن فقط یک بار الکتریکی دارند و انرژی حرارتی کمتری برای نزدیک شدن به یکدیگر نیاز دارند، به عبارت دیگر در دماهای پایین همجوشی ایزوتوپهای هیدروژن اتفاق میافتد. به علت عدد اتمی واحد ایزوتوپها، این برهم کنش هیدروژنی دارای قابلیت نفوذ بسیار بالایی در سد کولنی میباشد. برای تعیین سوخت‌های همجوشی مناسب، باید در دسترس بودن سوخت مورد نظر، شرایط نگهداری و سطح مقطع واکنش مورد نظر را در نظر گرفت. برخی از واکنش‌های گوناگون همجوشی، شامل واکنش‌های ذکر شده در جدول(1-1) می‌باشد. در بیشتر واکنش‏های همجوشی، دو هسته‏ سبک با هم ترکیب و به هسته‏‏ سنگین‏تر تبدیل می‏شوند که رابطه‏ واکنش هسته‏ای آن‏ها به صورت زیر است:

جدول1-1- برخی از واکنش‌های همجوشی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>falzner</Author><Year>2006</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060407">1</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>falzner, S.P.;</author></authors></contributors><titles><title>An Introduction to Interial Confinement Fusion.</title><secondary-title>New York: CRC Press</secondary-title></titles><periodical><full-title>New York: CRC Press</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]
سوخت واکنش همجوشی شکل اختصاری بهره انرژی بر حسب ژول
DT D+T→42He+10n T(d,n)4He 2.8×10-12
DDn D+D→32He+10n D(d,n)3He 5.24×10-13
TT T+T→42He+10n+10n T(t,2n)4He 1.81×10-12
DDp D+D→T+P D(d,P)T 6.46×10-13
D-3He D+32He→42He+P 3He(d,P)4He 2.93×10-12
P_6Li P+63Li→42He+32He 6Li(p,x)3He 6.44×10-13
P_11B P+115B→3(42He) 11B(p,2x)4He 1.39×10-12
واکنش D-T دارای بیشترین سطح مقطع میباشد، مقدار بیشینه سطح مقطع آن 5 بارن برآورد شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>al.</Author><Year>2002</Year><RecNum>111</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>111</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="tx9da0v069srt5eteeoxtwa7fvfdz5wd09zx" timestamp="0">111</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>HarmsA. et al.</author></authors></contributors><titles><title>Principles of Fusion Energy</title><secondary-title>World Scientific Publishing Co. pte. 1td.</secondary-title></titles><dates><year>2002</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8].
(1-1)
واکنش همجوشی قابل دسترس دیگر، در برگیرندهی هستهی دوتریم به عنوان سوخت است:
(1-2)
این نمایش نشان میدهد که واکنش D+Dاز طریق دو کانال واکنش متمایز، همجوشی میکند که تقریبا با احتمالهای برابر صورت میگیرد. سطح مقطع برای هریک از آنها حدود 100 مرتبه کوچکتر از واکنشD-T است از این دو واکنش در مییابیم که خواص واکنش D-T مطلوبتر از خواص واکنش D-D است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Biberian</Author><Year>2009</Year><RecNum>9</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>9</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061676">9</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Biberian, J.P.;</author></authors></contributors><titles><title>Experiments and Methods in Cold Fusion</title><secondary-title> Journal of Condensed Matter Nuclear Science</secondary-title></titles><volume>2</volume><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9].
همچنین ممکن است دوتریم، با محصولهای واکنش تریتیوم و هلیوم-3 همجوشی کند که افزون بر معادله‌ی (1-1)، داریم:
(1-3)
واکنش همجوشی یاد شده، در برگیرندهی دوتریم و همچنین هستههای سبک دارای جرم بیشتری هستند. از مزایای این واکنش نسبت به D-D میتوان به سوختی رادیواکتیو نبودن و یک واکنش نوترونیک بودن اشاره کرد. به عبارت دیگر در مسیر واکنش همجوشی هیچ نوترونی تابش نمیکند، در نتیجه تابش نوترون به طور چشمگیری کاهش مییابد که میتواند به معنای یک محافظ خیلی ارزان برای راکتور استفاده شود؛ زیرا تابشهای نوترونی باعث تخریب دیواره راکتور میشوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Brereton</Author><Year>1988</Year><RecNum>10</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>10</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061736">10</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Brereton, S. J.; Kazimi, M. S.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Fusion Engineering and design</secondary-title></titles><volume>30</volume><number>207</number><dates><year>1988</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10]. قلهی آهنگ واکنش برابر با58 است. اما تولید هلیوم -3 بسیار سخت است، در حال حاضر میتوان آن را محصولی از راکتورهای شکافت دانست، زیرا تریتیوم تولید شده در راکتورهای شکافت به طور طبیعی بعد از مدتی به هلیوم 3 واپاشی میکند.
اگر این شکل ادامه یابد، برای واکنش هستهای ، تعداد زیادی کانالهای واکنش مشخص شده است:
(1-4)
واکنشهای هستهای که درگیر هستههای سبک، مانند پروتون، میباشند ممکن است مطابق فرآیندهای زیر روی دهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Atzeni</Author><Year>2004</Year><RecNum>11</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>11</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061786">11</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Atzeni, S.;</author></authors></contributors><titles><title>The Physics of Inertial Fusion</title><secondary-title> Rome: Clarendon PRESS</secondary-title></titles><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11]:
(1-5 الف) (1-5 ب)
(1-5 ج)
و همچنین دیگر واکنشهای مبتنی بر و ، عبارتند از:
(1-6)
(1-7)
(1-8)
نمایش فیزیکی واکنشهای همجوشی، تنها بررسیهای لازم برای تعیین و گزینش آن، به عنوان سوخت راکتور همجوشی نیست بلکه بررسیهای دیگری در برگیرندهی قابل دسترس بودن سوختهای همجوشی، سختی در نگهداری و دانسیتهی میزان واکنش کافی، نیز لازم میباشد.
تاکید بر دیگر نکات واکنشهای همجوشی یاد شده، ضروری است. در هر حالت، کسرهای مختلف از مقدار واکنش، در شکل انرژی جنبشی ذرات باردار و نوترونهای خنثی باقی میماند، در نتیجه ایدهی یک راکتور همجوشی پایه گذاری شده با بازده بالا؛ تبدیل مستقیم انرژی ذرات باردار، به ویژه برای واکنشهایی که کسر بزرگتری از مقدار آنها در شکل انرژی جنبشی باردار باقی میماند، مناسب به نظر میرسد. این نکته به طور ویژهای مورد توجه است؛ چرا که نوترونهایی که به عنوان محصول واکنش همجوشی پدیدار میشوند، به گونهی تغییر ناپذیری به محصولات رادیو اکتیو در مواد مهارکننده قلب همجوشی کمک میکنند.
کمیتی مهم در ارتباط با واکنش‌های هسته‌ای، سطح مقطع واکنش است که به صورت احتمال برهم‌کنش هر جفت از ذرات، تعریف می‌شود. برای وقوع واکنش همجوشی، دو هسته‏ی باردار مثبت باید با غلبه بر نیروی دافعه‏ی کولنی، با هم برخورد کنند. تابع پتانسیل دافعه‏ی کولنی به صورت زیر است:

که Z1 , Z2، عدد اتمی هسته‌های برهم‌کنش کننده می‌باشد.
نیروی دافعه‏ی کولنی در فاصله‏ بیشتر از مجموع شعاع دو هسته برقرار است. شعاع دو هسته از رابطه‏ زیر بدست می‏آید:

که A1,A2 اعداد جرمیِ هسته‌های برهم‌کنش‏ کننده هستند.
شکل1-2 نشاندهنده انرژی پتانسیل برحسب فاصله‏ دو هسته‏ باردار می‌باشد که با انرژی مرکز جرم به هم نزدیک می‏شوند و نشان‏دهنده‏ چاه هسته‏ای، سد کولنی و نقطه‏ی بازگشتی کلاسیکی است.

شکل 1-2- انرژی پتانسیل بر حسب فاصله‏ی دو هسته‏ی باردار که با انرژی مرکز جرم به هم نزدیک می‏شوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Atzeni</Author><Year>2004</Year><RecNum>11</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>11</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061786">11</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Atzeni, S.;</author></authors></contributors><titles><title>The Physics of Inertial Fusion</title><secondary-title> Rome: Clarendon PRESS</secondary-title></titles><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11].در فاصله‏ی r <rn، دو هسته تحت تأثیر نیروی جاذبه‏ی هسته‏ای قرار می‏گیرند که با چاه پتانسیل به عمق، مشخص می‌شود. با استفاده از معادلات می‏توان ارتفاع سد پتانسیل را پیدا کرد:

بر طبق مکانیک کلاسیک، فقط هسته‌هایی با انرژی بیشتر از این مقدار می‏توانند بر سد کولنی غلبه کرده و با هم برخورد کنند و هسته‌هایی با انرژی نسبی () کمتر از، می‏‏توانند تا نقطه‏ی بازگشت کلاسیکی به هم نزدیک شوند. ولی در مکانیک کوانتومی، واکنش همجوشی بین دو هسته با انرژی کمتر از سد کولنی، نیز ممکن است؛ چون تونل‏زنی از سد کولنی مجاز است. پارامترهای دخیل در برهم‌کنش بین پرتابه و هدف، سطح مقطع واکنش و واکنش‏پذیری هستند.
ایده‌های راکتور همجوشیانواع روشهای محصورسازی مورد استفاده در راکتورهای همجوشی هسته‌ای، همجوشی از طریق محصورسازی اینرسی، همجوشی از طریق کاتالیزور میون و محصورسازی از طریق محبوس کردن مغناطیسی می‏باشند که هدف هر سه روش، برآورده ساختن معیار لاوسون می‌باشد. محصورسازی لختی، فرایند نگهداری پلاسما را در چگالی‏های بالا و در زمان کوتاه انجام می‏دهد و محصورسازی مغناطیسی، پلاسما را در چگالی‏های پایین، در زمان نسبتاً طولانی محصور می‏سازد و روش کاتالیز میون در دماهای معمولی رخ می‌دهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jones</Author><Year>1986</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062363">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jones, S.E.;</author></authors></contributors><titles><title> Muon-Catalysed Fusion Revisited</title><secondary-title>Nature</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nature</full-title></periodical><pages>127-133</pages><volume>321</volume><number>6066</number><dates><year>1986</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12].
1-5-1- همجوشی هستهای کنترل شده توسط لختی(ICF)زمان محصورسازی در محصورسازی لختی خیلی کوتاه است. در نتیجه برای داشتن نرخ واکنش همجوشی بیشتر، نیازمند چگالی بالای پلاسما هستیم. در این روش، سوخت با استفاده از نیروهای قوی بیرونی، باید تا 1000 برابر چگال‌تر از حالت جامد فشرده شود.
کپسول با استفاده از پرتوهای محرک که از اطراف سطح خارجی آن تابیده می‌شود، متراکم می‌گردد. در محصورسازی به روش لختی، از روش‌های مختلفی برای تراکم کپسول استفاده می‌شود. در هر کدام از این روش‌ها سعی بر آن است که نسبت انرژی خروجی به انرژی ورودی را بالا ببرند. نوع پرتوهای محرک که برای تراکم کپسول استفاده می‌شود، عامل اصلی بالا و پایین بردن بهره انرژی در ICF می‌باشد. از پرتوهای لیزرهای پر توان پالسی، باریکه‌هایی از ذرات باردار نظیر یون‌های سنگین، یون‌های سبک و باریکه‌های الکترونی برای متراکم نمودن کپسول‌ها می‌توان استفاده کرد. این پرتوهای محرک که بصورت پالس‌هایی با توانW‌ 1014 تهیه می‌شود، دارای بهره انتقال انرژی متفاوتی به کپسول هستند. پرتوهای لیزری و باریکه‌های یون سنگین نسبت به سایر پرتوهای محرک به علت بهره بالاتر جذب انرژی در کپسول‌ها مورد توجه بیشتری قرار گرفتند. در طراحی کپسول‌های سوخت هر دو روش پرتوهای محرک لیزری و باریکه‌های یون سنگین مورد بررسی قرار گرفته است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Nakai</Author><Year>1990</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText>[13, 14]</DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061968">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Nakai, S.; et al.; </author></authors></contributors><titles><title>Inertial Confinement</title><secondary-title>Nuclear Fusion</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Fusion</full-title></periodical><pages>1779-1797</pages><volume>30</volume><number>9</number><dates><year>1990</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 14].
انتخاب پرتوهای یون سنگین به علت قابلیت بالای انتقال انرژی به کپسول، بالای 25 درصد در مقایسه با باریکه‌های لیزری با بهره‌ی انرژی کمتر از 10 درصد روشی موثر به ‌شمار می‌رود که به خاطر ناپایداری‌هایی که در اثر نایکنواختی و ناهمزمانی باریکههای یونی اتفاق می‌افتد، اخیرا بصورت غیر مستقیم مورد استفاده قرار می‌گیرد. نور لیزر، ساده‌ترین و کم هزینه‌ترین روشی است که طراحان از آن برای تراکم کپسول استفاده می کنند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[13, 14]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Nakai</Author><Year>1990</Year><RecNum>13</RecNum><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061968">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Nakai, S.; et al.; </author></authors></contributors><titles><title>Inertial Confinement</title><secondary-title>Nuclear Fusion</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Fusion</full-title></periodical><pages>1779-1797</pages><volume>30</volume><number>9</number><dates><year>1990</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 14].

شکل 1-3- نمایی از کپسول هدف ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>falzner</Author><Year>2006</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060407">1</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>falzner, S.P.;</author></authors></contributors><titles><title>An Introduction to Interial Confinement Fusion.</title><secondary-title>New York: CRC Press</secondary-title></titles><periodical><full-title>New York: CRC Press</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]
کپسول هدف در این روش، قرص کوچکی با شعاع کمتر از ، حاوی یک لایه‏ی کروی است که بطور مثال با گاز دوتریوم– تریتیوم بصورت متقارن و یکنواخت بصورت شکل 1-3 پر شده است. این لایه، حاوی یک ماده با Z بالا در ناحیه‏ی خارج و DT در داخل است که توده‏ی سوخت را تشکیل می‏دهد.
برای رسیدن به شرایط دما و چگالی بالای مورد نیاز برای همجوشی، باید این کپسول تا جایی که ممکن است به طور متقارن و با انرژی انفجاری خیلی زیادی تابش ببیند. انرژی مورد نیاز، برای راه‏اندازی این فرایند بسیار زیاد است. برای گرمایش یک کپسول سوخت با قطر ، تا دمای، به اندازه‏ی انرژی مورد نیاز است که این انرژی می‌تواند با نور شدید لیزر یا توسط پرتوهای یونی تامین شود. این مقدار انرژی باید در چند پیکوثانیه به قسمت خارجی لایه‏ی هدف منتقل شود. به دلیل انفجار انرژی روی قسمت خارجی لایه‏ی هدف، این لایه‏ گرم شده بلافاصله یونیزه و تبخیر می‌شود. این فرایند کندگی نام دارد. وقتی این قسمت کنده می‌شود، قسمت داخلی و سوخت به دلیل بقای اندازه‏ حرکت، به سمت داخل رانده می‌شود (شکل1-4). در حین این رانش، چگالی سوخت تا چند صد گرم بر سانتیمتر مکعب و دمای سوخت تا حد دمای احتراق برای همجوشی افزایش می‌یابند. در نتیجه، احتراق رخ می‏دهد و فشاری به سمت خارج ایجاد می‌شود که بر موج انفجار به داخل غلبه کرده و منجر به انفجاری به خارج می‌شود. بدین ترتیب چگالی و دمای مورد نظر بدست می‏آیند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14].

شکل 1-4- مراحل همجوشی به روش محصورسازی لختی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14]
1-5-2- همجوشی هستهای توسط کاتالیزور میون(µCF)
روش دیگری برای رسیدن به انرژی همجوشی هسته‌ای در سال 1957 مطرح شد، که تحت عنوان همجوشی از طریق کاتالیزر میون معروف است و یک فرآیند همجوشی گسترده و تجدید پذیر است که در دماهای معمولی رخ می‌دهد. همانطور که گفته شد یکی از مهم‌ترین مسایل در فرآیند همجوشی، غلبه بر نیروی دافعه‌ی کلونی و ایجاد شرایطی که یون‌ها در محدوده‌ی نیروهای جاذبه‌ی نیرومند هسته‌ای قرار گیرند، می‌باشد. پیدایش میون در مدار اتم هیدروژن، اثر کاهش دافعه‌ی نیروی کلونی دارد. میون ذره‌ای بنیادی است که خواص آن مانند الکترون است، با این تفاوت که جرم میون تقریبا 207 برابر جرم الکترون است و ذره‌ای ناپایدار با زمان عمر µS2/2 می‌باشد. پس از گذشت این زمان میون به یک الکترون e- و یک نوترینوی میونی و به یک پادنوترینوی الکترونی واپاشی می‌کند. بصورت دقیق در اوایل 1980مورد مطالعه قرار گرفت ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jones</Author><Year>1986</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062363">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jones, S.E.;</author></authors></contributors><titles><title> Muon-Catalysed Fusion Revisited</title><secondary-title>Nature</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nature</full-title></periodical><pages>127-133</pages><volume>321</volume><number>6066</number><dates><year>1986</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12].
جرم زیاد میون نسبت به الکترون، به آن اجازه می‌دهد که وارد مدار اتم هیدروژن با شعاع بوهر، 207 مرتبه کوچکتر از شعاع الکترون شود و این باعث می‌شود که این اتم هیدروژن نسبت به دیگر اتم‌ها یا یون‌های هیدروژن، سنگین‌تر است. بنابر این، این هسته‌ی سنگین به دلیل کاهش نیروی دافعه‌ی کلونی می‌تواند با صرف انرژی کمتری به اتم‌ها و یون‌های دیگر هیدروژن، بسیار نزدیک شود و هنگامیکه هیدروژن میون‌دار و هیدروژن معمولی به اندازه‌ای به هم نزدیک شوند که تغییرات توزیع بار را احساس کنند، به حدی رسیده‌اند که نیروهای جاذبه‌ی هسته‌ای بین آن‌ها ایجاد شده است و پدیده همجوشی را بوجود می‌آورد بنابر این یکی از روش‌های ایجاد همجوشی در دمای پایین استفاده از کاتالیزور میون است.
میون اولین بار توسط اندرسون وندرمییر در سال ١٩٣٧ کشف شد. از طرف دیگر هنگامی که پاول ذره پایون را در سال ١٩۴٧ کشف کرد، فرانک پیشنهاد کرد که پایون‌های منفی می‌توانند به کمک محصور سازی شیمیایی، واکنشهای همجوشی را کاتالیز نمایند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Frank</Author><Year>1947</Year><RecNum>17</RecNum><DisplayText>[15]</DisplayText><record><rec-number>17</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062414">17</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Frank, F.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Nature</secondary-title></titles><volume>160</volume><number>525</number><dates><year>1947</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[15]:
pπ + d → pdπ→3He + π(1-9)
با وجود اینکه، احتمال جذب پایون توسط هسته بسیار بزرگ است، اما پایون زمان کافی برای تشکیل pdπ را نخواهد داشت. یک سال بعد، ساخارف پیشنهاد همجوشی کاتالیزور میونی را مطرح کرد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Sakharov</Author><Year>1948</Year><RecNum>18</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>18</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062457">18</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Sakharov, A.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Lebedev Physics Institute Report</secondary-title></titles><periodical><full-title>Lebedev Physics Institute Report</full-title></periodical><dates><year>1948</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16].
به دلیل اینکه تشکیل مولکول‌های میون‌دار در اثر فرایندهای برخوردی چند مرحله‌ای صورت می‌گیرد، بازده همجوشی کاتالیزور میونی، به شرایط ماکروسکوپی از قبیل دما، چگالی محیط و کسر غلظت‌های هیدروژن مایع و ضریب چسبندگی میونی وابسته است و می‌تواند به کمک تئوری سینتیکی که اساس آن آهنگ‌های برخوردی میکروسکوپی و سطح مقطع‌ها می‌باشد بهینه گردد. در سال‌های اخیر برای افزایش چرخه میونی، مخلوط سه تایی H/D/T پیشنهاد شده، که گزارشات و مقالات متناقضی در مورد افزایش یا کاهش ضریب تکثیر میونی گزارش شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Eskandari</Author><Year>1998</Year><RecNum>19</RecNum><DisplayText>[17-19]</DisplayText><record><rec-number>19</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062505">19</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Eskandari, M. R.; and Deilami S.;</author></authors></contributors><titles><title>Stability studies of D/T/H sys-- using Hurwitz method</title><secondary-title>IPAC, Kerman</secondary-title></titles><periodical><full-title>IPAC, Kerman</full-title></periodical><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Markushin</Author><Year>1991</Year><RecNum>20</RecNum><record><rec-number>20</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062559">20</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Markushin, V. E.; et al.;</author></authors></contributors><titles><title> Kinetics of muon catalyzed fusion in the triple H2-D2-T2 mixture atlow deuterium and tritium concentrations</title><secondary-title> Technical Report PSI-PR-41-92, Preprint from Paul Scherrer Institute, Villigen</secondary-title></titles><dates><year>1991</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Eskandari</Author><Year>1999</Year><RecNum>22</RecNum><record><rec-number>22</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062767">22</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Eskandari, M. R.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Journal of Nuclear Science</secondary-title></titles><volume>36</volume><number>1</number><dates><year>1999</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[17-19].
1-5-3- محصورسازی مغناطیسی (MCF) در محصورسازی مغناطیسی از میدان‌های مغناطیسی و الکترونیکی برای گرما دادن و فشردن پلاسمای هیدروژن در راکتور ITER استفاده میشود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite ExcludeYear="1"><Author>Wagner</Author><RecNum>23</RecNum><DisplayText>[20]</DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062841">23</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wagner, F.;</author></authors></contributors><titles><title> ThePhysics Basis of ITER Confinement</title><secondary-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</secondary-title></titles><periodical><full-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</full-title></periodical><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20].
راکتورهای همجوشی هستهای که در آنها پلاسما به روش مغناطیسی محصورشده است براین اساس که میدان مغناطیسی تمام یا قسمتی از سطح پلاسما را بپوشاند، به دو گروه زیر تقسیم شدهاند:
چنبرهای
انتها باز
از معروفترین ماشین‌های پینچ می‌توان از تتا پینچ و Z پینچ نام برد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Polsgrove</Author><Year>2011</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText>[21]</DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062899">24</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Polsgrove, T.; Robert, S.F.; Adams ,B;</author></authors></contributors><titles><title>Design of Z-pinch and Dense Plasma Focus Powered Vehicles</title><secondary-title>49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition</secondary-title></titles><periodical><full-title>49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition</full-title></periodical><dates><year>2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[21]. این سیستم‌ها آرایش استوانه‌ای دارند. در تتا پینچ جریانی از یک سیم‌پیچ استوانه‌ای پلاسما را دور می‌زند، و میدان حاصل از آن منجر به محصورسازی آن می‌شود. در Z پینچ توسط الکترودهایی که در قاعده‌ها قرار دارد جریانی در جهت محوری تولید می‌شود میدان ناشی از آن، پلاسما را گرم و متراکم می‌کند.
پینچ معکوس نوعی پینچ است که در آن جریانی در خلاف جهت جریان پلاسما اعمال می‌شود. در این دستگاه برهم‌کنش میدان قطبی ناشی از جریان رسانای داخلی، با جریان پلاسما منجر به حرکت پلاسما به سمت خارج می‌شود. در این دستگاه از دو استوانه هم محور به عنوان الکترود استفاده می‌شود. با تخلیه‌ی شعاعی میان دو الکترود میدان مغناطیسی قطبی القا می‌شود که پلاسما را گرم و متراکم می‌کند.
در سیستم‌های آینه‌ای پلاسما، از یک سیم‌پیچ ین-یانگ استفاده می‌شود پلاسما در این آرایش در ناحیه‌ای که از حداقل میدان مغناطیسی برخوردار است، محصور می‌شود. این نوع دستگاه‌ها عملکرد پایا دارند اما در آنها پلاسما از انتهای باز میدان خارج و تلف می‌شود، بنابراین باید از روش‌های کنترل انرژی خروجی استفاده کرد.
از جمله آزمایش‌های آینه‌ای در جهان عبارتند از: GDT و GoL-3-II در روسیه، Qt-UP و Gamma-10 در ژاپن. در حال حاضر با توجه به نتایج عملی و تجربی به دست آمده بیشتر آزمایش‌های مغناطیسی بر توکامک متمرکز شده‌اند. در شکل 1-5 یک راکتور از نوع آینه‌ای نشان داده شده است.

شکل1-5- راکتور آینهای ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Stacy</Author><Year>2010</Year><RecNum>25</RecNum><DisplayText>[22]</DisplayText><record><rec-number>25</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063009">25</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Stacy, M. Stacey;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion An Introduction to tHe physics and technology of magnetic confinement fusion</title><secondary-title>Second, completely Revsed and enlarged Edition</secondary-title></titles><periodical><full-title>Second, completely Revsed and enlarged Edition</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[22]
همچنین بنابر نوع عملکرد راکتورها، آنها را میتوان به انواع زیر نیز تقسیم بندی کرد (از مهمترین آنها می‎توان به دستگاههای چنبره‎ای مانند توکامک، استلاراتور، چنبره برآمده ، اسفرومک، اسفراتور، تورساترون و دستگاههای انتها بازی چون آینه‎های مغناطیسی، پینچها و پلاسمای کانونی اشاره کرد.):
پایا: در این نوع راکتور واکنش‌های همجوشی به صورت مداوم انجام میگیرند.
تپی: این راکتور به طور مرتب قطع و وصل میگردد. زمان همجوشی تقریبا با زمان محصور بودن پلاسما برابر است.
شبه پایا: در مقایسه با انواع نامبرده، یک راکتور متوسط محسوب میگردد . زمان همجوشی آن اندکی بیشتر از زمان محصور شدن پلاسما است. اما در هر حال زمان محدودی است. (توکامک نمونهای از این نوع راکتور است.)
طبقه بندی انواع راکتور ها برحسب روش محصور کردن پلاسمادر دستگاه چنبره‎ای، پلاسما توسط میدان‌ مغناطیسی محصور می‎گردد. میدان اصلی در توکامک میدان چنبره‎ای است که بطور نمادین در شکل(1-6) نشان داده شده است. در جدول (1-2) نیز خلاصهای از انواع راکتورها برحسب روش محصور کردن پلاسما و نوع عملکرد آنها آورده شده است.
جدول1-2- انواع راکتورها برحسب روش محصور کردن پلاسماآرایش میدان مغناطیسی دستگاه نوع عملکرد
چنبره ای توکامک شبه پایا
تنگش میدان وارونه شبه پایا
استلاراتور پایا
هلیوترون پایا
تنگش چنبره ای تپی
انتها باز آیینه ای پایا
تنگش مستقیم تپی
پلاسمای کانونی تپی
شکل 1-6- نمایی از دستگاه چنبرهای پلاسما ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Glasstone</Author><Year>1980</Year><RecNum>27</RecNum><DisplayText>[23, 24]</DisplayText><record><rec-number>27</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063252">27</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Glasstone, S.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion Energy</title><secondary-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</secondary-title></titles><periodical><full-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</full-title></periodical><dates><year>1980</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Emrich</Author><Year>2001</Year><RecNum>26</RecNum><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063119">26</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Emrich, W. J.;</author></authors></contributors><titles><title>Field-Reversed Magnetic Mirrors for Confinement of Plasmas</title><secondary-title>NASA Tech Briefs</secondary-title></titles><periodical><full-title>NASA Tech Briefs</full-title></periodical><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[23, 24]
1-6-1- راکتور توکامکتوکاماک یکی از انواع رآکتورهای همجوشی هستهای است که عمل محصورسازی را به خوبی انجام میدهد. طرح توکاماک در دهه پنجاه میلادی توسط روس‌ها پیشنهاد شد. کلمه توکاماک از کلمات "toroidalnaya", "kamera", and "magnitnaya" به معنی " اتاقک مغناطیسی چنبره‌ای" گرفته شده است. این سیستمها حاوی پلاسمای سوخت هستند که توسط دو سری میدان مغناطیسی نگهداری میشوند، و شکلی مانند چنبره تشکیل می‌دهند. ITER اسم مجموعهایست که اولین رآکتور همجوشی جهان از نوع توکاماک را ساخته است. این مجموعه متشکل از کشورهای روسیه، اروپا، ژاپن، کانادا، چین، ایالات متحده و جمهوری کره می‌باشد. آنها در این راه از فوق هادیها برای قسمتهای مغناطیسی رآکتور استفاده کرده و توان خروجی این توکاماک 410 مگا وات می‌باشد.
1-6-2- قسمتهای اصلی راکتور توکاماک ITERنمایی از راکتور توکامک ایتر در شکل(1-7) و (1-8) آورده شده است که شامل قسمتهای متفاوتی برای انجام فرایند محصورسازی پلاسما به روش مغناطیسی می‌باشد. این اجزا به همراه فرایندی که در آن انجام می‌گیرد بصورت خلاصه و در حد لزوم در زیر آمده است:
لوله خلأ: پلاسما را نگه داشته و از محفظه فعل و انفعال محافظت میکند
انژکتور پرتو خنثی(سیکلوترون یون): ذرات پرتو را از شتاب دهنده به پلاسما تزریق میکند تا به پلاسما برای رسیدن به دمای بحرانی کمک نماید.
میدان مغناطیسی مارپیچ: رفتار مغناطیسی بسیار قوی که شکل و محتوای پلاسمای استفاده شده در میدان مغناطیسی را محدود میکند.
ترانسفورماتور/ سولنوئید مرکزی: الکتریسیته را برای میدان مغناطیسی مارپیچ تامین میکند.
سیستم خنک کننده: آهنربا را خنک میکند.
سیستم عایق: ساخته شده از لیتیم است؛ گرما و انرژی بالای نوترون را از راکتور همجوشی هسته‌ای جذب میکند.
دایورتور: خروج محصولات هلیم از راکتور همجوشی

شکل 1-7- راکتور توکاماک ایتر ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wagner</Author><Year>2012</Year><RecNum>28</RecNum><DisplayText>[25]</DisplayText><record><rec-number>28</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063339">28</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wagner, F.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion Energy by Magnetic Confinement</title><secondary-title> Research Laboratory for Advanced Tokamak Physics, St. Petersburg Polytechnical State</secondary-title></titles><dates><year>2012</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[25]

شکل 1-8- سطح مقطع ایتر با پلاسمای بیضی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite ExcludeYear="1"><Author>Wagner</Author><Year>2009</Year><RecNum>23</RecNum><DisplayText>[20]</DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062841">23</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wagner, F.;</author></authors></contributors><titles><title> ThePhysics Basis of ITER Confinement</title><secondary-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</secondary-title></titles><periodical><full-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</full-title></periodical><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20]
1-6-3- راکتور اسفرومکاسفرومک نوع دیگری از راکتورهای همجوشی است که بر خلاف توکامک که شکل چنبرهای دارد، بصورت کروی است. در مرکز اسفرومک هیچ مادهای وجود ندارد. اسفرومک از ترانسفورماتور (مانند آنچه که در توکامک بکار رفته) برای تولید سطوح پیچیده شار به شکل دوقطبی مورد نیاز برای محبوس سازی استفاده نمیکند بلکه پلاسمای بسیار داغ را در یک سیستم میدان مغناطیسی ساده و فشرده که فقط از یک سری ساده از کویلهای کوچک پایدار کننده استفاده می‌کند، بوجود می‌آورد. میدان‌های مغناطیسی قوی لازم درون پلاسما با چیزی که دینام مغناطیسی نامیده می‌شود تولید می‌شوند. در اسفرومک شعاع اصلی با شعاع فرعی برابر است یعنی پلاسما مطابق شکل در سیستمی کروی محصور می‎شود.
1-6-4- سایر راکتورهای محصورسازی مغناطیسیغیر از توکامک و اسفرومک دستگاه‌های دیگری برای محصورسازی مغناطیسی وجود دارد ، که تفاوت آنها در نوع آرایش میدان مغناطیسی و شکل آنهاست. برخی از این دستگاهها، تنگش میدان- وارونه، استلاراتور (شکل1-9) و هلیوترون،چنبره فشرده، دستگاه تنگش-تتا، دستگاه تنگش-Z ، پلاسمای کانونی می‌باشد.
استلاراتور وسیله‌ای برای حبس پلاسمای داغ به وسیله میدان مغناطیسی به منظور حفظ یک واکنش همجوشی کنترل شده است و یکی از ابتدایی‌ترین ابزارهای کنترل شده همجوشی بوده که اولین بار توسط لیمان اسپیتزر در سال 1950 اختراع شد. این اختراع تغییر در هندسه دستگاه‌های همجوشی قبلی بود.

شکل1-9- شماتیک هندسی راکتور استلاتور ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Emrich</Author><Year>2001</Year><RecNum>26</RecNum><DisplayText>[23, 24]</DisplayText><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063119">26</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Emrich, W. J.;</author></authors></contributors><titles><title>Field-Reversed Magnetic Mirrors for Confinement of Plasmas</title><secondary-title>NASA Tech Briefs</secondary-title></titles><periodical><full-title>NASA Tech Briefs</full-title></periodical><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Glasstone</Author><Year>1980</Year><RecNum>27</RecNum><record><rec-number>27</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063252">27</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Glasstone, S.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion Energy</title><secondary-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</secondary-title></titles><periodical><full-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</full-title></periodical><dates><year>1980</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[23, 24]
از مزایای استلاراتورها می‌توان عدم احتیاج به جریان چنبره‌ای (در نتیجه افزایش احتمال فعالیت مداوم) و ثبات سیستم بیشتر را نام برد.
فصل دوم
سینیتیک همجوشی پلاسمای دوتریوم – هلیوم 3
فصل دوم: سینیتیک همجوشی پلاسمای دوتریوم–هلیوم 3سوخت‌های جدید و خواص آنهامشکلات مربوط به پسمان همجوشی را می‌توان با انتخاب یک سوخت بهتر کاهش داد. کاندیداهای مختلفی برای سوخت‌های همجوشی وجود دارند که سوخت‌های پیشرفته نامیده می‌شوند و تعداد نوترون‌های تولید شده در آن ها نسبت به همجوشی D-T بسیار کمتر است و بنا براین مشکلات مربوط به رادیواکتیویته و ایمنی و زیست محیطی ندارند. به طور کلی، همجوشی غیر نوترونی به هر شکلی از همجوشی اطلاق می‌شود که در آن کمتر از یک در صد از انرژی آزاد شده توسط نوترون‌ها حمل شود، ولی شرایط لازم برای کنترل همجوشی غیر نوترونی بسیار دشوارتر از شرایط لازم برای چرخه سوخت متداول دوتریم-تریتیم است و هنوز به طور تجربی حاصل نشده است.
دلایل اصلی اهمیت مطالعه برای یافتن چرخه‌های سوخت پیشرفته عبارتند از ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Nakai</Author><Year>1990</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText>[13, 14]</DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061968">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Nakai, S.; et al.; </author></authors></contributors><titles><title>Inertial Confinement</title><secondary-title>Nuclear Fusion</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Fusion</full-title></periodical><pages>1779-1797</pages><volume>30</volume><number>9</number><dates><year>1990</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 14]:
حذف تریتیوم از چرخه سوخت به منظور ساده سازی چرخه سوخت (عدم نیاز به زایش تریتیوم) و افزایش ذخیره سوخت همجوشی (ذخیره لیتیم زمین مقدار کل تریتیمی را که قابل تولید با پوشش‌های زاینده هست محدود می‌کند.)
(حذف و یا کاهش فوق العاده) تولید نوترون در رآکتورهای همجوشی به منظور اجتناب از (یا تا حد ممکن کاهش دادن) فعالسازی اجزای راکتورها و تخریب ناشی از نوترون‌ها.
دو چرخه مهم سوخت پیشرفته p-11B و D-3He می‌باشد، چرخه سوخت D-3He، تعداد خیلی کمتری نوترون نسبت به چرخه سوخت D-T تولید می‌کند و انرژی این نوترون‌ها نیز خیلی کمتر است، بنابراین، میزان تخریب مواد کاهش خواهد یافت. مطالعات نشان داده‌اند که چرخه سوخت D-3He به میزان قابل توجهی مساله طول عمر اجزای راکتور را با کاهش تخریب نوترونی حل می‌کند در حالی که مشکل فعال سازی نوترونی و تولید پسماندهای مربوط به آن کماکان باقی می‌ماند. در این چرخه، تریتیم حذف شده است ولی ایزوتوپ نایاب هلیم 3 جایگزین آن شده است. بر روی زمین در حدود 400 کیلوگرم هلیم3 قابل حصول است که در حدود GW-year 8 انرژی همجوشی بدست می‌دهد و مقادیر بیشتر از این باید یا از طریق واکنش‌هایی که شامل نوترون هستند، تهیه شود (که مزیت بالقوه همجوشی غیر نوترونی را از بین می‌برد) و یا اینکه از منابع ماورای زمین تهیه شود. بر روی سطح ماه در حدود 109 کیلوگرم هلیم3 وجود دارد که معادل هزار سال مصرف انرژی فعلی جهان است. همچنین، در اتمسفر سیارات عظیم گازی در حدود 1023 کیلوگرم هلیوم 3 وجود دارد که قادر است در حدود 1017 سال مصرف فعلی انرژی جهان را تولید کند، یعنی منابع هلیم 3 منظومه شمسی عملا پایان ناپذیرند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>2006</Year><RecNum>29</RecNum><DisplayText>[26]</DisplayText><record><rec-number>29</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063586">29</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J.;</author></authors></contributors><titles><title>A Strategy for D–3He Development</title><secondary-title>Fusion Technology Institute</secondary-title></titles><periodical><full-title>Fusion Technology Institute</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[26].
ولی استخراج هلیم 3 از این منابع و انتقال آن به زمین بسیار دشوار و پرهزینه خواهد بود و تنها در آینده‌های دور می‌توان به آن اندیشید ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>1998</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060467">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J. F.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of Fusion Energy</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Fusion Energy</full-title></periodical><pages>33-40</pages><volume>17</volume><number>1</number><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2].
چرخه سوخت D-3He نسبت به D-T برای احتراق، نیازمند شرایط محصورسازی بالاتری nτET=2.4×1023keV.s/m3) ) است و در فشار پلاسمای یکسان، چگالی توان همجوشی کمتری نسبت به همجوشی D-T بدست خواهد داد. همچنین گرچه واکنش اصلی 3He(D,p)αرا می‌توان غیر نوترونی دانست ولی تولید نوترون از طریق واکنش جانبی D(D,n)3He و واکنش ثانویه D(T,n)α اجتناب ناپذیر است.
واکنش همجوشی 11B-p ایمن‌ترین و بهترین واکنش هسته‌ای هست که وجود دارد، 11B به فراوانی در آب دریا و منابع دیگر یافت می‌شود و 80 درصد بور موجود بر روی زمین را شامل می‌شود و هیدروژن هم که فراوان ترین عنصر در عالم هستی است. بنابراین، مشکلی از نظر محدودیت منابع سوخت وجود ندارد. حاصل واکنش آن‌ها نیز گاز بی اثر هلیم است و هیچ نوترونی تولید نخواهد شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Bussard</Author><Year>2006</Year><RecNum>30</RecNum><DisplayText>[27, 28]</DisplayText><record><rec-number>30</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063640">30</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Bussard, W.; et al.;</author></authors></contributors><titles><title> The Advent of Clean Nuclear Fusion: Superperformance Space Power and Propulsion</title><secondary-title> 57th International Astronautical Congress(IAC), Valencia, Spain</secondary-title></titles><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Soto</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063739">31</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Soto, L.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</secondary-title></titles><periodical><full-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</full-title></periodical><pages>361-381</pages><volume>47</volume><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[27, 28].
برای بهره برداری عملی از همجوشی، انرژی حاصل از همجوشی باید بیش از انرژی لازم برای گرمایش پلاسما باشد، بدین منظورشروط متعددی باید برآورده شوند که مهمترین آنها، دستیابی به مقادیر مناسب برای حاصل ضرب nτ و حاصل ضرب nTτ است که مجموع اینها معیار لاوسون نامیده می‌شود. یعنی باید پلاسما را با چگالی مناسب تا دمای مناسبی گرم کرد و این پلاسمای داغ و چگال را به مدت کافی محصور نمود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wesson</Author><Year>2004</Year><RecNum>32</RecNum><DisplayText>[29]</DisplayText><record><rec-number>32</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063806">32</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wesson, J.;</author></authors></contributors><titles><title> Tokamaks</title><secondary-title>Clarendon Press-Oxford</secondary-title></titles><periodical><full-title>Clarendon Press-Oxford</full-title></periodical><volume>third edition</volume><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[29].
مقدار عدد به دست آمده در معیار لاوسون برای سوخت دوتریم تریتیم ازسال 1969 تا سال 2000 حدود 500 هزار برابر افزایش یافته است. سوخت‌های جدید مورد نظر هنوز نیاز به یک تا دو مرتبه افزایش در بزرگی دارند. بررسی‌های نظری نشان داده‌اند که این کار شدنی است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>2006</Year><RecNum>33</RecNum><DisplayText>[30]</DisplayText><record><rec-number>33</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063863">33</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, F.;et al.;</author></authors></contributors><titles><title>Role of Advanced-Fuel and Innovative Concept Fusion in the Nuclear Renaissance</title><secondary-title>APS Division of Plasma Physics Meeting, Philadelphia</secondary-title></titles><periodical><full-title>APS Division of Plasma Physics Meeting, Philadelphia</full-title></periodical><volume>31</volume><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[30].
خواص دوتریومدوتریوم همان عنصر هیدروژن است که علاوه بر یک پروتون یک نوترون نیز درون هسته آن وجود دارد. اگرمولکول آب توسط دوتریوم تشکیل شود به آن آب سنگین () می‌گویند. در هر لیتر از آب دریا (۳۵) گرم دوتریوم وجود دارد. دوتریوم یکی از پایه‌های لازم برای همجوشی هسته‌ای است. در آب در کنار هر ۷۰۰۰ اتم هیدروژن ۱ اتم دوتریوم موجود است که جدا کردن آن با توجه به نزدیکی خواص آب سنگین و آب سبک بسیار سخت است. این دوتریومها باید تغلیظ و انبار شوند تا ابتدا به آب سنگین ۱۵٪ و سپس به آب ۹۹٪ تبدیل شود، جدا سازی آب سنگین از آب سبک بسیار سنگین ، پیچیده و سخت است. به دلیل آنکه گرمای تبخیر آب سنگین بشتر از آب معمولی می‌باشد، از آن در نیروگاههای اتمی جهت خنک کردن راکتورها استفاده میکنند.
دوتریوم را می توان به آسانی از آب استخراج کرد. هیدروژن موجود در زمین شامل دوتریوم به نسبت جرمی 1:5000 است. یک تریلی پر از دوتریوم انرژی معادل 2 میلیون تن زغال سنگ یا 1.3میلیون تن نفت (10میلیون بشکه)، یا 30 تن اکسید اورانیوم، آزاد خواهد کرد.
دوتریوم در واکنش‌های همجوشی زیر با آهنگ واکنش مساوی شرکت میکنند:
(2-1)
(2-2)
محیطى که به این درجه از گرما برسد، نمی‌تواند در یک جداره مادى بگنجد.
خواص هلیوم 3هلیوم 3 یکی از ایزوتوپ‌های غیر پرتوزای عنصر گازی هلیوم است که دارای ۲ پروتون و یک نوترون است. از این ماده به عنوان سوخت در تحقیقات مربوط به راکتورهای هسته‌ای، استفاده می‌شود. در زمین به ندرت یافت می‌شود و عموما در لایه‌های فوقانی سنگی کره ماه که طی بیش از میلیاردها سال توسط بادهای خورشیدی ایجاد شده است، به فراوانی موجود است. هلیون هسته اتم هلیوم 3 حاوی دو پروتون و تنها یک نوترون می‌باشد. این در حالی است که هلیوم معمولی حاوی دو نوترون می‌باشد. وجود فرضی آن اولین بار در 1934 پیشنهاد شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Oliphant</Author><Year>1934</Year><RecNum>34</RecNum><DisplayText>[31]</DisplayText><record><rec-number>34</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063934">34</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Oliphant, M. L. E.; Harteck ,P.; Rutherford, E.;</author></authors></contributors><titles><title> Transmutation Effects Observed with Heavy Hydrogen</title><secondary-title>Proceedings of the Royal Society</secondary-title></titles><periodical><full-title>Proceedings of the Royal Society</full-title></periodical><pages>692-703</pages><volume>144</volume><number>853</number><dates><year>1934</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[31].
بخاطر جرم اتمی پایین‌ترش نسبت به هلیوم4 دارای خصوصیات فیزیکی متفاوتی نسبت به آن است. به سبب تعامل ضعیف ناشی از پیوندهای دو قطبی-دو قطبی بین اتم‌های هلیوم، خواص فیزیکی ماکروسکوپی آن عمدتا توسط نقطه صفر انرژی آن (انرژی جنبشی حداقل) تعیین می‌شود. همچنین خواص میکروسکوپی هلیوم 3 سبب می‌شود که نقطه صفر انرژی آن بالاتر از هلیوم 4 باشد. این نشان می‌دهد که هلیوم3 می‌تواند بر تعامل دو قطبی-دو قطبی با انرژی حرارتی کمتری نسبت به هلیوم-4، غلبه کند.
هلیوم 3 می‌تواند توسط یکی از دو واکنش زیر در واکنش‌های همجوشی شرکت کند:
2D + 3He →   4He +  1p + 18.3 MeV(2-3)
3He + 3He → 4He   + 2 1p+ 12.86 MeV(2-4)
که هدف در این مطالعه استفاده از دوتریوم و هلیوم 3 می‌باشد. سرعت‌های واکنش با دما متغیر است اما سرعت واکنش D-3He هرگز بالاتر از 56/3 برابر سرعت واکنش D-D نمی‌باشد. شکل 2-1 بیانگر حالت مقایسه‌ای بین انواع سوخت‌هاست.

شکل2-1- واکنش پذیری انواع سوخت‌ها ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Tang</Author><Year>2011</Year><RecNum>35</RecNum><DisplayText>[32]</DisplayText><record><rec-number>35</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063997">35</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Tang, R.;</author></authors></contributors><titles><title>Study of the G--ynamic Mirror (GDM) Propulsion Sys--</title><secondary-title> thesis (A dissertation submitted in partial fulfillment ofthe requirements for the degree of Doctor of Philosophy) in the University of Michigan</secondary-title></titles><dates><year>2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[32]
سرعت واکنش همجوشی به سرعت با دما افزایش می‌یابد تا اینکه به بیشینه مقداری رسیده و سپس به تدریج افت می‌کند. در مقایسه‌ای کلی جدول 2-1 را خواهیم داشت.
سوخت‌های پیشرفته، همجوشی سوخت‌های نسل دوم و سوم هستند که مقادیر بسیار کم یا اصلا هیچ نوترونی تابش نمی‌کنند و چرخه‌های سوخت نسل اول در آنها وجود ندارد. تعداد نوترون‌های تولید شده در واکنش‌های شامل هلیوم 3 بسیار کم است (در مورد واکنش 3He-3He عملا صفر و در مورد D-3He حدود 01/0 تا 05/0 همجوشی D-T و کمتر از 02/0 همجوشی D-D است.
محصول نسل سوم واکنش‌های همجوشی فقط ذرات باردار است و هر گونه واکنش جانبی نسبتا بی اهمیت است. در شرایط مناسب، فقط 1/0 درصد از انرژی حاصل از واکنش p-11B، توسط نوترون‌های تولید شده از واکنش‌های جانبی حمل می‌شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>1998</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060467">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J. F.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of Fusion Energy</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Fusion Energy</full-title></periodical><pages>33-40</pages><volume>17</volume><number>1</number><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2].
استفاده از سوخت‌های جدید نسبت به D-T با مسایل بیشتری مواجه است. به عنوان مثال در مورد D-3He باید:
دمای احتراق دست کم حدود 6 برابر افزایش یابد.
مقدار neτe حداقل حدود 8 برابر
حاصل ضرب nτT حداقل در حدود 50 برابر افزایش می‌یابد.
جدول2-1- نسل‌های مختلف سوخت‌های همجوشی PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5LaHZlc3l1azwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjIwMDI8L1llYXI+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ADDIN EN.CITE PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5LaHZlc3l1azwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjIwMDI8L1llYXI+
PFJlY051bT44PC9SZWNOdW0+PERpc3BsYXlUZXh0PlsyNiwgMzMtMzddPC9EaXNwbGF5VGV4dD48
cmVjb3JkPjxyZWMtbnVtYmVyPjg8L3JlYy1udW1iZXI+PGZvcmVpZ24ta2V5cz48a2V5IGFwcD0i
RU4iIGRiLWlkPSJ6cmE1d3hzZDh6NXY1dWU5NXNnNTVheGo5cDAyMjBzMDB4eDUiIHRpbWVzdGFt
cD0iMTQyMzA2MTYyMiI+ODwva2V5PjwvZm9yZWlnbi1rZXlzPjxyZWYtdHlwZSBuYW1lPSJKb3Vy
bmFsIEFydGljbGUiPjE3PC9yZWYtdHlwZT48Y29udHJpYnV0b3JzPjxhdXRob3JzPjxhdXRob3I+
S2h2ZXN5dWssIFYuIEkuOyBhbmQgWXUgQ2hpcmtvdiwgQS47PC9hdXRob3I+PC9hdXRob3JzPjwv
Y29udHJpYnV0b3JzPjx0aXRsZXM+PHRpdGxlPkxvdy1yYWRpb2FjdGl2aXR5IETigJMzSGUgZnVz
aW9uIGZ1ZWwgY3ljbGVzIHdpdGggM0hlIHByb2R1Y3Rpb248L3RpdGxlPjxzZWNvbmRhcnktdGl0
bGU+UExBU01BIFBIWVNJQ1MgQU5EIENPTlRST0xMRUQgRlVTSU9OPC9zZWNvbmRhcnktdGl0bGU+
PC90aXRsZXM+PHBlcmlvZGljYWw+PGZ1bGwtdGl0bGU+UExBU01BIFBIWVNJQ1MgQU5EIENPTlRS
T0xMRUQgRlVTSU9OPC9mdWxsLXRpdGxlPjwvcGVyaW9kaWNhbD48cGFnZXM+MjUzLTI2MDwvcGFn
ZXM+PHZvbHVtZT40NDwvdm9sdW1lPjxkYXRlcz48eWVhcj4yMDAyPC95ZWFyPjwvZGF0ZXM+PHVy
bHM+PC91cmxzPjwvcmVjb3JkPjwvQ2l0ZT48Q2l0ZT48QXV0aG9yPlNhbnRhcml1czwvQXV0aG9y
PjxZZWFyPjIwMDY8L1llYXI+PFJlY051bT4yOTwvUmVjTnVtPjxyZWNvcmQ+PHJlYy1udW1iZXI+
Mjk8L3JlYy1udW1iZXI+PGZvcmVpZ24ta2V5cz48a2V5IGFwcD0iRU4iIGRiLWlkPSJ6cmE1d3hz
ZDh6NXY1dWU5NXNnNTVheGo5cDAyMjBzMDB4eDUiIHRpbWVzdGFtcD0iMTQyMzA2MzU4NiI+Mjk8
L2tleT48L2ZvcmVpZ24ta2V5cz48cmVmLXR5cGUgbmFtZT0iSm91cm5hbCBBcnRpY2xlIj4xNzwv
cmVmLXR5cGU+PGNvbnRyaWJ1dG9ycz48YXV0aG9ycz48YXV0aG9yPlNhbnRhcml1cywgSi47PC9h
dXRob3I+PC9hdXRob3JzPjwvY29udHJpYnV0b3JzPjx0aXRsZXM+PHRpdGxlPkEgU3RyYXRlZ3kg
Zm9yIETigJMzSGUgRGV2ZWxvcG1lbnQ8L3RpdGxlPjxzZWNvbmRhcnktdGl0bGU+RnVzaW9uIFRl
Y2hub2xvZ3kgSW5zdGl0dXRlPC9zZWNvbmRhcnktdGl0bGU+PC90aXRsZXM+PHBlcmlvZGljYWw+
PGZ1bGwtdGl0bGU+RnVzaW9uIFRlY2hub2xvZ3kgSW5zdGl0dXRlPC9mdWxsLXRpdGxlPjwvcGVy
aW9kaWNhbD48ZGF0ZXM+PHllYXI+MjAwNjwveWVhcj48L2RhdGVzPjx1cmxzPjwvdXJscz48L3Jl
Y29yZD48L0NpdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5Ub2RkPC9BdXRob3I+PFllYXI+MTk5NDwvWWVhcj48
UmVjTnVtPjM2PC9SZWNOdW0+PHJlY29yZD48cmVjLW51bWJlcj4zNjwvcmVjLW51bWJlcj48Zm9y
ZWlnbi1rZXlzPjxrZXkgYXBwPSJFTiIgZGItaWQ9InpyYTV3eHNkOHo1djV1ZTk1c2c1NWF4ajlw
MDIyMHMwMHh4NSIgdGltZXN0YW1wPSIxNDIzMDY0OTQwIj4zNjwva2V5PjwvZm9yZWlnbi1rZXlz
PjxyZWYtdHlwZSBuYW1lPSJKb3VybmFsIEFydGljbGUiPjE3PC9yZWYtdHlwZT48Y29udHJpYnV0
b3JzPjxhdXRob3JzPjxhdXRob3I+VG9kZCwgSC5SaWRlcjs8L2F1dGhvcj48L2F1dGhvcnM+PC9j
b250cmlidXRvcnM+PHRpdGxlcz48dGl0bGU+QSBHZW5lcmFsIENyaXRpcXVlIG9mIEluZXJ0aWFs
IEVsZWN0cm9zdGF0aWMgQ29uZmluZW1lbnQgRnVzaW9uIFN5c3RlbXM8L3RpdGxlPjxzZWNvbmRh
cnktdGl0bGU+dGhlc2lzIGluIHRoZSBNYXNzYWNodXNldHRzIEluc3RpdHV0ZSBvZiBUZWNobm9s
b2d5PC9zZWNvbmRhcnktdGl0bGU+PC90aXRsZXM+PHBlcmlvZGljYWw+PGZ1bGwtdGl0bGU+dGhl
c2lzIGluIHRoZSBNYXNzYWNodXNldHRzIEluc3RpdHV0ZSBvZiBUZWNobm9sb2d5PC9mdWxsLXRp
dGxlPjwvcGVyaW9kaWNhbD48ZGF0ZXM+PHllYXI+MTk5NDwveWVhcj48L2RhdGVzPjx1cmxzPjwv
dXJscz48L3JlY29yZD48L0NpdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5Sb2Jlcmc8L0F1dGhvcj48WWVhcj4y
MDExPC9ZZWFyPjxSZWNOdW0+NzQ8L1JlY051bT48cmVjb3JkPjxyZWMtbnVtYmVyPjc0PC9yZWMt
bnVtYmVyPjxmb3JlaWduLWtleXM+PGtleSBhcHA9IkVOIiBkYi1pZD0ienJhNXd4c2Q4ejV2NXVl
OTVzZzU1YXhqOXAwMjIwczAweHg1IiB0aW1lc3RhbXA9IjE0MjMwNzU4NDYiPjc0PC9rZXk+PC9m
b3JlaWduLWtleXM+PHJlZi10eXBlIG5hbWU9IkpvdXJuYWwgQXJ0aWNsZSI+MTc8L3JlZi10eXBl
Pjxjb250cmlidXRvcnM+PGF1dGhvcnM+PGF1dGhvcj5Sb2JlcmcsIEcuOzwvYXV0aG9yPjwvYXV0
aG9ycz48L2NvbnRyaWJ1dG9ycz48dGl0bGVzPjx0aXRsZT5UaGUgUG93ZXIgb2YgdGhlIEZ1dHVy
ZTwvdGl0bGU+PHNlY29uZGFyeS10aXRsZT5OdWNsZWFyIEZ1c2lvbjwvc2Vjb25kYXJ5LXRpdGxl
PjwvdGl0bGVzPjxwZXJpb2RpY2FsPjxmdWxsLXRpdGxlPk51Y2xlYXIgRnVzaW9uPC9mdWxsLXRp
dGxlPjwvcGVyaW9kaWNhbD48ZGF0ZXM+PHllYXI+MjAxMTwveWVhcj48L2RhdGVzPjx1cmxzPjwv
dXJscz48L3JlY29yZD48L0NpdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5CZXJ0dWxhbmk8L0F1dGhvcj48WWVh
cj4yMDEwPC9ZZWFyPjxSZWNOdW0+NzM8L1JlY051bT48cmVjb3JkPjxyZWMtbnVtYmVyPjczPC9y
ZWMtbnVtYmVyPjxmb3JlaWduLWtleXM+PGtleSBhcHA9IkVOIiBkYi1pZD0ienJhNXd4c2Q4ejV2
NXVlOTVzZzU1YXhqOXAwMjIwczAweHg1IiB0aW1lc3RhbXA9IjE0MjMwNzUxNDIiPjczPC9rZXk+
PC9mb3JlaWduLWtleXM+PHJlZi10eXBlIG5hbWU9IkpvdXJuYWwgQXJ0aWNsZSI+MTc8L3JlZi10
eXBlPjxjb250cmlidXRvcnM+PGF1dGhvcnM+PGF1dGhvcj5CZXJ0dWxhbmksIEMuQS47PC9hdXRo
b3I+PC9hdXRob3JzPjwvY29udHJpYnV0b3JzPjx0aXRsZXM+PHRpdGxlPk51Y2xlYXIgUmVhY3Rp
b25zPC90aXRsZT48c2Vjb25kYXJ5LXRpdGxlPldpbGV5IEVuY3ljbG9wZWRpYSBvZiBQaHlzaWNz
LCBXaWxleS1WQ0gsIEJlcmxpbjwvc2Vjb25kYXJ5LXRpdGxlPjwvdGl0bGVzPjxwZXJpb2RpY2Fs
PjxmdWxsLXRpdGxlPldpbGV5IEVuY3ljbG9wZWRpYSBvZiBQaHlzaWNzLCBXaWxleS1WQ0gsIEJl
cmxpbjwvZnVsbC10aXRsZT48L3BlcmlvZGljYWw+PGRhdGVzPjx5ZWFyPjIwMTA8L3llYXI+PC9k
YXRlcz48dXJscz48L3VybHM+PC9yZWNvcmQ+PC9DaXRlPjxDaXRlPjxBdXRob3I+WWFtYW5ha2E8
L0F1dGhvcj48WWVhcj4xOTkxPC9ZZWFyPjxSZWNOdW0+Mzc8L1JlY051bT48cmVjb3JkPjxyZWMt
bnVtYmVyPjM3PC9yZWMtbnVtYmVyPjxmb3JlaWduLWtleXM+PGtleSBhcHA9IkVOIiBkYi1pZD0i
enJhNXd4c2Q4ejV2NXVlOTVzZzU1YXhqOXAwMjIwczAweHg1IiB0aW1lc3RhbXA9IjE0MjMwNjYx
NjciPjM3PC9rZXk+PC9mb3JlaWduLWtleXM+PHJlZi10eXBlIG5hbWU9IkpvdXJuYWwgQXJ0aWNs
ZSI+MTc8L3JlZi10eXBlPjxjb250cmlidXRvcnM+PGF1dGhvcnM+PGF1dGhvcj5ZYW1hbmFrYSwg
Qy47PC9hdXRob3I+PC9hdXRob3JzPjwvY29udHJpYnV0b3JzPjx0aXRsZXM+PHRpdGxlPiBJbnRy
b2R1Y3Rpb24gdG8gTGFzZXIgRnVzaW9uPC90aXRsZT48c2Vjb25kYXJ5LXRpdGxlPkhhcndhcmQg
QWNhZGVtaWMgUHVibGlzaGVyczwvc2Vjb25kYXJ5LXRpdGxlPjwvdGl0bGVzPjxwZXJpb2RpY2Fs
PjxmdWxsLXRpdGxlPkhhcndhcmQgQWNhZGVtaWMgUHVibGlzaGVyczwvZnVsbC10aXRsZT48L3Bl
cmlvZGljYWw+PGRhdGVzPjx5ZWFyPjE5OTE8L3llYXI+PC9kYXRlcz48dXJscz48L3VybHM+PC9y
ZWNvcmQ+PC9DaXRlPjwvRW5kTm90ZT4A
ADDIN EN.CITE.DATA [26, 33-37]
n/MeV بهره انرژی محصولات واکنش‌ها
سوخت‌های همجوشی نسل اول
0.306 3.268 MeV32He + 10n 21H + 21H (D-D)
0 4.032 MeV31H + 11p 21H + 21H (D-D)
0.057 17.571 MeV42He + 10n 21H + 31H (D-T)
سوخت‌های همجوشی نسل دوم
0 18.354 MeV42He + 11p 21H + 32He (D-3He)
سوخت‌های همجوشی نسل سوم
0 12.86 MeV42He+ 211p 32He + 32He
0 8.68 MeV3 42He115B + 11p
نتیجه کل سوختن دوتریوم(مجموع 4 سطر اول)
0.046 43.225 MeV2(4He + n + p) 6D
سوخت هسته‌ای در زمان حال


0.001 ~200 MeV2 FP+ 2.5n 235U + n
در استفاده از سوخت D-3He کاهش فوق العاده شار نوترونی باعث کاهش قابل ملاحظه تخریب تابشی می‌شود ودرنتیجه طول عمر دیواره اولیه و حفاظ تابشی افزایش می‌یابد و به حفاظ تابشی کوچک‌تری نیاز خواهد بود و تعمیرات و نگهداری راحت‌تر می‌شوند. افزایش شار ذرات باردار امکان تبدیل مستقیم انرژی همجوشی را با بازده بالا فراهم می سازد.
مشکلات عمده در استفاده از انرژی هسته‌ای در سالیان گذشته از سه مساله اصلی، احتمال پخش مواد رادیواکتیو، مشکلات مربوط به نگهداری پسماندهای هسته‌ای با عمر طولانی، احتمال استفاده از مواد حاصل برای کاربردهای تسلیحاتی می‌باشد. تمام این مشکلات مربوط به رآکتورهای هسته‌ای، مربوط است به:
سوخت رادیواکتیو
محصولات رادیواکتیو واکنش
نوترونها
همجوشی هسته‌ای تا حدودی از این مشکلات می‌کاهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Soto</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><DisplayText>[28]</DisplayText><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063739">31</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Soto, L.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</secondary-title></titles><periodical><full-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</full-title></periodical><pages>361-381</pages><volume>47</volume><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[28].
مزیت عمده سوخت‌های جدید همجوشی این است که سوخت و محصولات واکنش‌های نسل دوم و سوم همجوشی میزان پرتوزایی (تخریب حرارتی و وجود تریتیم) و نکات بالقوه مربوط به تکثیر تسلیحاتی و همینطور مشکلات مربوط به پسمانداری را تا حد زیادی کاهش داده یا حذف می‌کنند، ولی برای استفاده از آنها به پیشرفت فیزیکی و مهندسی زیادی نیاز است. از این سوخت‌های جدید می‌توان برای ساخت نیروگاه‌های برق ایمن، تمیز و اقتصادی، در سفینه‌های فضایی و موشک‌ها به عنوان سوخت و نیز برای کاربردهای پزشکی و غیره استفاده کرد. از مزایای دیگر آنها می‌توان از عدم نیاز به پوشش‌های زاینده تریتیم و حلقه‌های پیچیده سرمایش ثانویه و عدم نیاز به دستگاه‌های پیچیده تست نوترون و مدت زمان‌های بررسی طولانی نام برد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Soto</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><DisplayText>[28]</DisplayText><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063739">31</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Soto, L.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</secondary-title></titles><periodical><full-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</full-title></periodical><pages>361-381</pages><volume>47</volume><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[28].
پارامترهای متعددی در استفاده از سوخت‌های مختلف دخیلند، از جمله: .
انرژی کل محصولات همجوشی : Efus
محصولات باردار همجوشی: Ech
عدد اتمی ذرات درگیر در واکنش: Z
میزان انرژی حمل شده توسط نوترون ها
اتلاف انرژی از طریق تابش ترمزی و....
در رابطه با همجوشی D-D و D-T اتلاف انرژی از طریق تابش ترمزی مشکل جدی و مهمی است که باید حل شود، برای سوخت‌های سنگین‌تر D-3He و p-11 B و 3He-3He میزان این اتلاف به قدری است که کار یک راکتور همجوشی بر اساس طرح‌های توکامک و همجوشی لیزری را ناممکن می‌سازد.
تابش سینکروترونی نیز نکته دیگری است که باید مورد توجه قرار گیرد. بررسی‌ها نشان داده‌اند که درمورد همجوشی D-T تابش سینکروترونی نقش چندانی در بالانس انرژی ندارد، در حالی که در مورد همجوشی 3He-D این اثر قابل توجه است. و این مشکل باید در طراحی رآکتورهای احتمالی3 He -D حل شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Lerner</Author><Year>2003</Year><RecNum>38</RecNum><DisplayText>[38]</DisplayText><record><rec-number>38</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066296">38</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Lerner, E.J.;</author></authors></contributors><titles><title>ProspectsFor p-11B Fusion With The Dense Plasma Focus: New Results</title><secondary-title>Conf. Current Trends in International Fusion Research, Washington, USA</secondary-title></titles><periodical><full-title>Conf. Current Trends in International Fusion Research, Washington, USA</full-title></periodical><dates><year>2003</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[38].
درصدی از انرژی کل واکنش که توسط نوترون‌ها حمل می‌شود، در مورد D-T حدود 80 درصد، در مورد D-D حدود 66 درصد و در مورد 3 He –D و p-11B بسیار ناچیز و نزدیک به صفر است که این امر مشکلات مختلف مربوط به نوترون‌ها از جمله تخریب تابشی، حفاظ‌گذاری بیولوژیکی، کنترل از دور، ایمنی و اتلاف توان همجوشی توسط آنها را کاهش می‌دهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Sadowski</Author><Year>1998</Year><RecNum>39</RecNum><DisplayText>[39]</DisplayText><record><rec-number>39</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066348">39</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Sadowski, M.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Special Suppl. School of Physics - Georgia Institute of Technology</secondary-title></titles><periodical><full-title>Special Suppl. School of Physics - Georgia Institute of Technology</full-title></periodical><pages>3-4</pages><volume>39</volume><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[39].
پلاسما حالت چهارم مادهپلاسما گازی یونیزه و داغ می‌باشد که حاوی تعداد تقریبا برابری از یونهای مثبت باردارشده و الکترونهای با بار منفی می‌باشد. مشخصات پلاسما کاملا با گازهای خنثی طبیعی متفاوت است (گازهای معمولی به سبب خنثی بودنشان از لحاظ بار الکتریکی توانایی عکس ‌العمل در مقابل مغناطیس و میدان وابسته به آن را ندارند.) از این روست که پلاسما به عنوان حالت چهارم ماده معرفی شده است. برای مثال، به این علت که پلاسماها ذرات باردار الکتریکی تولید میکنند، تا زمانی که گاز بطور خنثی نباشد، به شدت تحت تاثیر میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی قرار می‌گیرد. مثالی از چنین تاثیری، به دام اندازی ذرات باردار پر انرژی در عرض خطوط میدان مغناطیسی زمین، به فرم کمربندهای تشعشی ون آلن است.
علاوه بر میدان‌های خارجی اعمال شده، مانند میدان مغناطیسی زمین و یا میدان مغناطیسی بین سیارهها، پلاسما براساس میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی ایجاد شده توسط خود پلاسما و از طریق تغییر غلظت بار محلی و جریان الکتریکی ایجاد شده عمل میکند، که در نتیجه حرکتهای متفاوت یونها و الکترونها ایجاد می‌شود. نیروهای اعمال شده توسط این میدان روی ذرات بارداری که عمل پلاسما را در طول فواصل طولانی ایجاد میکند، تاثیر گذاشته و سبب یکنواختی رفتار انتقالی ذرات و کیفیت بالایی میگردد که در گازهای خنثی دیده نمی‌شود. به رغم وجود غلظت بارهای محلی و پتانسیل های الکتریکی، پلاسما از نظر الکتریکی "شبه خنثی" است، زیرا بطور کل، تعداد تقریبا برابری از ذرات باردار مثبت و منفی طوری پراکنده شدهاند که تاثیر بارهای یکدیگر را از بین میبرند.
روشهای تولید پلاسماالف) تخلیه الکتریکی:
اگر میدان الکتریکی نیرومندی بر گازی معمولی اعمال کنیم ممکن است تعدادی از الکترونها، اتمهای خود را ترک کنند. هر اتم که به این ترتیب تحت تاثیر قرار بگیرد به طور مثبت باردار می‌شود و در این حالت میگوییم اتم به یون تبدیل شده است. الکترونهای جدا شده که بار منفی دارند آزادانه در دستگاه حرکت می‌کنند و از میدان الکتریکی انرژی میگیرند، با افزایش سرعت، به اتمهای دیگر برخورد میکنند و سبب آزاد شدن الکترونهای بیشتری میشوند. این کار به طور پیدرپی صورت می‌گیرد و تعداد الکترونهای آزاد شده مدام افزایش می‌یابد. این فرآیند به فرآیند آبشاری معروف است. در این میان تخلیه الکتریکی گسترش می‌یابد و جریان الکتریکی برقرار می‌شود. گاز قبل از تخلیه الکتریکی، نارسانا بود. در مواقعی که تخلیه الکتریکی بسیار قدرتمندی انجام می‌گیرد، ممکن است تمام اتمهای گاز به سبب فرآیند آبشاری یونیزه شوند و گاز به پلاسما تبدیل شود.
مخلوط همجوشی با فشار کم را در محفظه چنبرهاى شکل داخل کرده، به کمک یک سیستم اولیه متشکل از چند بوبین، یک میدان مغناطیسى معروف به چنبره‌اى، پدید میآید. سپس، به کمک هایپِرفرکانسها (فوق بسامدها)، محتوى محفظه چنبرهای، یونیزه گشته و در نهایت از طریق القا با افزایش تدریجى میدان مغناطیسى پدیدآمده بوسیله‌ی یک سیم لوله (سولونوئید( که در جهت محور سامانه قرار داده شده است، یک جریان پلاسما بوجود میآید.
ب) تولید پلاسما در درجه حرارت های بالا:
با رساندن دمای گاز به درجه حرارتهای بالا نیز میتوان پلاسما بوجود آورد. دمای لازم برای تولید این نوع پلاسما به روش یونیزاسیون حرارتی بسیار زیاد و از مرتبه دهها هزار درجه است و واقعیت این است که دانشمندان در مواقع بسیار نادر و ویژه از این روش برای تولید پلاسما استفاده میکنند.
پارامترهای بنیادی پلاسماهمه مقادیر در واحد گاووسی (cgs) بیان شده است. غیر از دما که در واحد الکترون ولت آورده شده است و جرم یون که بر حسب واحد جرم پروتون و بصورت μ=mimp می‌باشد. Z مقدار بار، k ثابت بولتزمن، K عدد موج، lnʌ لگاریتم کولن است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Suryanarayana</Author><Year>2010</Year><RecNum>40</RecNum><DisplayText>[40]</DisplayText><record><rec-number>40</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066400">40</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Suryanarayana, N.S.; Kaur, J.; Dubey, V.;</author></authors></contributors><titles><title>Study of propagation of Ion Acoustic waves in plasma</title><secondary-title>Departman of physics,Govt.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Departman of physics,Govt.</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[40].
که برای الکترون: lnᴧ≈13.6
و برای یک یون: lnᴧ≈6.8
2-6-1- فرکانسها در پلاسمافرکانس زاویهای حرکت چرخشی الکترون در جهت عمود بر میدان مغناطیسی:
ωce=eB/mec=1.76×107 B--/s
فرکانس زاویهای حرکت چرخشی یون در جهت عمود بر میدان مغناطیسی:
ωci=ZeB/mic=9.58×103 Zμ-1 B--/s
فرکانس الکترونهایی که نوسان میکنند(نوسان پلاسما):
ωpe=(4πnee2/me)1/2=5.64×104 ne1/2 --/s
فرکانس پلاسمای یونی:
ωpi=(4πniZ2 e2/mi)1/2=1.32×103 Zμ-1/2 ni1/2 --/s
سرعت به دام اندازی الکترون:
????Te=(eKE/me)1/2=7.26×108 K1/2 E1/2 s-1
سرعت به دام اندازی یون:
????Ti=(ZeKE/mi)1/2=1.69×107 Z1/2 K1/2 E1/2μ-1/2 s-1
سرعت برخورد الکترون در پلاسمای کاملا یونیزه شده:
????e=2.91×10-6 ne lnᴧ Te-3/2 s-1
سرعت برخورد یون در پلاسمای کاملا یونیزه شده:
????i=4.80×10-8 Z4 μ-1/2 ni lnᴧ Ti-3/2 s-1
سرعت برخورد الکترون (یون) در پلاسمای کمی یونیزه شده: υe,i=Nσe,iυ=N0∞σ(υ)e,if(υ)υdυ
که <σν>e,i سطح مقطع برخورد الکترون (یون) در اتمهای (مولکولهای) گاز عامل، f(ν) تابع توزیع الکترون (یون) در پلاسما و N غلظت گاز عامل می‌باشد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Suryanarayana</Author><Year>2010</Year><RecNum>40</RecNum><DisplayText>[40]</DisplayText><record><rec-number>40</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066400">40</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Suryanarayana, N.S.; Kaur, J.; Dubey, V.;</author></authors></contributors><titles><title>Study of propagation of Ion Acoustic waves in plasma</title><secondary-title>Departman of physics,Govt.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Departman of physics,Govt.</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[40].
2-6-2- سرعتها در پلاسماسرعت حرارتی الکترون: سرعت معمول یک الکترون در توزیع ماکسول-بولتزمن
????Te= (kTe/me)1/2=4.19×107 Te1/2 cm/s
سرعت حرارتی یون: سرعت معمول یک یون در توزیع ماکسول-بولتزمن
????Ti= (kTi/mi)1/2=9.79×105 μ-1/2 Ti1/2 cm/s
گرم کردن پلاسمایکی از مهمترین مسائل در طراحی راکتورها گرم کردن پلاسما برای ایجاد شرایط مورد نیاز همجوشی خوبخودی می‌باشد. حتی برای سادهترین واکنش‌های همجوشی که بطور معمول برای تولید الکتریسیته با صرفه اقتصادی، معمولا به حدود 100 میلیون درجه سانتیگراد دما نیاز است. این نیاز به دمای بالا به 4 روش تامین میگردد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Harms</Author><Year>2002</Year><RecNum>41</RecNum><DisplayText>[41]</DisplayText><record><rec-number>41</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066441">41</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Harms, A.A.; Schoef ,K.F.; Miley G.H.; Kingdon ,D.R.;</author></authors></contributors><titles><title>principles of Fusion Energy</title><secondary-title>World scientific co.</secondary-title></titles><periodical><full-title>World scientific co.</full-title></periodical><dates><year>2002</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[41]:

user8320

1-7-3-1- پیل سوختی 1و2-پروپاندیال مستقیم16
1-8- کاتالیست مورد استفاده در آند پیلهای سوختی17
1-8-1- بهبود کاتالیست پلاتین با استفاده از بسترهای مختلف18
1-8-1-1- کربن بلک19
1-9- مطالعه اکسیداسیون الکلها روی الکتروکاتالیستهای بر پایه پلاتین20
1-9-1- سینیتیک واکنش اکسیداسیون متانول در DMFC21
1-9-2- مکانیسم اکسایش متانول22
1-9-2- اکسیداسیون 2-پروپانول و پروپیلنگلیکول روی الکتروکاتالیستهای برپایه پلاتین23
1-10- اهداف پروژه29
فصل دوم مبانی نظری
2-1- مقدمه31
2-2- تکنیکهای مورد استفاده31
2-3- ولتامتری32
2-3-1- ولتامتری با روبش خطی پتانسیل32
2-3-2- ولتامتری چرخه‏ای32
2-3-3- عوامل موثر در واکنشهای الکترودی در حین ولتامتری چرخهای33
2-3-4- نحوه عمل در ولتامتری چرخهای34
2-4- نمودارهای تافل35
2-5- روش طیف‏نگاری امپدانس الکتروشیمیایی36
2-6- مشخصهیابی سطح الکترود48
2-6-1- SEM38
2-6-2- EDS39
فصل سوم: بخش تجربی
3-1- مواد شیمیایی41
3-2- دستگاه‌های مورد استفاده41
3-3- الکترودهای بهکار گرفته شده در روشهای ولتامتری44
3-4- تهیه کاتالیست پلاتین/کربن44
3-5-تهیه جوهر کاتالیست44
3-6- آمادهسازی الکترود کربنشیشه45
فصل چهارم: بحث و نتیجهگیری
4-1- کلیات47
4-2- بررسی ریختشناسی و تجزیه عنصری47
4-3- ولتامتری چرخهایPt/C در محلول قلیایی49
4-4- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر محلول بازی متانول51
4-4-1- بررسی ولتاموگرام چرخهای الکترود Pt/C/GC در محلول بازی متانول51
4-4-2- بررسی منحنی‌های EIS و کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسایش متانول53
4-5- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر محلول قلیایی 2-پروپانول56
4-5-1- بررسی ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C در اکسیداسیون 2-پروپانول56
4-5-2- بررسی منحنی‌های نایکوئیست و کرونوآمپرومتری کاتالیست Pt/C در اکسایش 2-پروپانول59
4-6- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال60
4-6-1- ولتامتری چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در محلول قلیایی 1و2-پروپان‌دی‌ال60
4-6-2-بررسی پایداری Pt/C اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال62
4-7- بررسی عملکرد کاتالیست پلاتین/کربن در اکسیداسیون سوخت‌های مختلف64
4-7-1- بررسی و مقایسه ولتاموگرام‌های چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال در محیط قلیایی65
4-7-2- مقایسه و بررسی نمودارهای ولتامتری روبش خطی Pt/C در اکسیداسیون الکلهای مختلف67
4-7-3- مقایسه و بررسی نمودارهای تافل کاتالیست Pt/C در اکسیداسیون الکل‌ها68
4-7-4- بررسی نمودارهای کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل‌های مختلف69
4-7-5- مطالعات اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی الکترود Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل‌های مختلف72
4-8-نتیجه گیری75
4-9-پیشنهادات76
4-10-منابع77
چکیده انگلیسی

فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل1-1- مقایسه تبدیلات انرژی در فرایند تولید انرژی از سوخت‌های فسیلی با روند تولید انرژی در پیل‌های سوختی3
شکل1-2- پیل سوختی اولیه ساخته شده توسط ویلیام گرو5
شکل1-3 منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای استفاده از هیدروژن6
شکل1-4- کاربردهایی از پیل سوختی در سیستم حمل و نقل دریایی، زمینی، وسایل پرتابل و مصارف نیروگاهی6
شکل1-5- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی پلیمری9
شکل-1-6- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی متانولی مستقیم12
شکل1-7- مکانیسم اکسایش متانول و انواع حدواسطهای تولیدی21
شکل1-8- مکانیسم اکسیدسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول روی الکتروکاتالیستهای فلزی24
شکل1-9- مکانیسم واکنش اکسیداسیون 2-پروپانول25
شکل1-10- مکانیسم پیشنهادی برای اکسیدسیون 1،2-پروپاندیال28
شکل1-11- شکل شماتیک مکانیسم اکسیدسیون 1و2-پروپاندیال در محیط قلیایی29
شکل2-1- مسیر کلی واکنش الکترودی34
شکل2-2- سیگنال تهییجی برای ولتامتری چرخه ای یک موج پتانسیلی با فرم مثلثی35
شکل2-3- تصویر شماتیک از نحوهی عملکردSEM 39
شکل3-1- شمای کلی دستگاه اندازه گیری الکتروشیمیایی43
شکل3-2. شمای کلی تهیه جوهر کاتالیست Pt/C45
شکل3-3- ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود کربن شیشه‌ای در 20 میلی‌لیتر محلول یک مولار متانول و یک مولار KOH در دمای اتاق با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه46
شکل4-1- طیف EDS از پلاتین/کربن. ضمیمه: دادههای تجزیه عنصری حاصل48
شکل4-2- تصاویر SEM از سطح پلاتین/کربن با بزرگ‌نماییهای متفاوت50
شکل4-3- نمودار ولتامتری چرخهای الکترود Pt/C در محلولKOH 1 مولار با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه51
شکل4-4- ولتاموگرام چرخهای کاتالیست Pt/C در محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلیولت بر ثانیه53
شکل4-5- مکانیسم کلی اکسایش متانول توسط کاتالیست Pt/C54
شکل4-6- نمودار نایکویست الکترود Pt/C/GCدر محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH در پتانسیل 4/0- ولت قبل و بعد از گرفتن CV بعد از 100 چرخه با دامنه پتانسیل 10 میلیولت55
شکل4-7- نمودار کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH 56
شکل4-8- ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی‌‌ولت بر ثانیه57
شکل4-9- ولتاموگرام‌های چرخهای کاتالیست Pt/C در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه در 100 چرخه59
شکل4-10- منحنی‌های نایکوئیست اکسیداسیون 2-پروپانول روی الکترود Pt/C/GCقبل و بعد از گرفتن CV بعد از 100 چرخه60
شکل4-11- نمودار کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH در پتانسیل 0.4- ولت64
شکل4-12- منحنی ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در الکترواکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال با سرعت روبش 50 میلی‌ولت بر ثانیه در محلول یک مولار 1و2-پروپان‌دی‌ال و یک مولار KOH62
شکل4-13- ولتاموگرام چرخهای الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 1و2-پروپان‌دی‌ال و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلیولت بر ثانیه در 100 چرخه64
شکل4-14 منحنیهای نایکوئیست اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال در پتانسیل 0.4- ولت قبل و بعد از گرفتن CV65
شکل4-15- منحنیهای کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون قلیایی 1و2-پروپان‌دی‌ال در پتانسیل 0.4- ولت65
شکل4-16- ولتاموگرام‌های چرخه‌ای مربوط به اکسیداسیون الکلها روی Pt/C در محلول 1مولار الکل و 1مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه67
شکل4-17- الف. مقایسه بین پتانسیل آغازی و ب. دانسیته جریان اکسیداسیون الکلهای مختلف روی الکترود Pt/C/GC67
شکل4-18- منحنی‌های ولتامتری روبش خطی کاتالیست Pt/C در محلول یک مولار الکل و 1 مولار KOH در دمای اتاق با سرعت روبش یک میلی ولت بر ثانیه69
شکل4-19- منحنی تافل برای محاسبه مقدار ضریب انتقال () مربوط به روبش رفت اکسیداسیون متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال با سرعت روبش 1 میلی ولت بر ثانیه70
شکل4-20- بررسی نمودار کرونوآمپرومتری کاتالیست Pt/C در اکسیداسیون الکل 1 مولار و KOH 1 مولار در پتانسیل 0.4- ولت71
شکل4-21- نمودار جریان بر حسب t-1/2 برای به‌دست آوردن ضریب نفوذ در اکسیداسیون الکل 1 مولار و KOH 1 مولار73
شکل 4-22- نمودار امپدانس الکتروشیمیایی الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون الکل‌های مختلف قبل و بعد از گرفتن CV در 100 چرخه در پتانسیل 0.4- ولت75
شکل 4-23- مدار معادل با دیاگرام‌های نایکوئیست76

فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول1-1- معایب و مزایای سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی17
جدول3-1- مشخصات مواد شیمیایی41
جدول4-1- مقایسه پارامترهای الکتروشیمیایی در اکسیداسیون بازی الکل 1 مولار + KOH 1 مولار روی کاتالیست Pt/C68
جدول 4-2- شیب‌های تافل و ضرایب انتقال الکترون به دست آمده از فعالیت الکتروکاتالیست Pt/C در محلول‌های مختلف70
جدول 4-3- دانسیته جریان نهایی (jf) و اولیه (ji) حاصل از اکسایش الکل‌های متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال توسط Pt/C و نسبت ji/jf72
فهرست علائم و اختصارات
معادل فارسی معادل انگلیسی علائم و اختصارت

MMolarمولار
SSecondثانیه
PtPlatinumپلاتین
µAMicroamper میکروآمپر
CConcentrationغلظت
jCurrent densityچگالی جریان
mv s-1 Milivolt per secondمیلیولت بر ثانیه
U Potential sweep rateسرعت روبش پتانسیل
cvCyclic Voltametryولتامتری چرخهای
SEMScsnning electron microscopyمیکروسکوپی الکترون روبشی
EDSEnergy dispersive spectroscopyطیفبینی پراکنش انرژی
nNumber of exchanged electronتعداد الکنرونهای مبادله شده
c Capacitor خازن
DMFC Direct Methonol fuel cell پیل سوختی متانولی مستقیم
DAFCSDirect Alcohol Fuel cellsپیل سوختی الکلی مستقیم

فصل اول
مقدمه

center16861000
فصل اول: مقدمهای بر پیلهای سوختی
مقدمه
امروزه در استفاده از سوخت‌های فسیلی که 80 درصد انرژی زمین را تأمین می‌کنند دو مشکل اساسی وجود دارد. اول اینکه ذخایر این سوخت‌ها محدود است و دیر یا زود تمام خواهند شد. دوم اینکه سوخت‌های فسیلی از عوامل اساسی ایجاد مشکلات زیست محیطی مثل گرم شدن کره زمین، تغییرات آب و هوایی، ذوب کوه‌های یخی، بالا آمدن سطح دریاها، باران‌های اسیدی، از بین رفتن لایه ازن و ... هستند [1].
در اوایل سال 1970 استفاده از انرژی هیدروژن برای حل مشکلات ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی پیشنهاد شد. هیدروژن یک منبع انرژی عالی با ویژگی‌های فراوان است. هیدروژن سبک‌ترین، تمیزترین و پربازده‌ترین سوخت بهحساب میآید. یکی از ویژگی‌های هیدروژن این است که طی فرآیندهای الکتروشیمیایی در پیلهای سوختی می‌تواند به انرژی الکتریکی تبدیل شود. قابل ذکر است بازده چنین تبدیلی در پیل سوختی بالاتر از راندمان یک موتور احتراق داخلی است که انرژی سوخت فسیلی را به انرژی مکانیکی تبدیل میکند. علاوه بر این سوخت، سوخت‌های دیگری نیز همچون الکل‌ها بهخصوص متانول و اتانول بهدلیل چگالی بالای انرژی و آسانی ذخیره‌سازی و حمل آنها نیز مورد توجه قرار گرفته‌اند.
1-2- پیل سوختی چیست؟
پیل سوختی یک وسیله الکتروشیمیایی است که انرژی شیمیایی سوخت را بهطور مستقیم به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. معمولاً فرآیند تولید انرژی الکتریکی از سوخت‌های فسیلی شامل چند مرحله تبدیل انرژی است :
احتراق که انرژی شیمیایی سوخت را به گرما تبدیل میکند.
گرمای تولید شده برای به‌جوش آوردن آب و تولید بخار استفاده میشود.
بخار، توربینی را به حرکت در می آورد و در این فرآیند انرژی گرمایی به انرژی مکانیکی تبدیل میشود.
انرژی مکانیکی باعث راهاندازی یک ژنراتور و در نتیجه تولید انرژی الکتریکی میشود.
در یک پیل سوختی برای تولید انرژی الکتریکی نیازی به عمل احتراق نیست و هیچ بخش متحرکی مورد استفاده قرار نمی‌گیرد، بهعبارت دیگر بهجای سه مرحله تبدیل انرژی، در یک مرحله انرژی الکتریکی تولید می‌شود (شکل1-1).
موتور احتراق داخلی
154305201930انرژی شیمیایی
انرژی الکتریکی
انرژی مکانیکی
انرژی حرارتی
00انرژی شیمیایی
انرژی الکتریکی
انرژی مکانیکی
انرژی حرارتی

پیل سوختی
1186180120650انرژی شیمیایی
انرژی الکتریکی
00انرژی شیمیایی
انرژی الکتریکی

شکل 1-1- مقایسه تبدیلات انرژی در فرایند تولید انرژی از سوخت‌های فسیلی با روند تولید انرژی در پیل‌های سوختی.
نکته مهم دیگر که به آن می‌توان اشاره داشت این است که این پیل‌ها موتورهای الکتروشیمیایی هستند نه موتور گرمایی و بههمین دلیل تابع محدودیت سیکل کارنو نبوده و لذا بازده آنها بالا می‌باشد.
مزایای فناوری پیل سوختی عبارتند از:
آلودگی بسیار پایین و در حد صفر.
پیلهای سوختی که با هیدروژن کار میکنند آلودگی در حد صفر دارند و تنها خروجی آنها هوای اضافی و آب می‌باشد. این ویژگی نیز باعث شده پیل‌های سوختی نه تنها برای حمل و نقل مورد توجه قرار گیرند بلکه برای کاربردهای خانگی و نظامی نیز مورد استفاده قرار گیرند. اگر پیل سوختی از سوخت دیگری برای تولید هیدروژن مورد نیاز خود استفاده کند یا اگر متانول را جایگزین هیدروژن در پیل سوختی کنیم آلودگی‌هایی از جمله دیاکسید‌کربن تولید میشود، ولی مقدار این آلودگیها کمتر از آلودگیهایی است که وسایل معمول تولید انرژی بهوجود میآورند.
وابستگی کمتر به نفت.
هرچند هیدروژن به سادگی در دسترس نیست ولی میتوان آن را از الکترولیز آب یا سوختهای هیدروکربنی بهدست آورد.
عدم وجود بخشهای متحرک و طول عمر بالا.
از آنجایی که پیل سوختی هیچ بخش متحرکی ندارد از نظر تئوری در شرایط ایدهآل طول عمر یک پیل سوختی تا زمانی که سوخت به آن میرسد می‌تواند بی‌نهایت باشد.
وزن و اندازه.
پیل‌های سوختی در ظرفیتهای متفاوتی ساخته میشود (از میکرووات تا مگاوات) که باعث میشود برای کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گیرند.
آلودگی صوتی بسیار پایین.
راندمان بالا نسبت به فناوری‌های دیگر [2].
1-3- تاریخچه
در سال 1839 ویلیام گرو فیزیکدان و روزنامه نگار انگلیسی اصول کار پیل سوختی را کشف کرد (شکل 1-2). گرو، چهار پیل بزرگ که هر کدام دارای ظرفی محتوی هیدروژن و اکسیژن بودند را برای تولید الکتریسیته بهکار برد. الکتریسیته حاصل آب را در یک ظرف کوچک‌تر به اکسیژن و هیدروژن تبدیل می‌‌‎کرد [1].

1729740-49784000
شکل1 -2- پیل سوختی اولیه ساخته شده [1].
اما سابقه تولید پیل سوختی به سال 1889 بر میگردد که اولین پیل سوختی توسط لودویک مند و چارلز لنجر ساخته شد. در اوایل قرن بیستم تلاشهایی در جهت توسعه پیل سوختی صورت گرفت. در سال 1995 پیل سوختی قلیایی پنج کیلوواتی ساخته شد.
از سال 1960 سازمان فضایی آمریکا (ناسا) از پیلهای مزبور در سفینههای جیمینی و آپولو جهت تولید الکتریسیته و تهیه آب مورد نیاز فضانوردان استفاده کرد. در طی دهه هفتاد فنآوری پیل سوختی در وسایل خانگی و خودرو بهکار گرفته شد. اولین خودروی مجهز به پیل سوختی حدود سال 1970 توسط شرکت جنرال موتورز آمریکا ساخته شد. با سرمایهگذاری جدی وزارت انرژی آمریکا از زمان جنگ خلیج فارس و نیز سرمایه گذاری بعدی این وزارتخانه فنآوری پیل سوختی توسعه چشمگیری پیدا کرده است.
از دهه هشتاد به بعد شرکت بالارد در کانادا تحت حمایت دولت با انجام پروژه ساخت زیردریایی که در آن از پیل سوختی استفاده میشد بهعنوان پیشرو این صنعت در دنیا معرفی شد.
هواپیمای پیل سوختی ناسا در سال 2000 میلادی با نیروی محرکه دوگانه باتری خورشیدی و پیل سوختی مورد بهرهبرداری قرار گرفت که توان پرواز طولانی (شش ماه) بدون وقفه را دارد.
پیشرفت‌های بعدی همه در جهت بهینه کردن هر چه بیشتر این پیل‌ها و افزایش بازده کارآیی آنها میباشد تا این پیلها را به شکل یک محصول تجاری در دسترس تبدیل کنند [2].
1-4-کاربردهای پیل سوختی
در شکل (1-3) منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای مورد استفاده از هیدروژن و سهم هر یک به صورت شماتیک رسم شده است.
10668046990
شکل 1-3- منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای استفاده از هیدروژن [3].
همان‌طوریکه در شکل 1-4 مشخص است، می‌توان کاربردهای پیل سوختی را به سه بخش کاربرد وسایل قابل حمل، کاربرد در بخش حمل و نقل و وسایل متحرک و کاربردهای نیروگاهی تقسیم نمود.

شکل 1-4- کاربردهایی از پیل سوختی در سیستم حمل و نقل دریایی، زمینی، وسایل پرتابل و مصارف نیروگاهی [3].
1-5- انواع پیل سوختی
پیل‌های سوختی بر اساس نوع الکترولیت استفاده شده در آنها به پنج نوع اصلی زیر طبقهبندی می‌شوند [4]:
پیل سوختی پلیمری با غشاء مبادله کننده پروتون
پیل سوختی قلیایی
پیل سوختی اسیدفسفریک
پیل سوختی کربنات مذاب
پیل سوختی اکسید جامد
پیل‌های سوختی دارای دامنه دمایی از 80 درجه سانتی‌گراد برای پیل سوختی پلیمری تا بیش از 1000 درجه سانتی‌گراد برای پیل سوختی اکسید جامد می‌باشند. پیل سوختی دما پایین (پلیمری ، قلیایی، اسید فسفریک) دارای حامل‌هایH+ و یا OH- هستند و در پیل‌های سوختی دما بالا مانند کربنات مذاب و اکسید جامد، جریان الکتریکی بهترتیب از طریق یون‌ها انتقال می‌یابد.
1-5-1- پیل سوختی پلیمری با غشاء مبادله کننده پروتون
قبل از اختراع پیل سوختی پلیمری، پیل‌های سوختی مانند پیل‌های سوختی اکسید جامد تنها در شرایط خاصی مورد استفاده قرار گرفتند. چنین پیل‌هایی به مواد بسیار گرانقیمت احتیاج داشتند و بهدلیل اندازه خاصشان تنها برای کارهای ثابت بهکار برده می‌شدند. این موارد در پیل سوختی پلیمری نیز بههمین صورت بود. پیل سوختی پلیمری در اوایل دهه 1960 توسط ویلیام تماس گراب و همکاران از شرکت جنرال الکتریک ابداع شد. در ابتدا، غشاهای پلی استیرن سولفامات برای الکترولیت مورد استفاده قرار می‌گرفتند، اما در سال 1966 پلیمر نفیون جایگزین آن گردید که دارای دوام و عملکرد بهتری نسبت به پلیاستیرن سولفامات میباشد [5-6]. پیل‌های سوختی پلیمری در ناسا برای سفینههای فضایی مورد استفاده قرار می‌گرفتند اما آن‌ها در برنامههای آپولو و شاتل فضایی توسط پیل‌های سوختی آلکالین جایگزین شدند. چندین اختراع خاص مثل بارگذاری اندک کاتالیزور پلاتین و الکترود فیلم نازک، هزینه پیلهای سوختی را کاهش داده و باعث توسعه سیستمهای پیل سوختی پلیمری شد. در سال اخیر بهدلیل پیشرفت تکنولوژی و موفقیت در استفاده از پیل سوختی پلیمری در اتوبوس‌های شهری و اتومبیلهای شخصی افق‌های امیدبخشی برای گسترش روزافزون استفاده از این پیل پدیدار شده است بهطوری که می‌توان ادعا کرد پیل سوختی پلیمری، مرحله تجاری شدن خود را آغاز کرده است [7].
جزء اصلی پیل سوختی پلیمری که هادی پروتون و عایق الکترون می‌باشد، غشاء نام دارد. در دو طرف این غشاء الکترودهای متخلخل قرار دارند. گازهای واکنش دهنده از بین خلل آن گذشته و خود را به فصلمشترک الکترود و غشاء جایی که واکنش الکتروشیمیایی انجام می‌شود و لایه کاتالیزوروجود دارند، می‌رسانند. این مجموعه چند لایه شامل الکترودها، کاتالیزور‌ها و غشای بین آنها را MEA می‌نامند. در دو طرف MEA صفحات جمع‌کننده جریان قرار دارند. بهدلیل آن که این صفحات وظیفه و هدایت جریان الکتریکی تولید شده را بهعهده دارند همچنین جدا کننده کانال‌های گازی در سل‌های مجاور بوده و در یک ترکیب چند سلی اتصال دهنده فیزیکی و الکتریکی کاتد یک سل با آند دیگر می‌باشند، بهصفحات دو قطبی معروف هستند [8-9].
دمای کار پایین پیل سوختی پلیمری (حدود 80 درجه سانتی گراد) اگرچه سبب راهاندازی سریع و افزایش طول عمر پیل میشود اما نرخ فعل و انفعالات الکتروشیمیایی پیل پایین آمده و استفاده از کاتالیزور (فلز گران قیمت پلاتینیوم) ضروری میشود. واکنش‌های الکتروشیمیایی پیل سوختی پلیمری را می‌توان بهطور خلاصه بهاینصورت نوشت:
H2 → 2H+ + 2e- (1-1) 2/1O2 + 2e- + 2H+ → H2O (1-2)
از جمع دو واکنش آند و کاتد ، واکنش نهایی را می‌توان بهصورت کلی زیر نوشت :
H2 + 2/1 O2 → H2O + Heat + Electric Energy (1-3)
الکترون تولید شده در آند از مدار خارجی می‌گذرد و حین گذر انرژی خود را بهعنوان توان خروجی پیل آزاد و در طرف کاتد واکنش را تکمیل می‌کند [10].

شکل 1-5- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی پلیمری [3].
1-6- پیلهای سوختی الکلی مستقیم
پیلهای سوختی الکلی مستقیم بهدلیل مزایای ویژهای که در مقایسه با پیلهای سوختی هیدروژنی دارند بهعنوان منبع انرژی در وسایل قابل حمل بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. الکلهایی مانند متانول، اتانول، اتیلنگلیکول و گلیسرول بهدلیل چگالی انرژی حجمی بالا و همچنین به علت ذخیره و حمل بسیار راحتتر از هیدروژن، بهعنوان سوخت این پیلهای سوختی مورد استفاده قرار گرفتهاند. در این بین، متانول بیشترین استفاده را بهعنوان سوخت داشته است. پیل سوختی متانولی مستقیم معمولا در محیط اسیدی و با کاتالیزور پلاتین مورد استفاده قرار گرفته است. اما بهدلیل مشکلاتی از قبیل 1- مسمومیت کاتالیزور Pt بوسیله CO 2- اثر میانعبورمتانول 3- تخریب غشاء و خوردگی مواد کربنی 4- مسمومیت متانول، که DAFC وجود دارد، در تحقیقات گستردهای برای استفاده از الکلهای دیگر در DAFCs انجام شده است. الکلهایی با وزن مولکولی بالاتر بهدلیل حلالیت بالا درآب، سمیت کمتر، نقطه جوش بالاتر و دانستیه انرژی بالاتر مورد توجه قرار گرفتهاند. الکلهایی مانند اتانول، اتیلنگلیکول و گلیسرول بهدلیل داشتن چنین مزایایی بیشترین توجه را به خود جلب کردهاند [12-11]. الکلها به دو صورت می‌توانند در پیلهای سوختی مورد استفاده قرار بگیرند. اگر از الکلها برای تولید هیدروژن مورد استفاده در پیلهای سوختی استفاده شود چنین پیل سوختی را پیل سوختی الکلی غیرمستقیم می‌نامند و اگر از الکلها بهطور مستقیم بهعنوان سوخت در پیلهای سوختی استفاده شود، پیل سوختی را الکلی مستقیم مینامند.
1-7- سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی الکلی
برای بهبود عملکرد پیل سوختی و کمک به سلامت محیط زیست، سوخت مورد استفاده در پیلهای سوختی باید دارای شرایطی باشد: اولاً دارای ولتاژ سل بالایی باشد ثانیاً موجب کاهش انتشار CO2 و دیگر آلودگیها شود.
هیدروژن اولین سوخت مورد استفاده در پیلهای سوختی است ولی بهدلیل مشکلاتی که دارد تلاش‌های زیادی برای استفاده از سوختهای جایگزین انجام شده است. سوختهای الکلی، سوختهایی هستند که به‌عنوان جایگزین هیدروژن توجه زیادی را بهخود جلب کردهاند.
استفاده از الکلها در پیلهای سوختی الکلی مستقیم دو مزیت را بههمراه خواهد داشت اولاً اینکه این سوختها مایع هستند و مشکلات مربوط بهذخیره را بهحداقل میرسانند و ثانیاً اینکه بیشتر آنها میتوانند از زیست تودهها تولید شوند بدین معنی که احتراق آنها تاثیر زیادی در افزایش اتمسفر نخواهد داشت.
1-7-1- متانول بهعنوان سوخت
متانول یا الکل متیلیک دارای وزن مولکولی gr mol-1 04/32 و چگالی gr cm-3 796/0 میباشد. در حال حاضر قسمت عمدۀ متانول دنیا از گاز طبیعی بهدست میآید. ذخایر دیگر مانند زغال سنگ، ضایعات چوب و یا مواد آلی دیگری مانند زیست توده نیز میتوانند بهعنوان ماده اولیه جهت تولید متانول بهکار روند. متانول از چوب و زغال سنگ نیز قابل تولید است. البته تولید آن از منابع طبیعی و تجدیدشونده در مقایسه با گاز از لحاظ اقتصادی گرانتر است.
متانول بهعنوان سوخت در وسایل نقلیه نیز بهکار گرفته شده است، بهخصوص مخلوط متانول با بنزین مد نظر بوده است. متانول از یک واکنش کاتالیزوری تحت فشار بهدست میآید که در آن CO و هیدروژن در حضور یک کاتالیزور با هم ترکیب شده و متانول سنتز میشود. متانول به دو روش مستقیم و غیرمستقیم به‌منظور تأمین انرژی در پیل سوختی بهکار گرفته میشود. پیلهای سوختی چنانچه از متانول استفاده کنند از مزایای بازدهی بالا جهت تولید انرژی برخوردار خواهند بود و چنانچه در آنها از اتلاف حرارت جلوگیری شود میتوانند بازده بیش از 80 درصد داشته باشند. این موضوع استفاده از متانول را از لحاظ اقتصادی مقرون بهصرفه مینماید [13].
1-7-1-1- پیل سوختی متانول مستقیم
پیل سوختی متانولی مستقیم زیر مجموعهای از پیلهای سوختی تبادل پروتون و از خانوادۀ پیلهای سوختی پلیمری است. سوخت در این پیل سوختی متانول میباشد که مستقیماً پیل سوختی را تغذیه می‌کند. این پیل سوختی تاکنون در وسایل نقلیه، گوشیهای موبایل، دوربینهای دیجیتال و لپتاپها مورد استفاده قرار گرفته است.
متانول همراه آب در لایۀ کاتالیزوری اکسید میشود و دیاکسیدکربن، یون H+ و الکترون تولید می‌کند. یونهای H+ تولید شده در آند از غشای تبادل پروتون عبور کرده و به طرف کاتد انتقال مییابد و در آنجا با اکسیژن واکنش میدهد و تولید آب میکند. الکترون نیز از مدار خارجی از آند به کاتد جهت تولید نیرو در وسایل خارجی، منتقل میشود. نیم واکنشهای آند و کاتد در این پیل سوختی عبارتند از:
12204708953500(1-4) CO2 +6 H+ +6 e− CH3OH + H2O
125285510223500(1-5) 3H2O O2 + 6H+ + 6e−2/3
از جمع کل دو واکنش آندی و کاتدی، واکنش نهایی پیل سوختی متانولی را میتوان بهصورت زیر نوشت:
11849109461400(1-6) CH3OH + 3/2 O2 CO2 + 2H2O + Electeric Energy + Heat
در شکل (1-6) پیل سوختی متانولی و چگونگی عملکرد آن بهصورت شماتیک نشان داده شده است [5].
12592052698750
شکل 1-6- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی متانولی مستقیم.
آب در آند مصرف و در کاتد تولید میشود . با توجه به طریقۀ انتقال آب از سمت کاتد به آند، پیل سوختی متانولی به دو نوع فعال و غیرفعال تقسیم بندی میشود. در پیل سوختی متانولی غیرفعال آب از طریق انتقال غیرفعال مثل اسمز بهسمت آند منتقل میشود و در پیل سوختی متانولی فعال آب از طریق انتقال فعال مثل پمپ کردن بهسمت آند منتقل و مصرف میشود [3].
پیل سوختی متانولی مزایایی نسبت به پیل سوختی پلیمری دارد که عبارتند از:
جریان سوخت آندی مایع است و نیازی به یک سیستم جانبی برای سرد کردن و مرطوب کردن گاز نیست.
بهجهت استفاده از سوخت مایع در آند، نیازی به پمپ کردن بی مورد در مقایسه با سوخت گازی نیست.
با فراهم کردن دانسیته بالایی از سوخت مایع در فشار محیط مشکلات ناشی از نگهداری سوخت گازی از بین میرود.
متانول قابل حمل و به فراوانی در دسترس است.
اگرچه پیل سوختی متانولی نسبت به پیل سوختی پلیمری دارای مزایایی است، با این وجود جهت تجاری سازی با محدودیتهایی مواجه است که مهمترین آنها عبارتند از:
پیل سوختی متانولی غیرفعال به مدیریت آب نیاز دارد زیرا لازم است یک اختلاف فشار هیدرولیکی بین آند و کاتد وجود داشته باشد تا به هدایت آب از سمت کاتد به آند منجر شود. در این صورت برای رسیدن به عملکرد مناسب این نوع از پیلهای سوختی لازم است از جریان شدید آب به سمت آند جلوگیری شود.
میانعبور متانول بهخاطر غلظت بالای متانول در طرف آندی، از سمت آند به کاتد از میان غشاء وجود دارد. در این هنگام اکسایش متانول در سمت کاتد منجر به ایجاد پتانسیل مخلوط میشود که ولتاژ مدار باز (OCV) پیل سوختی متانولی را از مقدار تئوری 02/1 ولت به 8/0 -7/0 ولت کاهش میدهد.
سینتیک واکنش آندی به خاطر واکنش اکسایش پیچیده متانول در آند ذاتاً از سرعت کمی برخوردار است که لازم است در مقایسه با پیل سوختی پلیمری مقدار فلز گران قیمت بیشتری استفاده شود.
جریان مخالفی از حبابهای دیاکسیدکربن (CO2) که در سطح آند تولید میشود در منطقه نفوذ با جریان سوخت مایع متانول درگیر می‌شود و دسترسی مولکولهای متانول به لایه کاتالیزور را محدود میکند.
متانول تا حدودی سمی است و نسبت به بنزین آسانتر به داخل زمین نفوذ میکند، آتش گیری بالایی دارد و قابل امتزاج با آب است، لذا آلودگی مخازن آب بهراحتی میتواند صورت گیرد [3].
موضوع مهم دیگر درDMFC، میانعبور متانول از آند بهسمت کاتد از طریق کشش الکترواسمزی و نفوذ است.
میانعبور متانول از آند به کاتد منجر به اثرات محدود کننده ای در عملکرد پیل سوختی به شرح زیر میشود [14] :
اکسایش متانول در این منطقه دو کاتالیزور را مسموم میکند و پتانسیلی مخلوط در کاتد ایجاد می شود، اکسیژن را هدر میدهد و مقدار فراوانیOCV را کاهش میدهد و تأثیرات سوء پیش آمده شدیدتر از تأثیرات مشابه در میانعبور هیدروژن در سیستم هایH2PEFC است. OCV نوعیDMFC مشخصاً پایین تر از 8/0 ولتاست.
نشت بی مورد: میانعبور سوخت از غشاء بدون ایجاد و تولید جریان منجر به کارآیی پایین می شود.
بهمنظور جلوگیری ازمیانعبور متانول چندین رویه مورد استفاده قرار می گیرد:
استفاده از محلولهای رقیق متانول: استفاده از محلول متانول با مولاریته پایین (5/0 – 2/0 مولار) با کاهش غلظت متانول در آند، میانعبور را کاهش می دهد. بههر حال، این رویه به ناچار منجر به استفاده از تانک های نگه داری بزرگ سوخت میشود و پمپ آب بیشتری را میطلبد.
استفاده از الکترولیت ضخیمتر: الکترولیت ضخیمتر میتواند میانعبور را محدود کند و همینطور عملکرد پیل را از طریق افزایش افت اهمی از میان الکترولیت کاهش میدهد.
یک مانع نفوذ روی آند: یک مانع نفوذ، جایگزینی برای الکترولیت ضخیم تر است که محدودیت نفوذ را در منطقه ای انتقال یونی تحت تأثیر قرار نگیرد، قرار می دهد. یک مانع نفود منجر به یک گرادیان غلظت تند از محیط نفوذ تا مانع می شود بهطوریکه غلظت متانول در لایه کاتالیست کم شده و میانعبور را کاهش میدهد [14].
1-7-2- 2- پروپانول
2-پروپانول یا ایزوپروپیل الکل یک الکل نوع دوم می‌باشد که کربنی که حامل گروه –OH است، خود به دو کربن دیگر متصل است. فرمول شیمیایی این الکل CH3CHOHCH3 می‌باشد. این ماده یک ترکیب شیمیایی قابل اشتعال و بدون رنگ با بوی قوی است. ایزوپروپیل الکل درآب، الکل، اتر وکلروفرم قابل حل است. این الکل می‌تواند به استون اکسید ‌شود. این را می‌توان با استفاده از یک عامل اکسید کننده مانند اسیدکرومیک، ویا با هیدروژنزدایی ایزوپروپیل الکل بهدست آورد.
از ایزوپروپیل الکل بهعنوان حلال برای فرآیندهای صنعتی همچنین بهعنوان یک افزودنی به بنزین استفاده میشود. ایزوپروپیل الکل بهویژه برای کاربردهای دارویی، با توجه به سمیت کم مورد استفاده قرار می‌گیرد. گاهی از ایزوپروپیل الکل بهعنوان یک واسطه شیمیایی استفاده میشود. از عمده موارد کاربرد دیگر این الکل در صنعت چاپ میباشد زیرا الکلهای مشابه نظیر 2-پروپانول دمای آب را در دستگاههای چاپ بسیار پائین نگاه داشته و قابلیت تبخیر پائینی دارد. از این الکل به مقدار بسیار کم برای استفاده خانگی و در محصولات مراقبت شخصی استفاده می‌شود.
1-7-2-1- پیل سوختی 2-پروپانولی مستقیم
از 2-پروپانول به‌دلیل سمیت کمتر و عدم عبور از غشاء پیل سوختی می‌توان به‌عنوان سوخت استفاده کرد. اگر از 2-پروپانول به‌طور مستقیم در آند پیل سوختی استفاده شود به این پیل سوختی، پیل سوختی 2-پروپانولی مستقیم می‌گویند. بررسیهایی که روی عملکرد این پیل در غلظتهای مختلف الکل، درجه حرارت سل و شرایط مختلف با اکسیدان اکسیژن انجام شده است نشان میدهد که این پیل در محیط اسیدی عملکرد بالاتری از پیل سوختی متانولی مستقیم، مخصوصا در چگالی جریان کمتر از حدود 200 میلی آمپر بر سانتی متر مربع را دارد. 2-پروپانول میتواند ولتاژ مدار باز بیشتر، میانعبور کمتر و بازده بالاتری نسبت به متانول داشته باشد، بههمین جهت میتوان از 2-پروپانول بهعنوان سوخت پیل سوختی الکلی مستقیم استفاده کرد. اما یکی از مشکلات 2-پروپانول بهعنوان سوخت، مسمومیت کاتالیزور آندی مورد استفاده میباشد. واکنش کلی اکسایش 2-پروپانول بهصورت زیر است [15]:
CH3CHOHCH3 + 18 OH− → 3CO2 + 13 H2O + 18 e− (7-1)
1-7-3- پروپیلنگلیکول
پروپیلنگلیکول یا 1و2-پروپان‌دی‌ال با فرمول شیمیایی C3H8O2 یک مایع بیرنگ و جاذب رطوبت است. پروپیلنگلیکول صنعتی، ازپروپیلناکسید تولید میشود. همچنین پروپیلنگلیکول میتواند ازگلیسرول، که یک محصول جانبی بیودیزل است نیز تولید شود. پروپیلنگلیکول الکلی ویسکوز، با فراریت پایین، غیرخورنده و بر خلاف اتیلنگلیکول سمیت پایینی دارد. این الکل بهدلیل بو و طعم و مزه معمولا برای استفادههای صنعتی مورد توجه قرار گرفته است. 45٪ از پروپیلنگلیکول تولید شده بهعنوان مواد خام شیمیایی برای تولید رزینهای پلیاستر غیراشباع مصرف میشود. در این راستا، پروپیلنگلیکول با مخلوطی از انیدریدمالئیک غیراشباع و ایزوفتالیکاسید برای تشکیل یک کوپلیمر واکنش میدهد. پروپیلنگلیکول به‌عنوان مادهای ایمن برای استفاده در موادغذایی توسط سازمان غذا و داروی ایالات متحده شناخته شده، وآن را بهعنوان حلال و نگهدارنده در مواد غذایی، در محصولات توتون و تنباکو (سیگارهای الکتریکی) و به‌عنوان حلال در بسیاری ازمواد دارویی، و فرمولاسیونهای خوراکی استفاده میشود. این الکل مانند اتیلن‌گلیکول، قادر به کاهش نقطه انجماد آب است، بههمین دلیل از آن بهعنوان ضدیخ در هواپیما و اتومبیل استفاده میشود.
1-7-3-1- پیل سوختی 1و2-پروپاندیال مستقیم
پیل سوختی 1و2-پروپاندیال مستقیم نیز، زیر مجموعهای از پیلهای سوختی تبادل پروتون می‌باشد که در آن 1و2-پروپاندیال مستقیماً به پیل سوختی خورانده میشود. پروپیلنگلیکول مایع در آند، اکسید شده و تولید CO2، الکترون و آب مینماید. در کاتد نیز اکسیژن هوا و الکترون واکنش میدهند. واکنشهای انجام شده در این پیل به شرح ذیل میباشد:
290703011556900واکنش آندی C3H8O2 + 16OH- 3CO2 + 12 H2O + 16e- (1-8)
284988011556900واکنش کاتدی1/2O2 + H2O + 2e- 2OH - (1-9)
یکی از مزیتهای اصلی استفاده از پروپیلنگلیکول بهعنوان سوخت این است که سینتیک واکنش آندی آن در محیط قلیایی سریعتر از متانول است ولی مطالعات کمی در زمینه اکسیداسیون آن روی فلزاتی مانند پلاتین انجام شده است. معایب و مزایای سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی در جدول 1-1 ذکر شده است.
جدول 1-1- معایب و مزایای سوختهای مورد استفاده در پیلهای سوختی.
سوخت مزایا معایب
هیدروژن پاک (تنها محصول جانبی آب است)، واکنش آندی سریع مشکلات ذخیره (چگالی پایین و نشت گاز)، امنیت پائین هیدوژن
متانول ارزان، مایع، تولید از زیست توده واکنش آندی کند، اشتعال پذیر، سمیت و میانعبور متانول
2-پروپانول سمیت کمتر نسبت به متانول و عدم عبور از غشاء پیل سوختی واکنش آندی کند در محیط قلیایی، تولید از منابع تجدیدناپذیر
1و2- پروپاندیال سمیت کم، فراریت کم، غیرخورنده، سنتیک واکنش آندی در محیط قلیایی سریعتر از متانول واکنش آندی کند در مقایسه با پیل سوختی هیدروژنی
1-8-کاتالیزور مورد استفاده در آند پیلهای سوخت
در پیل سوختی هیدروژنی و الکلی، و اکنشگرها باید روی سطح آند بهترتیب، فرآیندهای جذب، واکنش سطح و واجذب را انجام دهند. برای انجام این فرآیندها انتخاب یک کاتالیزور مناسب که از طرفی سینتیک واکنش را بهبود ببخشد و از طرف دیگر مسمومیتها روی آن اثر کمتری داشته باشند ضروری بهنظر می‌رسد.
پلاتین و آلیاژهای آن معمولاً بهعنوان آند در پیل سوختی مورد استفاده قرار میگیرند. در پیلهای سوختی متانولی، مسموم کنندههایی مانند CO روی سایتهای فعال پلاتین جذب میشوند و روند انجام واکنش را مختل میکنند. CO جذب شده روی سطح کاتالیزور را میتوان با افزایش پتانسیل آند به CO2 اکسید کرد اما انجام این واکنش موجب کاهش بازده خواهد شد و عملی نیست [16].
در DAFCs نیز مانند پیل سوختی متانولی، CO یکی از حدواسطهای تولید شده میباشد و موجب بروز مشکلات مشابهی روی سطح الکتروکاتالیزورهای پلاتین میشود. از اینرو توسعه الکتروکاتالیزورهایی که در برابر مسمومیت و مزاحمتهای CO مقاوم باشند یک فاکتور مهم و اساسی برای بهبود عملکرد پیلهای سوختی محسوب میشود.
1-8-1- بهبود کاتالیزور پلاتین با استفاده از بسترهای مختلف
بهمنظور بهبود بخشیدن ظرفیت انتقال پروتون در یک واکنش الکتروکاتالیزوری، در طول تهیه جوهر کاتالیزور، محلول نفیون به جوهر کاتالیزور اضافه میشود. مقدار مناسب نفیون در این جوهر در حدود 10% تا 30% است. اضافه کردن نفیون میتواند ظرفیت انتقال پروتون را بهبود ببخشد، ولی این روش ناخواسته تعداد زیادی از سایتهای فعال کاتالیزور را میپوشاند. اصلاح کردن بستر کربن روش مفیدی جهت بهبود بهره‌برداری از کاتالیزورهای فلزی گرانقیمت نظیر پلاتین است. این روش نه تنها ظرفیت انتقال پروتون را افزایش میدهد بلکه مقدار نفیون گرانقیمت را کاهش میدهد که میتواند هزینهی پیل سوختی را کاهش دهد [17].
برای دستیابی به پراکندگی خوب، بهرهبرداری بالا و نانوذرات فلزی پایدار، استراتژیهای بستر کاتالیزور مورد ارزیابی قرار گرفتند. در مقایسه با کاتالیزورهای فلزی بدون بستر، کاتالیزورهای بستر شده پایداری و فعالیت بالایی را از خود نشان میدهند. در بیشتر موارد ذرات کربن بهدلیل پایداری نسبی در دو محیط اسیدی و بازی، هدایت الکتریکی خوب و مساحت سطح ویژه بالا بهعنوان بسترهای کاتالیزور استفاده می‌شوند. ماده کربن تأثیر بهسزایی بر روی خصوصیات کاتالیزورهای فلزی نجیب بستر شده دارد. این تأثیرات عبارتند از:
1-اندازه ذرات فلزی
2-مورفولوژی
3-توزیع اندازه ذرات
4-درجه آلیاژ شدن
5-پایداری و پراکندگی ذرات.


از طرف دیگر بسترهای کربن همچنین میتوانند بر روی عملکرد کاتالیزورهای بستر شده در پیلهای سوختی نیز تأثیرگذار باشند. این تأثیرات عبارتند از:
1-انتقال جرم و هدایت الکترونی لایه کاتالیزور
2-داشتن سطح فعال الکتروشیمیایی
3-پایداری نانوذرات فلزی در طول کارکرد پیل سوختی.
از این رو بهینهسازی بسترهای کربنی در توسعه و پیشرفت پیلهای سوختی متانولی مستقیم خیلی مهم است. خصوصیات مناسب یک بستر کربن از قبیل مساحت سطح ویژه، تخلخل، مورفولوژی، هدایت الکترونی، مقاومت در برابر خوردگی و غیره باید بهمنظور ساختن یک کاتالیزور فعال و با توجه به چگونگی بهکارگیری آن کاتالیزور انتخاب شده باشند. خصوصیات مواد بستر کربن تأثیر بهسزایی روی مراحل آماده سازی و عملکرد کاتالیزورهای بستر شده سنتزی دارد. سرچشمه تأثیرات فیزیکی و شیمیایی این بسترها هنوز بهطور کامل مشخص نیست [17].
1-8-1-1- کربنبلک
بستر مورد استفاده در این پایاننامه کربنبلک می‌باشد. لذا این پایه کاتالیزور را بیشتر تحت بررسی قرار می‌دهیم. کربنبلکها بهطور رایج بهعنوان بستر برای کاتالیزورهای آند پیل سوختی متانولی مستقیم به‌کار میروند. تعداد زیادی از کربنبلکها از قبیل استیلنبلک، ولکان XC-72، و غیره وجود دارند که همه اینها معمولاً بهوسیله حرارت دادن هیدروکربنها از قبیل گاز طبیعی یا قسمتهایی از نفت که در فرآیند پتروشیمی از نفت خام گرفته میشود، ساخته میشوند.
اصطلاح کربنبلک به خانواده مهم کربنهای صنعتی که در اصل در لاستیک و جوهرسیاه کاربرد دارند اطلاق می‌شود. کربن‌بلک‌ها از ذرات کروی با ابعاد کلوئیدی تشکیل شده‌اند و ساختمان شبهگرافیتی دارند بههمین دلایل با کربن‌های تجاری مانند کک‌ها و ذغال‌ها تفاوت دارند. کربن‌بلک بهصورت تجاری در اندازه ذرات 100 تا 4000 آنگستروم تولید می‌شود. کربن‌بلک‌ها از طریق احتراق ناقص یا تجزیه حرارتی هیدروکربن‌های مایع یا گازی تولید می‌شوند.
کربن‌بلک‌ها صرفنظر از روش تولید و اینکه چه ماده خامی در تولید آن‌ها بهکار رفته باشد دارای خواص مشابهی هستند. سطح ویژه کربنبلک‌ها بهراحتی از روش جذب قابل اندازه‌گیری است. این روش به وسیله برونرو ایمیت توسعه پیدا کرد. ذرات کربنبلک متخلخل هستند و قطر حفره این کربن‌ها بین 20 تا 30 آنگستروم تخمین زده شده است.
آرایش اتم‌های کربن در داخل ذرات کربن‌بلک مطالعه شده است. ساختار کریستالی کربن‌بلک‌ها را می‌توان بهصورت گرافیتی که بهطور نه چندان موازی روی هم انباشته شده است توصیف کرد. در گرافیت فضای بین لایه‌ای 7/6 آنگستروم است ولی درکربن‌بلک بزرگتر از آن است و در حدود 7 آنگستروم است.
یک خاصیت مهم فیزیکی دیگر کربنبلک ساختار زنجیری آنها است. بعضی از کربن‌بلک‌ها مانند دوده چراغ و استیلن‌بلک‌ها ساختار زنجیری کاملتری دارند و بعضی مانند بلک‌های حرارتی ساختارپذیری کمتری دارند [18]. کربن‌بلک‌ها از نظر هدایت الکتریکی نیز بسیار متغیرند. دوده کربنبلک و استیلنبلک از میان بلک‌ها هدایت بسیار بالایی دارند.
1-9- مطالعه اکسیداسیون الکلها روی الکتروکاتالیزورهای بر پایه پلاتین
مسلماً داشتن مکانیسم اکسیداسیون الکلها در محیط قلیایی پیش نیازی ضروری برای طراحی و توسعه غشاهای تجمع الکترود (MEAs) مؤثر برای DAFCs میباشد. اعتقاد بر این است که اکسایش الکلها از 2 مسیر کلی انجام میشود. یک مسیر شامل تشکیل حدواسط COads و مسیر دیگر جایی است که شکستن پیوند کربن ـ کربن اتفاق نمیافتد. در ادامه مکانیسم اکسیداسیون الکلهای مختلف برای کاتالیزورهای برپایه پلاتین مورد بررسی قرار خواهد گرفت [19].
1-9-1- سینتیک واکنش اکسیداسیون متانول در DMFC
واکنش اکسایش آندی متانول شامل مسیر پیچیده‌ی حاوی حدواسط‌های گوناگون است. طرح کلی واکنش‌های حدواسط‌های پیشنهادی برای اکسایش متانول در شکل زیر آورده شده است[9]:

شکل 1-7- مکانیسم اکسایش متانول و انواع حدواسطهای تولیدی [9].
اکسایش متانول در یک مرحله انجام نمی‌شود. اعتقاد بر این است که اکسایش متانول از دو مسیر کلی انجام می‌شود. مسیری که بیشتر ترجیح داده می‌شود، مسیری است که در آن فرمالدئید (CH2O) تولید می‌‌شود که سرانجام منجر به تشکیل اسیدفرمیک (CH2O2) و دیاکسیدکربن می‌شود. مسیر غیرترجیهی، از جهتی پیش می‌رود که در آن فرمالدئید تولید می‌شود اما این‌بار این ترکیب تبدیل به مونواکسیدکربن می‌‌شود و در نهایت دی‌اکسیدکربن تولید میگردد. در هر دو مسیر ترجیهی و غیرترجیهی، اکسایش منجر به تولید 6 الکترون و 6 پروتون می‌شود. مسیری که در آن اکسایش CO وجود دارد، ترجیح داده نمی‌شود چرا که CO یک مسموم‌کننده رایج کاتالیست‌های پلاتین است. نوعاً یک کاتالیست متفاوت مانند پلاتین- روتنیم مورد استفاده قرار می‌گیرد زیرا که حذف اکسایشی CO در ولتاژهای پایین‌تر را میسر می‌سازد و لذا میزان مسموم سازی در مسیر غیرترجیهی را کاهش میدهد.
تحقیقات فراوانی با هدف کاهش مقدار فلزات گران قیمت در DMFC وکاهش میزان فعال‌سازی پلاریزاسیون آندی انجام گرفته است که به موفقیت‌های چندانی رسیده‌اند. حتی با گزینش کاتالیزور جدید، واکنش آندی عموماً نیازمند مقدار بالایی فلز گران قیمت، تقریباً 10 برابر پیل سوختی هیدروژن است. نوعاً حدود 2-4 میلی‌گرم بر سانتیمترمربع کاتالیست برای آند و کاتد موردنیاز است (2/0 میلی‌گرم بر سانتیمترمربع کاتالیزور برای پیلسوختی هیدروژنی لازم است). الکترود کاتد معمولاً بهمقدار کاتالیزور بیشتری برای مقاومت در برابر اکسایش متانول گذرکرده نیاز دارد.
نکته آخر اینکه سینتیک آندی DMFC در مقایسه با اکسایش H2 کند است و بهمحتوای کاتالیزوری بالایی نیاز دارد که این امر ممکن است DMFC را فقط برای کاربردهای قابل حمل محدود سازد.
1-9-2- مکانیسم اکسایش متانول
کندی و حامنت گزارش داده‌اند که متانول در حین اکسایش تحت جذب سطحی تخریبی قرار می‌‌گیرد. متانول روی سطح پلاتین ابتدا جذب سطحی می‌شود و سپس دهیدروژناسیون گونه‌های جذب سطحی شده اتفاق میافتد که طی چند مرحله در پتانسیل‌های پایین‌تر انجام می‌شود. اتم‌های هیدروژن جذب سطحی شده میتوانند سریعاً از سطح پلاتین حذف شوند. فرآیند تخریبی که منجر به تشکیل یک سری از حدواسط‌های کربوکسیلی جذب سطحی می‌شوند مثل (x = 1-3) ads(CHxO) با تشکیل گونه CO با جذب سطحی قوی شونده همراه است که مهمترین عامل مسمومیت الکترود هستند. گونه CO جذب سطحی شده با گونه های حاوی اکسیژن جذب سطحی شده مجاور مثلاٌ OHads یا H2O در محلول واکنش داده تا به CO2 محصول نهایی تبدیل شود که توسط آنالیزهای HPLC تأیید شده است. بنابراین مولکول‌های متانول، گونه‌های جذبسطحی شونده حاصل از تخریب و گونه‌های اکسیژن‌دار می‌توانند بهآسانی جذب سطحی یک کاتالیزور مناسب برای اکسایش متانول شوند. با توجه به شواهد جمعآوری شده از نوشتهها و مقالات و نتایج آزمایشات، سه نتیجهگیری میتوان انجام داد [20]:
جذب سطحی متانول مرحله تعیینکننده سرعت در واکنش اکسایش کلی متانول است.
اکسایش متانل شامل یک فرایند چند مرحله‌ای از جذب سطحی- تخریب است.
واکنش اکسایش از درجه اول نسبت به متانول است بنابراین مکانیسم واکنش متانول بهصورت زیر ارائه میشود [15]:
Pt + CH3OH → Pt – (CH3OH)ads (1-10)
Pt – (CH3OH)ads +Pt → Pt – (CH2OH)ads +Pt - Hads (1-11)
Pt - (CH2OH)ads + Pt → Pt - (CHOH)ads +Pt - Hads (1-12)
Pt - (CHOH)ads + Pt → Pt – (COH)ads + Pt – Hads (1-13)
Pt – (COH)ads +Pt → Pt – (CO)ads +Pt – Hads (1-14)
Pt - Hads → H+ +Pt + e- (1-15)
Pt +H2O →Pt – (OH)ads + Pt –Hads (1-16)
Pt – (CO)ads + Pt – (OH)ads → CO2 + H+ + e + 2Pt (1-17)
و واکنش کلی:
CH3OH + H2O→CO2 + 6H+ + 6e- (1-18)
1-9-2- اکسیداسیون 2-پروپانول و پروپیلنگلیکول روی الکتروکاتالیزورهای برپایه پلاتین
یکی از خصوصیات الکلهایی مانند اتانول و گلیسرول این است که روی Pt و آلیاژهای آن بهسختی اکسید میشوند بهویژه آنکه هیچ کاتالیزوری آندی بر پایه پلاتین، دانستیه انرژی قابل قبول را در پیلسوختی گلیسرولی مستقیم و پیلسوختی اتانولی مستقیم نشان نداده است. اکسیداسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول نسبت به اتانول بهدلیل حضور دو یا سه گروه هیدروکسیل پیچیدهتر میباشد. شکل 1-8 فرم عمومی پیشنهاد شده برای اکسیداسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول روی الکتروکاتالیزورهای پلاتین را نشان میدهد. اکسیداسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول موجب تشکیل مقدار قابل توجهی کربنات میشود و از اینرو اکسالات روی سطح الکترود Pt بهکندی اکسید میشود و CO2 نیز عموماً یک محصول فرعی هم برای اکسیداسیون گلیکولات (a) و هم برای تارترونات (b) محسوب میشود [23-21]. از طرفی اکسیداسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول بر خلاف اکسیداسیون هیدروژن شامل مراحل زیاد و تشکیل حدواسطهای فراوانی است که ممکن است سایتهایفعال روی سطح فلز را اشغال کنند. ثانیاً اکسیداسیون جزئی محصولات منجر به بازدهی پایین پیلسوختی خواهد شد هم چنین حدواسطهای تولید شده مانند CO موجب مسمومیت و غیر‌فعال‌شدن کاتالیزور میشوند [22].

شکل 1-8- مکانیسم اکسیدسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول روی الکتروکاتالیزورهای فلزی [21].
بر همین اساس استفاده از سوختهای جایگزین در آند DAFC هنوز هم مورد توجه پژوهشگران قرار دارد. خصوصیتی که این سوختها باید داشته باشند این است که چگالی انرژی حجمی و ولتاژ سل بالایی داشته باشند از طرفی حدواسطهای تولیدشده در اکسیداسیون آنها موجب مسمومیت کاتالیزور آندی نشوند.
پژوهشهای اولیه انجام شده روی الکلهای نوع اول و نوع دوم نشان داد که واکنش اکسایش 1-پروپانول و 2-پروپانول منجر به تشکیل ترکیبات کربونیل مربوطه میشود. همچنین آزمایشات انجام شده برای مقایسه واکنشپذیری 1-پروپانول و 2-پروپانول روی الکتروکاتالیزور Au/SiO2 مشخص کرد که فعالیت 2-پروپانول در دماهای پایین بیشتر از 1-پروپانول است [24]. علاوه بر طلا، پلاتین نیز میتواند بهعنوان کاتالیزور برای اکسیداسیون الکلهای ایزومری مورد استفاده قرار گیرد. از اینرو Pt/C 5% برای اکسایش 2-پروپانول در دمای محیط مورد استفاده قرار گرفت نتایج نشان داد که در فرایند اکسیداسیون 2-پروپانول، محصولات استون، پروپیونیکآلدئید و اسیدپروپیونیک تشکیل میشوند [25]. کاتالیزور پلاتین با بستر نانوذرات سیلیکا نیز میتواند برای اکسایش 2-پروپانول مورد استفاده قرار بگیرد [26]. پژوهشهای دیگر مشخص کرد که کاتالیزور Au/CeO2 نیز فرآیند الکترواکسایش 2-پروپانول را با بازدهی بیشتری نسبت به CeO2 انجام می‌دهد ولی کارایی این کاتالیزور کمتر ازPt/C تجاری است [27-28].
شکل 1-9 مکانیسم اکسایش 2-پروپانول را نشان میدهد. در این مکانیسم که شامل چند مرحله است ابتدا هیدروژن گروه هیدروکسیل جدا میشود و در ادامه فرآیند اکسایش بهوسیلهی دو واکنش موازی: (1) تشکیل پروپن و (2) هیدروژنزدایی و تشکیل استون دنبال میشود. در نهایت این ترکیبات به CO2 و H2O تجزیه میشوند [29].

شکل 1-9- مکانیسم واکنش اکسیداسیون 2-پروپانول [29].
در سال 2002 ژیگانگ و همکارانش عملکرد پیلسوختی 2-پروپانولی مستقیم را ارزیابی کردند. نتایج نشان داد که 2-پروپانول عملکرد خیلی بهتری در مقایسه با پیلسوختی متانولی مستقیم دارد. این سوخت، ولتاژ مدار باز بسیار بالاتر و جریان میانعبور بسیار پایینتر نسبت به متانول نشان میدهد. آزمایشات مشخص کرد که اگر در پیلسوختی از 2- پروپانول بهعنوان سوخت استفاده شود، میتواند چگالی انرژی الکتروشیمیایی 5/1 برابر بیشتری نسبت به پیلسوختی متانولی داشته باشد. با این حال، حدواسطهای تولید شده در اکسیداسیون 2-پروپانول موجب مسمومیت شدیدتر آند میشود [30].
در سال 2006 اقای برجنز و همکارانش الکترواکسیداسیون 2-پروپانول را روی الکترود پلاتین در محیط‌های قلیایی بررسی کردند. نتایج مشخص کرد میزان حداکثر جریان با افزایش غلظت 2-پروپانول یا هیدروکسید افزایش می یابد، همچنین افزایش غلظت هیدروکسید باعث جابجایی پتانسیل به مقادیر منفیتر میشود. الکترواکسیداسیون پتانسل آغازی استون بالاتر از الکترواکسیداسیون 2-پروپانول میباشد و این امر بهدلیل جذب بالای حدواسطها در اکسیداسیون 2-پروپانول میباشد [31].
در سال 2007 اقای چانگ وی زو و همکارانش فعالیت پالادیم و طلا برای اکسیداسیون 2-پروپانول مورد بررسی قرار دادند. الکترود پالادیم چگالی جریان بهتر، فعالیت بالاتر و پتانسیل آغازی منفیتری برای اکسیداسیون 2-پروپانول نسبت به کاتالیزورهای پلاتین در محیط قلیایی نشان داد. نتایج ولتامتری چرخهای نشان داد که افزودن Au منجر به نتایج امیدبخشی در اکسیداسیون 2- پروپانول میشود و پتانسیل آغازی را در اکسیداسیون 2ـ پروپانول نسبت به اکسیداسیون متانول 120 میلیولت جابجا مینماید [32] .
در سال 2008 متیو و همکارانش الکترواکسیداسیون 2- پروپانول و استون را روی الکتروکاتالیزور Pt و Pt-Ru در الکترولیت قلیایی با روشهای ولتامتری چرخهای و کرونوآمپرومتری مورد بررسی قرار دادند. نتایج حاصل از ولتامتری چرخهای نشان داد که مقدار پتانسیل آغازی برای Pt/C مقدار مثبتتری نسبت به Pt-Ru/C است که این امر به سینتیک کند کاتالیزور Pt/C در مقایسه با کاتالیزور Pt-Ru/C نسبت داده شد. بررسی نتایج کرونوآمپرومتری نشان داد که کاتالیزور حاوی Ru فعالیت بسیار بالایی در کاهش استون در پتانسیلهای پایینتر نشان میدهد [33].
در سال 2008 تانگ و همکارانش الکترواکسیداسیون متانول، 1-پروپانول و 2-پروپانول را روی پلاتین و پالادیم در محیط قلیایی بررسی کردند. نتایج اولیه این مطالعه نشان داد که Pd الکتروکاتالیزور مناسبی برای اکسیداسیون 1-پروپانول و 2-پروپانول است. و فعالیت اکسیداسیون 1-پروپانول و 2-پروپانول روی الکترود Pt در محیط قلیایی کم است ولی فعالیت اکسیداسیون این الکلها در سطح الکترود Pd به این صورت است:
متانول < 1-پروپانول < 2-پروپانول
نتایج نشان داد که چگالیجریان مربوط به اکسیداسیون 1-پروپانول و 2-پروپانول روی الکترود Pd خیلی بالاتر از الکترود Pt است. پتانسیل شروع اکسیداسیون 2-پروپانول در الکترود Pd منفیتر از الکترود Pt بوده و در نتیجه Pd میتواند جایگزین مناسبی برای Pt دراکسیداسیون 1-پروپانول و 2-پروپانول در محیط قلیایی باشد[34].
در سال 2011، مارگارتا و همکارانش اکسیداسیون الکتروکاتالیتیکی 2،1 پروپاندیال را با استفاده از الکترود نانومتخلخل و مسطح پلاتین در محیط قلیایی بررسی کردند. ولتامتری چرخهای نشان داد که الکترود نانومتخلخل پلاتین چگالی جریان بالاتری نسبت به الکترود مسطح پلاتین نشان میدهد. نویسنده دلیل این امر را مورفولوژی و ساختار هندسی الکترود نانومتخلخل پلاتین میداند. همچنین مطالعه ساختار الکترودها نشان داد چگونگی اتصال حدواسطهای تولید شده به الکترود Pt به مورفولوژی الکترود پلاتین بستگی دارد[35].
در سال 2012 مونیچاندرایه و همکارش اکسیداسیون 1،2پروپاندیال روی الکتروکاتالیزور Pd ترسیب شده روی پلی 3،4-اتیلن دی اکسی تیوفن (PEDOT) را بررسی کردند. آزمایشات نشان داد که فعالیت الکتروکاتالیزور Pd-PEDOT/C در الکترواکسیداسیون1،2پروپاندیال بیشتراز الکترود Pd و Pd/C میباشد. افزایش سطح و همچنین افزایش سایتهای فعال پالادیم موجب شد که Pd-PEDOT/C فعالیت الکتروشیمیایی بسیار بالاتری نسبت به پالادیم نشان دهد. نتایج ولتامتری چرخهای مشخص کرد که چگالی جریان با افزایش غلظت 2،1پروپاندیال و همچنین NaOH در الکترولیت افزایش مییابد. مطالعات آمپرومتری اثبات کرد که الکترود Pd-PEDOT/C پایداری و ثبات بسیار بیشتری در مقایسه با الکترود Pd/C دراکسیداسیون 2،1پروپاندیال دارد [36].
در سال 2013 ویل مدلین و همکارانش اکسیداسیون انتخابی اتیلنگلیکول و 2،1پروپاندیال را بر روی طلا و پالادیم و کاتالیزور دوفلزی Au/Pdتهیه شده بهوسیله ترسیب الکترودی مورد بررسی قرار دارند. بررسیها با استفاده از معرف انتخابی رقیق شده نشان داد که برای اتیلنگلیکول شکستن پیوند C-H مرحله تعیینکننده سرعت است. مطالعات DFT و XRDنشان میدهد که افزایش سطح کاتالیزور دوفلزی در مقایسه با پالادیم به احتمال زیاد به علت کاهش در پوشیده شدن پیوندهای جذبشده بوده و هنگامی که درصد طلا افزایش مییابد احتمال شکسته شدن پیوند C-H کاهش مییابد [37].
دامر و همکارانش اکسیداسیون 2،1پروپاندیال را با استفاده ازنانوذرات فلزی طلا، پالادیم، پلاتین و مخلوطی از این فلزات مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد که استفاده از Au-Pt/C باعث افزایش اکسایش 2،1پروپاندیال تحت شرایط واکنش میشود. آلیاژ طلا با پلاتین منجر به تولید کاتالیزوری با بازدهی بیشتر در مقایسه با آلیاژ طلا با پالادیم میشود. بررسی اکسیداسیون 1،2-پروپاندیال مشخص کرد که در محیط بازی محصول اصلی لاکتات خواهد بود و در غیاب باز واکنش پذیری کاتالیزورها کاهش می‌یابد و محصولات واکنش، هیدروکسیاستون و لاکتات هستند. مسیر پیشنهادی برای مکانیسم اکسایش 2،1پروپاندیال در شکل 1-10 نشان داده شده است [38].

شکل 1-10- مکانیسم پیشنهادی برای اکسیدسیون 1و2-پروپاندیال [38].
مکانیسم دیگری برای اکسیداسیون 1و2-پروپاندیال روی کاتالیزورهای Pd/C ,Pt/C ,Au/C در محیط بازی توسط پراتی و گروه مطالعاتیاش پیشنهاد شد (شکل 1-11). نتایج نشان داد که Au/C فعالیت ذاتی بالایی در اکسیداسیون گروه هیدروکسیل نوع اول نشان میدهد در حالیکهPd وPt/C گزینشپذیری بین هیدروکسیل نوع اول و دوم ندارند [39]. نتایج مشابهی توسط پینکس و تارنینگ نیز برای اکسایش 1و2-پروپاندیال بدست آمده است [40-41].

شکل 1-11- شکل شماتیک مکانیسم اکسیدسیون 1و2-پروپاندیال در محیط قلیایی[39].
1-10- اهداف پروژه
در این پروژه ابتدا الکتروکاتالیزور پلاتین/کربن به وسیلهی کاهش شیمیایی نمک پلاتین با کاهنده شیمیایی سدیمبورهیدرید سنتز میشود. در ادامه، فعالیت کاتالیزور پلاتین/کربن در فرایند اکسیداسیون 2،1-پروپاندیال، 2- پروپانول و متانول در محیط قلیایی مورد بررسی قرار خواهد گرفت و واکنش اکسیداسیون این الکلها بهعنوان سوخت قابل استفاده در پیل سوختی قلیایی بررسی میشود. سپس رفتار الکتروشیمیایی الکلهای مختلف با یکدیگر مقایسه شده و تفاوتهای موجود استخراج و مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در نهایت پایداری کاتالیزور پلاتین/کربن سنتز شده در برابر مسمومیتهای ناشی از حد‌واسط‌های تولید شده در فرآیند اکسیداسیون، با استفاده از تکنیکهای مختلف الکتروشیمیایی ارزیابی خواهد شد.
فصل دوم
مبانی نظری
280098545466000263715511620500
فصل دوم: مبانی نظری
2-1- مقدمه
الکتروشیمی شاخهای از شیمی میباشد که به بررسی رفتارهای الکتریکی واکنشهای شیمیایی می‌پردازد. در این روش، کمیتهای الکتریکی مانند جریان، پتانسیل، مقاومت، بار اندازهگیری شده و ارتباط آن با واکنشهای شیمیایی، مورد بررسی قرار میگیرد که موجب کاربرد گستردهی این روش درزمینههای مختلف از جمله صنعت، محیط زیست، پزشکی و... شده است. همچنین روشهای الکتروشیمیایی دارای کاربرد وسیعی در تجزیه نمونههای مختلف و نیز در سنتزهای آلی و معدنی، بدست آوردن دادههای ترمودینامیکی و سینتیکی واکنشها و... میباشند. گزینشپذیری، حساسیت بالا، سهولت اجرا، سرعت عمل و کمهزینه بودن روشهای الکتروشیمیایی و همچنین صحت و دقت بالایی که با آن میتوان پارامترهای مرتبط با این واکنشها را اندازه گرفت، روشهای الکترو شیمیایی را در ردیف حساسترین و انتخابیترین روشها برای اندازهگیریهای کمی وکیفی قرار میدهد.
روشهای الکتروشیمیایی بر اساس وضعیت تعادلی سل الکتروشیمیایی و حضور یا عدم حضور جریان به دو دسته عمده روش‏های ایستا و پویا تقسیم‏بندی می‏شوند. در روش‏های ایستا اندازه‏گیری اختلاف پتانسیل در جریان صفر انجام می‏شود. درحالیکه، روش‏های پویا مبتنی بر اندازه‏گیری اختلاف پتانسیل یا جریان در خارج از حالت تعادل هستند. روش‏های پویا به چند دسته تقسیم‏بندی می‏شوند که عبارتند از‏: جریان ثابت‏، پتانسیل کنترلشده و بار عبوری کنترلشده‏.
2-2- تکنیکهای مورد استفاده
در این پروژه تحقیقاتی رفتار الکتروشیمیایی اکسیداسیون الکلها در محیط قلیایی توسط کاتالیست Pt/C، از طریق روشهای الکتروشیمیایی کرونوآمپرومتری، ولتامتری چرخهای(CV)، ولتامتری روبش خطی(LSV) و طیف نگاری امپدانس الکتروشیمیایی مورد مطالعه قرار گرفته است. در ادامه به کاربرد هر یک از این روشها در ارزیابی عملکرد الکترود آند پیلهای سوختی الکلی مستقیم پرداخته شده است.
2-3- ولتامتری
ولتامتری بهطور وسیعی توسط شیمیدان‏های معدنی، شیمیفیزیک و زیستشیمی برای مطالعات بنیادی فرایندهای اکسایش وکاهش در محیط‏های مختلف، فرایندهای جذب سطحی روی سطوح و مکانیسم انتقال الکترون در سطح الکترودهای تعدیلشدهی شیمیایی بهکار گرفته می‏شود. بهطورکلی ولتامتری شامل دسته‏ای از روش‏های الکتروتجزیه‏ای است که در آن‏ها اطلاعات در خصوص ترکیبات از طریق دنبال کردن جریان بهعنوان تابعی از پتانسیل اعمال شده حاصل می‏گردد.
2-3-1- ولتامتری با روبش خطی پتانسیل
ولتامتری با روبش خطی پتانسیل روشی است که در آن، پتانسیل شیب‌داری را به الکترود ساکن شناور در محلول ساکن اعمال می‌کنند و تغییرات جریان حاصل را نسبت به پتانسیل الکترود ثبت می‌نمایند. در این روش که جزء روش‌های پتانسیوستایی است از سه الکترود کار، کمکی و مرجع استفاده می‌شود و بسته به جهت روبش پتانسیل، فرایند الکترودی و جریان وابسته به آن ممکن است ماهیت آندی یا کاتدی داشته باشد [42].
2-3-2- ولتامتری چرخه‏ای
هرگاه جهت روبش پتانسیل را، با رسیدن به پتانسیل انتهایی عوض کنند و روبش پتانسیل را در جهت عکس تا رسیدن به پتانسیل اولیه ادامه دهند، در صورت برگشتپذیر بودن فرایند الکترودی، محصول واکنش که در مرحله روبش رفت پتانسیل به وجود آمده و در اطراف الکترود قرار دارد، میتواند در مرحله روبش برگشت، در واکنش عکس وارد شود وLSV را بهوجود آورد که علامت جریان آن، عکس علامت جریانهای ثبت شده در مرحله رفت است. در این حالت روش را ولتامتری چرخهای مینامند. بسته به اطلاعات مورد نیاز، یک یا چندین چرخه میتواند بهکار گرفته شود. در این روش که عمدتًا برای مطالعه مکانیزم واکنشها و تبیین حدود برگشتپذیری فرایندهای الکترودی بهکار میرود، سرعت روبش پتانسیل را در دو مرحله رفت و برگشت، معمولاً یکسان انتخاب میکنند.
در این پروژه، از روش ولتاموگرام چرخهای برای سنجش کارایی کاتالیتیکی کاتالیزور و همچنین سنجش پایداری کاتالیزور استفاده شده است.
2-3-3- عوامل موثر در واکنشهای الکترودی در حین ولتامتری چرخهای
در علم الکتروشیمی، به پدیدههایی که بر سطح الکترود رخ میدهد توجه خاصی شده است که برای بررسی، واکنش الکترودی کلی:
(2-1)O + ne- ⇔ R
را در نظر میگیریم که گونه اکسید شده O طی مراحل متعدد بهگونه کاهش یافته تبدیل می شود، شکل (2-1)] 43[.
همانطور که در شکل (2-1) نشان داده شده است جریان یا سرعت واکنش الکترودی بهوسیله سرعت فرآیندهای ذیل کنترل میشود:
1- انتقال جرم: بهمعنای فرایند انتقال گونه اکسیدی از داخل محلول به سطح الکترود.
2- انتقال الکترون در سطح الکترود
3- واکنش سطحی نظیر جذب سطحی، دفع یا کریستالیزاسیون.
4- واکنش شیمیایی قبل یا بعد از انتقال الکترون که این واکنشها میتوانند همگن یا ناهمگن باشند.

شکل 2-1- مسیر کلی واکنش الکترودی
فرایند انتقال جرم میتواند به سه طریق انجام گیرد:
مهاجرت: یعنی جابجایی گونه باردار در اثر میدان الکتریکی ایجاد شده بین دو الکترود (گرادیان پتانسیل الکتریکی).
نفوذ: یعنی جابجایی گونه باردار تحت تاثیر تغییر پتانسیل شیمیایی یا به عبارت دیگر اختلاف غلظت ایجاد شده بین محلول و الکترود (گرادیان غلظتی)
جابجایی: به معنای جابجایی گونه ها در اثر بهمزدن یا انتقال هیدرودینامیکی
2-3-4- نحوه عمل در ولتامتری چرخهای
در ولتامتری چرخهای پتانسیل الکترود کار نسبت به زمان بهطور خطی تغییر مینماید. پتانسیل آغازی را طوری انتخاب مینماییم که واکنش اکسیداسیون و احیا در سطح الکترود انجام نگیرد. بعد از طی کردن محدوده پتانسیل یک یا تعداد بیشتری واکنش الکترودی رخ میدهند. سپس جهت روبش خطی معکوس شده و واکنشهای الکترودی، حدواسطها و محصولاتی که طی فرآیند اول تشکیل شدهاند، اگر الکتروفعال باشند، قابل تشخیص خواهند بود (شکل 2-2).

شکل 2-2- سیگنال تهییجی برای ولتامتری چرخه ای یک موج پتانسیلی با فرم مثلثی
2-4- نمودارهای تافل
وقتی که E=Eeq است، هیچگونه جریان خالص از مدار عبور نمیکند. با این حال، این موقعیت با حرکت مستمر حاملان بار در هر دو جهت، یک حالت دینامیک است و در آن مؤلفههای جریانهای آندی و کاتدی متقابل با هم برابرند. قدرمطلق این مؤلفهها در Eeq ، جریانمبادله () را نشان می‌هد که مستقیماً با ثابت سرعت استاندارد متناسب است.
(2-1)
که در آن ، بهترتیب مؤلفههای کاتدی و آندی می‌باشند.
اگر معادله مبادله باتلر- ولمر برحسب جریان نوشته شود:
(2-2) معادله باتلر-ولمر

(2-3)
که در آن است و بهنام پتانسیل اضافی نامیده می‌شود.
معادله (2-3) می‌تواند برای استخراج اطلاعات مربوط به و α، که پارامترهای مهم سینتیکی هستند، مورد استفاده قرار گیرد.
برای پتانسیلهای اضافی بهقدر کافی بزرگ، یکی از عبارتها در معادله (2-3) در مقایسه با دیگری قابل صرفنظر کردن خواهد بود. مثلاً در پتانسیل مازاد بسیار منفی، میشود و معادله (2-3) بهشکل زیر درمی‌آید:
(2-4)
و بنابراین میتوانیم داشته باشیم:
(2-5)
این وابستگی لگارتیمی پتانسیل- جریان بهعنوان معادله تافل شناخته شده است. با رسم تغییرات logi برحسب ، منحنیهای تافل برای شاخههای کاتدی و آندی منحنیجریان- پتانسیل مازاد بهدست می‌‌آیند [44-45].
2-5- روش طیف‏نگاری امپدانس الکتروشیمیایی
در چند سال اخیر روش طیفنگاری امپدانس الکتروشیمیایی که به اختصار EIS یا امپدانس ac نامیده میشود بهعنوان روشی کلیدی در الکتروشیمی و علم مواد مورد استفاده فراوان قرار گرفته است. بدون شک، در مطالعه سیستمهای الکتروشیمیایی، روش EIS با استفاده از تکنیکها و قالبهای خروجی متنوعی که دارا است قادر به ارائه اطلاعات صحیح در مورد سینتیک و مکانیسم واکنش خواهد بود. بههمین دلیل به‌عنوان وسیلهای قدرتمند در مطالعات خوردگی، ارزیابی خواص پوششها، آبکاری الکتریکی، باتریها، سرامیکها و نیمههادیها بهکار میرود. بهعلاوه روش EIS دارای چهار مزیت عمده است که عبارتند از :
1-میزان تحرک کم: در این روش معمولا از دامنه ولتاژ 10-5 میلی ولت استفاده میگردد که آن امر منجر به ایجادکمترین آشفتگی در سیستمهای الکتروشیمیایی مورد آزمایش میشود.
2-مطالعه مکانیسم : چون دادههای حاصل از آزمایشهای امپدانس الکتروشیمیایی هم، اطلاعاتی در مورد ظرفیت و هم در مورد سینتیک انتقال بار بهدست میدهند لذا میتوان مطالعات مکانیسیمی سیستم را با آنها انجام داد.
3-صحت اندازهگیری: از آنجا که در روش EIS روبش پتانسیل انجام نمیشود اندازهگیری میتواند در محلولهایی با هدایت کم نیز انجام شود.
4-استفاده از مدارالکتریکی : مهمترین مزیت روش EIS این است که در آن از یک مدل کاملا الکتریکی برای پدیدههای الکتروشیمیایی استفاده میگردد.
اما مشکل عمده روش امپدانس ac این است که فهم دقیق مفاهیم مربوط به این روش نیازمند اطلاعات زیادی در زمینه ریاضیات و همچنین تجربه، تبحر و آگاهی در زمینههای مختلف خوردگی است. در مجموع، قابلیت مدلسازی شدن فرآیند خوردگی، استفاده عملی از روش امپدانس را میسر میسازد. روش امپدانس ac روش نوینی است که اهمیت آن برای پیشبینی رفتار خوردگی، روز به روز بیشتر میشود [46].
اندازهگیری EIS توسط یک تحلیلگر پاسخ فرکانس با کنترل پتانسیلاستاتیکی در یک سیستم الکترودی قابل انجام است. این روش مبتنی بر اغتشاش سیستم در حال خوردگی در حول و حوش پتانسیل خوردگی میباشد. سیستم سه الکترودی مذکور شامل الکترود کار، مرجع و کمکی است [46]. نمودارهای EIS بهصورتهای مختلف نمایش داده میشوند. یکی از روشهای مطلوب نمایش دادههای امپدانس الکترو‌شیمیایی منحنی نایکوئیست میباشد. در این قالب نمایش دادهها در مختصات مختلط امپدانس حقیقی (Zre) برحسب امپدانس موهومی (Zim) در محدوده یا از فرکانس تحریکی رسم میشوند. در صورتی که مدار فقط دارای مقاومت باشد امپدانس آن توسط یک نقطه روی محور افقی مشخص میشود و در صورتی که مدار، فقط دارای خازن باشد منحنی نایکوئیست آن خطی صاف و منطبق بر محور عمودی خواهد بود. در حقیقت، امپدانس مقاومت فقط دارای قسمت حقیقی و مستقل از فرکانس بوده ولی امپدانس خازن، فقط دارای قسمت موهومی و البته تابع فرکانس میباشد. معمولا منحنیهای نایکوئیست بهصورت نیمدایره هستند. از این نیمدایره، سه پارامتر اصلی را میتوان بهدست آورد که عبارتند از :
RΩ که در فرکانسهای بالا در نقطه Zim برابر با مقدار Zre میباشد.
Rf برابر با قطر دایره است.
C لایهی دوگانه الکتریکی که از رابطه زیر با دانستن فرکانس در بالاترین نقطه دایره قابل محاسبه است.
(2-1)C = 1/(ωRP )
علاوه بر این سرعت یک واکنش شیمیایی ممکن است تحت تاثیر نفوذ یک یا چند واکنشگر از سطح مورد مطالعه باشد. زمانی که مکانیسم واکنش الکتروشیمیایی کاملا تحت تاثیر نفوذ باشد پاسخ امپدانس دارای مشخصهی منحصر به فردی است که امپدانس واربرگ نامیده میشود. برای چنین واکنشی، جریان نسبت به پتانسیل اعمالی 45 درجه اختلاف فاز دارد بنابراین در تمامی فرکانسها قسمت حقیقی و موهومی بردار امپدانس با یکدیگر یکسان میباشند برای نشان دادن امپدانس واربرگ از علامتw استفاده میگردد.
اصلیترین حُسن منحنی نایکوئیست این است که نحوه رسم به گونهای است که بهسادگی میتوان نیم‌دایره را بهطرف چپ و پائین برونیابی کرده محل تقاطع آن را با محور x بهدست آورد غالبا با تغییر مقاومت اهمی، شکل نیمدایره تغییری نمیکند. حُسن دیگر منحنی نایکوئیست این است که بر روی اجزا سری مدار مانند مقاومت اهمی تاکید دارد.
2-6- مشخصهیابی سطح الکترود
برای مشخصهیابی سطح الکترودهای اصلاح شده و ترکیب عناصر موجود بر سطح آنها از روشهای تصویر‌برداری مانند میکروسکوپ الکترونی روبشی و طیفبینی پراکنش انرژی استفاده میگردد که در ذیل به نحوهی عملکرد آنها پرداخته میشود.
2-6-1- SEM
SEM از جمله مهمترین و پرکاربردترین فنون مشخصهیابی ساختارهای نانو است که برای بررسی ساختار سطحی و اندازهی مواد نانو بهکار میرود. تکنیک SEM با بمباران الکترونی، از سطح اجسامی به کوچکی 10 نانومتر تصویربرداری میکند. در حین بمباران، الکترونهایی بهسمت صفحهی دارای بار مثبت رها می‌شوند که سبب ایجاد علامت میگردد. حرکت پرتو بر روی نمونهی آزمایشی، مجموعهای از علائم را فراهم میکند که بر این اساس، میکروسکوپ میتواند تصویری از سطح نمونه را بر صفحهی رایانه نمایش دهد. همچنین، معمولاً باید سطح نمونههایی که با SEM بررسی میشوند با یک مادهی رسانای الکتریسیته پوشانده شود. در غیر این صورت، الکترونی که بهسطح نمونه تابیده میشود، دفع نشده، روی سطح باقی مانده و بار ساکن ایجاد میکند. الکترونهای بعدی با این بار ساکن دارای بار همنام برخورد نموده، دفع و یا منحرف میشوند و در نتیجه تصویر حاصل ناپایدار شده و وضوح آن کاهش مییابد. از اینرو معمولاً با نشاندن لایهی نازکی از طلا و پلاتین، سطح نمونههای نارسانا، هدایت الکترونی پیدا میکنند و الکترونهای سطحی دفع شده و مشکل فوق حل گردیده و وضوح تصویر نیز بهبود مییابد [47].

شکل 2-3- تصویر شماتیک از نحوهی عملکردSEM .
2-6-2- EDS
اساس کار EDS به این ترتیب است که یک پرتو پرانرژی از ذرات باردار نظیر الکترون، پروتون یا پرتوی از اشعهی ایکس بر سطح مورد مطالعه متمرکز میشود. پرتو فرودی ممکن است یک الکترون در پوستهی داخلیتر را تهییج نموده و آن را از لایه بیرون رانده و یک حفرهی الکترونی ایجاد کند. سپس یک الکترون از لایهی پرانرژیتر بیرونی، این حفره را پر نموده و اختلاف انرژی بین پوسته با انرژی بالاتر و پوستهی با انرژی پایینتر به شکل اشعهی ایکس آزاد میشود. هر عنصر با توجه به ساختار اتمی خاص خود، اشعهی ایکس خفیفی با انرژی خاصی آزاد میکند که با توجه به آن میتوان عناصر موجود در نمونه را شناسایی کرد [48].
فصل سوم
بخش تجربی
268922538544500
فصل سوم: بخش تجربی
3-1- مواد شیمیایی
جدول 3-1، مشخصات مواد شیمیایی مورد استفاده را نشان میدهد.
جدول 3-1- مشخصات مواد شیمیایی
ردیف نام ترکیب شیمیایی درجه خلوص نام شرکت،کشور سازنده
1 پتاسیم هگزا کلرو پلاتینات
Cl6k2Pt)) 99< مرک، آلمان
2 هیدروکلریک اسید (HCl) 98 فلوکا، سوئیس
3 پتاسیم هیدروکسید
((KOH 85< فلوکا
4 کربن ولکان XC-72 99< نانو تک-چین
5 2-پروپانول 99< فلوکا
6 متانول 98< مرک
7 2،1-پروپاندیال 98< فلوکا
8 سدیم بور هیدرید
(NaBH4) 99< سیگما-آلدریچ
3-2- دستگاه‌های مورد استفاده
جهت ثبت ولتاموگرامها و سایر اطلاعات از دستگاه‌ پتانسیواستات/ گالوانواستاتAutolab PGstat 30 استفاده شد.
آزمایشهای امپدانس بهوسیله دستگاه Frequency Response Detector مدل 1025 ساخت شرکت EG&G متصل به دستگاه پتانسیواستات/گالوانواستات انجام شد.
در تمام آزمایشها از سیستم سه الکترودی شامل الکترود کار کربنشیشهای ‌با سطح متوسط 0314/0 سانتی‌متر مربع، الکترود کمکی پلاتین والکترود مرجع اشباع Ag/AgCl استفاده شد.

user8271

این تعداد ذرات به اصطلاح بنیادی به صورتی نسبتاً سر راست، راه را به سمت ساختار داخلی نوکلئون ها، یعنی کوارک ها هموار کرد. همچنین مزون پایون و تمام هادرون های دیگر از کوارک ساخته شده‌اند. الکترون و نوترینو، نیروی قوی هسته‌ای را احساس نمی‌کنند و بنابراین هادرون نیستند. آن‌ها گروه مجزایی از ذرات به نام لپتون ها را تشکیل می‌دهند. نوترینو ها تنها در برهم کنش ضعیف شرکت می‌کنند، اما الکترون که بار نیز دارد می‌تواند برهم کنش الکترومغناطیسی را نیز حس کند. لپتون ها مانند کوارک ها مرکب نیستند و بنابراین مستقیماً به همراه کوارک ها به عنوان ذرات بنیادی نقطه‌ای در جدول (1-1) وارد شده‌اند.

جدول (1- SEQ جدول_(1- * ARABIC 1): اجزای بنیادی جهان و مشخصات آنCharge
(Q) Lepton
Number
(L) Baryon
Number
(B) Spin
(S) Name +2/3 0 1/3 1/2 u (up) -1/2 0 1/3 1/2 d(down) +2/3 0 1/3 1/2 s(strange) -1/2 0 1/3 1/2 c(charm) Quarks
+2/3 0 1/3 1/2 t(top) -1/2 0 1/3 1/2 b(bottom) -1 1 0 1/2 e(electron) 0 1 0 1/2 νe(e-noutrino) -1 1 0 1/2 μ(muon) 0 1 0 1/2 νμ(μ-noutrinoLeptons
-1 1 0 1/2 τ(tau) 0 1 0 1/2 ντ(τ-noutrino) 0 0 0 1 γ(photon) ±1,0 0 0 1 w±,z0(weak boson Gauge
boson
0 0 0 1 gi(i=1,…,8 gluons) تعداد شش لپتون وجود دارد که بر حسب بار الکتریکی و عدد لپتونی دسته بندی می‌شوند. همچنین شش آنتی لپتون وجود دارد که علامت آن‌ها بر عکس لپتون ها است.
بنا بر این مدل شش طعم کوارک با اسپین 12 وجود دارد. که بالا (u)، پایین (d)، شگفتی (s)، افسون (c)، زیبایی (b) و حقیقت (t) نام دارند که هر کدام دارای یک آنتی کوارک می‌باشند. ضمنا هر کدام از کوارک ها و آنتی کوارک ها دارای سه رنگ (آبی- قرمز- سبز) هستند.
و در نهایت هر بر هم کنشی واسطه مخصوص خود را دارد. چهار نیروی اصلی و بنیادی در طبیعت وجود دارد قوی، الکترومغناطیس، ضعیف و جاذبه. نیروی جاذبه در مدل استاندارد بررسی نمی‌شود. فوتون ها واسطه نیروهای الکترومغناطیس هستند و به همین دلیل به آن‌ها حاملان نیرو می‌گویند و چون فوتون ها ذراتی بدون جرم هستند، نیروهای الکترومغناطیسی برد بالایی دارند. بوزون های باردار+ w و w- و بوزون خنثی z واسطه نیروهای ضعیف هستند، به این بوزون ها حاملان بار ضعیف می‌گویند و به علت جرم زیاد ذرات واسطه، بر هم کنش ضعیف کوتاه برد است. گلئون ها که بدون جرم اند و از نظر بار الکتریکی خنثی هستند، واسطه نیروهای قوی هستند و به آن‌ها حاملان رنگ گفته می‌شود. بر هم کنش قوی نیز به علت بدون جرم بودن گلئون ها، برد بالایی دارند اما نسبت به بر هم کنش الکترومغناطیس برد محدودتری دارند.
centercenterفصل دوم
00فصل دوم

2- مدل‌های هسته‌ای2-1- مقدمهبرهمکنش متقابل میان نوکلئون ها هنگامی که برای تشکیل هسته‌های سنگین و متوسط متراکم می‌شوند، برای مدت طولانی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته‌اند. مفهوم نیروی بین هسته‌ای و محاسبه خصوصیات هسته‌ای بسیار پیچیده است و برای شناخت هسته و خصوصیات آن، تنها راه ساده سازی، شبیه سازی و استفاده از مدل‌های هسته‌ای خاص و نیروهای هسته‌ای ساده شده است.
در هر هسته حالتی با کم‌ترین انرژی، حالت پایه نامیده می‌شود و حالت‌هایی با انرژی بالاتر را، حالت‌های برانگیخته می‌نامند. بسیاری از خصوصیات نیروهای هسته‌ای را می‌توان از بررسی هسته در حالت پایه بدست آورد، در برسی های دقیق‌تر ویژگی‌های معینی ظاهر می‌شوند. مدل‌های هسته‌ای برای توضیح این ویژگی‌ها توسعه داده شده‌اند. در غیاب یک تئوری دقیق تعدادی از مدل‌های هسته‌ای توسعه یافته‌اند. برای این کار فرضیات بسیاری برای ساده سازی روابط به کار رفته‌اند. هر مدل تنها قادر به توضیح بخشی از دانش تجربی ما راجع به هسته است.
در حالت کلی مدل‌های هسته‌ای به دو گروه تقسیم می‌شوند: مدل‌های ذره مستقل (IPM) که در آن نوکلئون ها به طور مستقل در یک پتانسیل هسته‌ای معمولی حرکت می‌کنند. گروه دیگر، مدل‌های برهم کنش قوی (SIM) که در آن نوکلئون ها به طور قوی با یکدیگر جفت شده‌اند. ساده‌ترین مدل برهم کنش قوی، مدل قطره مایع است و ساده‌ترین مدل ذره مستقل، مدل گاز فرمی است.
2-2- مدل قطره مایعی و فرمول نیمه تجربی جرمنظریه مفصل بستگی هسته‌ای، مبتنی بر روش‌های ریاضی و مفاهیم فیزیکی پیچیده، توسط بروکنر و همکارانش (از 1954 تا 1961) ابداع شده است. مدل بسیار ساده شده‌ای نیز در سال 1935 توسط وایس زکر با پیشنهاد بور بدست آمد. در این مدل از بعضی ویژگی‌های ظریف‌تر نیروهای هسته‌ای صرف نظر شده است، ولی بر جاذبه قوی بین نوکلئونی تاکید می‌کند. در این مدل فرض می‌شود که نوکلئون ها با همسایه‌های نزدیک خود فعل و انفعال متقابل دارند، درست همان گونه که مولکول‌ها در یک قطره آب با هم برهم کنش دارند [5,4,3].
فرض‌های اساسی به قرار زیرند:
1- هسته از ماده غیر قابل تراکم تشکیل شده است، به طوری که R∝A1/3.
2- نیروی هسته‌ای برای هر نوکلئون یکسان است و به نوع آن بستگی ندارد.
3- نیروی هسته‌ای اشباع می‌شود.
آثار کولومبی و مکانیک کوانتومی را به طور جداگانه بررسی می‌کنیم. طبق فرض‌های 2 و 3، در یک هسته نامتناهی با A نوکلئون، انرژی بستگی اصلی متناسب با A است. اما چون هسته‌های واقعی متناهی هستند، معمولاً یک شکل کروی برای آن در نظر می‌گیرند. از این رو نوکلئون های سطحی، به اندازه آنچه هم اکنون تخمین زدیم، تحت جاذبه یکسان از طرف دیگر نوکلئون ها قرار نمی‌گیرند و از این رو باید جمله‌ای متناسب با تعداد نوکلئون های سطحی یا متناسب با مساحت سطح را از تخمین مبتنی بر هسته‌ی نا متناهی، کم کرد. از طرفی نیروی دافعه کولومبی که بین تمام جفت پروتون‌ها برقرار است، از انرژی بستگی کم خواهد کرد. (نیروی کولومبی دارای برد زیاد است و اشباع نمی‌شود). علاوه بر این، جمله‌ای را باید معرفی کنیم که به هسته‌های با N=Z، بیشترین بستگی را نسبت دهد. این جمله، پیامد مستقیمی از رفتار مکانیک کوانتومی نوترون‌ها و پروتون‌ها می‌باشد. بالاخره، باید جملات تصحیحی لازمی را معرفی کنیم که بیشترین بستگی را برای هسته‌های زوج- زوج و کمترین بستگی را برای هسته‌های فرد- فرد به دست بدهند و آثار پوسته‌ای را منعکس کنند.
اهمیت این مدل در این حقیقت نهفته است که جنبه‌های علمی داده‌های جرم هسته‌ای را تبیین می‌کند. این امر تایید کننده آن است که جمله انرژی بستگی اصلی، که متناسب با A می‌باشد، باید تصحیح شود. چون این جمله در بین فرض‌های دیگر به فرض "استقلال از بار" نیروهای هسته‌ای بستگی دارد، می‌توان نتیجه گرفت که بر هم کنش‌های هسته‌ای n-n، p-p، p-n یکسان هستند.
انرژی بستگی، B، یک هسته عبارت است از اختلاف انرژی بین جرم هسته و جرم کل پروتون‌ها (Z پروتون) و نوترون‌های تشکیل دهنده آن (N نوترون) که به صورت زیر نوشته می‌شود.
(2- SEQ (2- * ARABIC 1)B={Zmp+Nmn-mX-Zme}رابطه انرژی بستگی کل یک هسته را می‌توان به صورت زیر نوشت.
(2- SEQ (2- * ARABIC 2)BA,Ztot=avA-asA23-acZZ-1A-13-aa(N-Z)2A-1±δ+ηکه در آن
avA جمله حجمی
asA23 جمله سطحی متناسب با مساحت سطح کره(4πr2).
±δ جمله انرژی زوجیت، که برای هسته‌های با A ی فرد برابر صفر است، برای هسته‌های (N زوج - Aزوج) علامت (+) و برای هسته‌های (N فرد – Aفرد) علامت (-) را به کار می‌بریم و ???? جمله پوسته‌ای، که اگر N یا Z یک عدد جادویی باشد مثبت است.
aa(N-Z)2A-1/3 جمله انرژی عدم تقارن و acZZ-1A-13 جمله انرژی کولنی هستند.
2-2-1- انرژی عدم تقارنجمله عدم تقارن نتیجه مستقیم رفتار کوانتوم مکانیکی پروتون‌ها و نوترون‌ها است و بیشترین بستگی را به هسته‌هایی با N=Z، بیشترین بستگی را نسبت می‌دهد.
طبق اصل طرد پائولی در هر طراز فقط یک نوکلئون می‌تواند وجود داشته باشد و فرض می‌کنیم ترازها در فاصله یکسان ∆ از هم قرار داشته باشند، انرژی عدم تقارن عبارت است از اختلاف بین انرژی هسته-ای یک هسته با اعداد نوترونی و پروتونی N و Z با انرژی ایزوباری که در آن اعداد نوترونی و پروتونی، هردو، مساوی A2 است. اگر بخواهیم هسته اول را از هسته دوم بسازیم باید v پروتون به نوترون تبدیل شود، یعنی
N=12A+v و Z=12A-v → v=12(N-Z) و انرژی لازم برای این کار v2∆ است. و با قرار دادن 1A به جای ∆، جمله انرژی عدم تقارن بدست می‌آید.
2-2-2- انرژی کولنیما در فرض‌های اولیه، دافعه کولنی بین پروتون‌ها را در نظر نگرفتیم، این نیرو دارای برد بلند است و اشباع نمی‌شود، برای محاسبه این نیرو، هسته را به صورت یک کره با بار Ze و شعاع R در نظر بگیریم، آنگاه انرژی کولنی با توجه به روابط زیر محاسبه می‌شود:
(2- SEQ (2- * ARABIC 3)Eکولنی=0ZeQ(r)rdQاز طرفی
(2- SEQ (2- * ARABIC 4)Qr=Ze(rR)3(2- SEQ (2- * ARABIC 5)dQ=3Zer2R3drبا جایگذاری دو عبارت بالا در عبارت اول داریم:
(2- SEQ (2- * ARABIC 6) Eکولنی=0R3(Ze)2rr5R6dr=35(Ze)2Rعبارت بالا شامل یک جمله خود انرژی 3e25R برای هر پروتون است (که با قرار دادن Z=1 پیدا می‌شود)، که اضافه محاسبه شده است، و باید این جمله برای Z پروتون از جمله بالا کسر گردد.
(2- SEQ (2- * ARABIC 7): Ec=35Z(Z-1)e2A13نمودار انرژی بستگی هسته‌ها بر حسب داده‌های تجربی و فرمول نیمه تجربی جرم در شکل‌های .(2-1) و (2-2) نشان داده شده است.

شکل(2- SEQ شکل(2- * ARABIC 1): انرژی بستگی هسته‌ها که به صورت تجربی به دست آمده‌اند.
شکل(2- SEQ شکل(2- * ARABIC 2): انرژی بستگی هسته‌ها براساس فرمول نیمه تجربی جرمهر چند که مدل قطره مایعی را بیشتر بر حالت‌های پایه اعمال می‌کنند، ولی می‌توان آن را برای حالت‌های برانگیخته نیز به کار برد. این حالت‌ها می‌توانند توسط نوسان‌های سطحی قطره‌ی هسته، یا توسط چین و شکن‌هایی که بر روی سطح آن حرکت می‌کنند، ایجاد شوند. این عقیده مخصوصاً در توجیه بعضی از جنبه‌های شکافت هسته‌ای موفق بوده است. مدل قطره مایعی بر آثار جمعی بین نوکلئون های متعدد موجود در هسته نیز تایید دارد و پیشقراول مدل‌های جمعی ساختار هسته‌ای است. آنچه در این مدل صراحت دارد تقسیم سریع انرژی بین نوکلئون هاست که مبنای نظری بوهر را در مورد شکل بندی هسته مرکب در واکنش‌های هسته‌ای تشکیل می‌دهد [6].
2-3- مدل پوسته‌ای هسته2-3-1- مقدمهنظریه اتمی با استفاده از مدل پوسته‌ای توانسته است به طور کاملاً روشن جزئیات پیچیده ساختار اتم‌ها را توضیح دهد. به همین دلیل متخصصان فیزیک هسته‌ای، به امید آنکه بتوانند به توصیف روشنی از خواص هسته‌ها دست یابند، سعی کردند در بررسی ساختار هسته‌ای از نظریه مشابهی استفاده کنند. در مدل پوسته‌ای اتم‌ها، پوسته‌ها را با الکترون‌هایی که انرژی‌شان به ترتیب افزایش می‌یابد پر می‌کنیم، و این آرایش الکترونی به گونه‌ای است که اصل طرد پائولی در آن رعایت می‌شود. بدین ترتیب، هر اتم متشکل است از: یک ناحیه مرکزی خنثی که پوسته‌های پر دارد، و چند الکترون ظرفیت که در پوسته‌ای خارج از این ناحیه مرکزی قرار می‌گیرند. در این مدل، فرض بر این است که عمدتاً همین الکترون‌های ظرفیت هستند که خواص اتم‌ها را تعیین می‌کنند. هنگامی که پیش بینی‌های این مدل را با بعضی از خواص اندازه گیری شده سیستم‌های اتمی مقایسه می‌کنیم، آن‌ها را به خوبی یا هم سازگار می‌یابیم. بویژه مشاهده می‌کنیم که تغییرات خواص اتمی در محدوده هر زیر پوسته تدریجی و کم است، در حالی که وقتی از یک زیر پوسته به زیر پوسته دیگر می‌رویم تغییرات خواص ناگهانی و زیاد است.
هنگامی که سعی می‌کنیم تا این مدل را به قلمرو هسته‌ای هم گسترش دهیم، از همان آغاز کار با چند مانع روبرو می‌شویم. در مورد اتم‌ها، پتانسیل حاکم را میدان کولنی هسته تأمین می‌کند. یعنی یک عامل خارجی زیر پوسته‌ها (یا مدارها) را سازمان می‌دهد. اما در مورد هسته هیچ عامل خارجی وجود ندارد، و نوکلئون ها در پتانسیلی که خودشان به وجود می‌آورند در حرکت اند. یکی دیگر از جنبه‌های جالب توجه نظریه پوسته‌ای اتم‌ها وجود مدارهای فضایی است. خواص اتم‌ها را اغلب بر حسب مدارهای فضایی الکترون‌ها توصیف می‌کنیم. الکترون‌ها می‌توانند نسبتاً آزادانه در این مدارها حرکت کنند، بدون اینکه برخوردی با الکترون‌های دیگر داشته باشند. قطر نوکلئون ها در مقایسه با اندازه هسته نسبتاً بزرگ است. در حالی که هر نوکلئون منفرد در خلال حرکتش در هر مدار می‌تواند برخوردهای متعددی با نوکلئون های دیگر داشته باشد، چگونه می‌توان نوکلئون ها را در مدارهای کاملاً مشخص در حرکت تصور کرد. در مدل پوسته‌ای، مسئله پتانسیل هسته‌ای را با بیان این فرض بنیادی حل می‌کنیم: حرکت هر نوکلئون منفرد را تحت تأثیر پتانسیل واحدی که نوکلئون های دیگر همه در تولید آن شرکت دارند، در نظر می‌گیریم. اگر هر یک از نوکلئون ها را به این نحو مورد بررسی قرار دهیم، آنگاه برای تمامی نوکلئون های موجود در هسته می‌توانیم ترازهای انرژی متناظر به زیر پوسته‌ها را به دست آوریم. وجود مدارهای فضایی مشخص را اصل طرد پائولی تعیین می‌کند. فرض می‌کنیم که در یک هسته سنگین، تقریباً در ته چاه پتانسیل، برخوردی بین دو نوکلئون صورت می‌گیرد و نوکلئون ها هنگام برخورد با هم انرژی تولید می‌کنند، اما اگر تمامی ترازهای انرژی تا تراز نوکلئون های ظرفیت پر شده باشد، هیچ راهی برای کسب انرژی نوکلئون نمی‌ماند؛ مگر آنکه مقدار انرژی به اندازه‌ای باشد که نوکلئون را به تراز ظرفیت برساند. سایر ترازهای نزدیک‌تر به تراز اولیه نوکلئون همگی پر هستند و نمی‌توانند یک نوکلئون اضافی را بپذیرند. انرژی لازم برای این انتقال که از ترازی نزدیک به تراز پایه به نوار ظرفیت انجام می‌شود، بیشتر از مقداری است که معمولاً در برخورد بین دو نوکلئون از یکی از آن‌ها به دیگری منتقل می‌شود. از این رو، چنین برخوردی بین نوکلئون ها نمی‌تواند صورت گیرد، و گویی نوکلئون ها در حرکت مداری شان با هیچ گونه ممانعتی از طرف نوکلئون های درون هسته روبرو نمی‌شوند [7].

2-3-2- پتانسیل مدل پوسته‌اینخستین گام در ارائه مدل پوسته‌ای، انتخاب پتانسیل هسته‌ای مناسب است. در آغاز دو نوع پتانسیل چاه نا متناهی و نوسانگر هماهنگ را در نظر می‌گیریم. همچنانکه در فیزیک اتمی دیدیم، واگنی هر تراز را تعداد نوکلئون هایی که می‌توانند در آن قرار بگیرند تعیین می‌کند. به عبارت دیگر، واگنی هر تراز برابر 2(l+1) می‌شود که در آن عامل (l+1) از طریق واگنی ml و عامل 2 از طریق واگنی ms حاصل شده است. نوترون‌ها و پروتون‌ها، چون ذرات نایکسان هستند، به طور جداگانه شمرده می‌شوند. بنابراین در تراز 1s علاوه بر 2 نوترون، 2 پروتون هم می‌تواند قرار گیرد. ظهور اعداد جادویی 2، 8 و 20 در هر دو نوع پتانسیل دل گرم کننده است، ولی در ترازهای انرژی بالاتر هیچ گونه ارتباطی با اعداد جادویی تجربی به چشم نمی خورد. به عنوان اولین گام در اصلاح مدل، سعی می‌کنیم پتانسیل واقع بینانه تری را انتخاب کنیم. چاه نا متناهی، بنابر دلایلی، تقریب خوبی برای پتانسیل هسته‌ای نیست: برای جدا کردن یک نوترون یا پروتون از هسته، با صرف انرژی کافی باید بتوانیم آن را از چاه خارج کنیم.دراین صورت،عمق چاه نمی نواند بی نهایت باشد. بعلاوه،لبه پتانسیل هسته‌ای نباید تیز باشد بلکه مثل توزیع بار و جرم هسته‌ای، مقدار پتانسیل بعد از شعاع میانگین، R، باید به آهستگی به سوی صفر میل کند. از طرف دیگر، پتانسیل نوسانگر هماهنگ هم لبه اش به اندازه کافی تیز نیست و انرژی جدایی آن نیز بی نهایت می‌شود. از این رو شکل واقع بینانه تر پتانسیل را به صورت بینابینی
(2- SEQ (2- * ARABIC 8)Vr=-V01+exp⁡[(r-R)a]انتخاب می‌کنیم که منحنی نمایش آن در شکل (2- SEQ شکل(2- * ARABIC 3):رسم شده است. پارامترهای R و a به ترتیب شعاع میانگین و ضخامت پوسته هستند، که مقادیرشان تقریباً برابر است با: R=1.25A13fm و a=0.524fm. عمق چاه V0چنان تنظیم می‌شود که برای انرژی‌های جدایی که از مرتبه 50Mev است، مقادیر مناسبی به دست می‌آید. ترازهای انرژی حاصل در شکل (2-4) نشان داده شده است. نتیجه پتانسیل جدید، در مقایسه با نوسانگر هماهنگ این است که واگنی l را در پوسته‌های جدید برطرف می‌کند. هر چه به طرف انرژی‌های بالاتر پیش می‌رویم، فاصله ایجاد شده در این مورد بیشتر می‌شود، به طوری که سرانجام این فاصله بن فاصله بین ترازهای نوسانگر هماهنگ قابل مقایسه خواهد شد. وقتی پوسته‌های حاصل را به ترتیب با 2(l+1) نوکلئون پر می‌کنیم، باز هم اعداد جادویی 2، 8 و 20 را به دست می‌آوریم، ولی اعداد جادویی بالاتر را نمی‌توان با این محاسبات پیدا کرد.

شکل(2- SEQ شکل(2- * ARABIC 4): پتانسیل هسته‌ای بین نوکلئون های هسته به همراه پتانسیل کولنی.2-3-3- پتانسیل اسپین- مداراین پتانسیل را چگونه می‌توانیم اصلاح کنیم تا همه اعداد جادویی را از آن بدست آوریم؟ چون نمی- خواهیم محتوای فیزیکی این مدل را از بین ببریم، مسلماً نمی‌توانیم تغییر زیادی در پتانسیل وارد کنیم. دلایل توجیهی معادله (2- SEQ (2- * ARABIC 9) را به عنوان یک حدس خوب پتانسیل هسته‌ای قبلاً ارائه کردیم. بنابراین، برای بهبود محاسبات لازم است که جمله‌های مختلفی به معادله (2- SEQ (2- * ARABIC 10) افزوده شود. در دهه 1940 تلاش‌های نافرجام زیادی برای یافتن این جمله تصحیحی صورت گرفت و سرانجام مایر، هاکسل، سوئس و جنسن در سال 1949 موفق شدند که با افزودن یک پتانسیل اسپین- مدار فاصله‌های مناسبی بین زیر پوسته‌ها به دست آورند [9,8].
در اینجا بار دیگر به فیزیک اتمی روی می‌آوریم، یکی دیگر از مفاهیم آن را به کار می‌گیریم. برهم کنش اسپین- مدار در فیزیک اتمی که مولد ساختار ریز مشاهده شده در خطوط طیفی است، از برهم کنش الکترومغناطیسی بین گشتاور مغناطیسی الکترون و میدان مغناطیسی ناشی از حرکت الکترون به دور هسته حاصل می‌شود. اثر این برهم کنش نوعاً خیلی کوچک و شاید از مرتبه یک قسمت از 105 قسمت فاصله بین ترازهای اتمی است.
هیچ برهم کنش الکترومغناطیسی از این نوع نخواهد توانست تغییرات محسوسی را در فواصل تراز هسته‌ای ایجاد و اعداد جادویی را باز تولید کند. با وجود این، در اینجا مفهوم نیروی اسپین- مدار هسته‌ای را به همان صورت نیروی اسپین- مدار اتمی، ولی نه از نوع الکترومغناطیسی آن، در نظر می‌گیریم. در واقع، به توجه به آزمایش‌های پراکندگی شواهدی قوی در دست است که حاکی از وجود نیروی اسپین- مدار در برهم کنش نوکلئون- نوکلئون است.
برهم کنش اسپین مدار را به صورت Vsorl∙s در نظر می‌گیریم، ولی شکل Vsor خیلی مهم نیست. این عامل l∙s است که باعث تجدید سازمان ترازها می‌شود. همچنان که در فیزیک اتمی دیدیم، حالت‌ها را در حظور برهم کنش اسپین- مدار بایر با تکانه زاویه‌ای کل j=l+s نشانه گذاری می‌کنیم. عدد کوانتومی اسپین هر نوکلئون برابر s=12 است، پس مقادیر ممکن برای عدد کوانتومی تکانه زاویه‌ای کل عبارت اند از j=l+12 و j=l-12 ( البته به استثنای مورد l=0 که در آن فقط مقدار j=12 مجاز است). مقدار انتظاری l∙s را با استفاده از یک شگرد متداول می‌توان محاسبه کرد. نخست مقدار j2=(l+s)2 را به دست می‌آوریم.
(2- SEQ (2- * ARABIC 11)j2=l2+2l∙s+s2(2- SEQ (2- * ARABIC 12)l∙s=12(j2-l2-s2)با قرار دادن مقادیر انتظاری در این معادله، رابطه زیر حاصل می‌شود.
(2- SEQ (2- * ARABIC 13)l∙s=12[jj+1-ll+1-ss+1]اکنون تراز 1f (l=3) را که دارای واگنی 2(l+1)=14 است را در نظر می‌گیریم. مقادیر ممکی برای j در این تراز عبارتند از l∓12=52, 72 بنابراین، ترازهای مورد نظر به صورت 1f52 و 1f72 خواهند بود. واگنی هر تراز برابر (2j+1) است که از مقادیر mj حاصل می‌شود. ( در حضور برهم کنش اسپین- مدار، ms و ml دیگر اعداد کوانتومی «خوب» به حساب نمی آیند و نمی‌توان آن‌ها را برای نمایاندن حالت‌ها یا شمردن وگنی ها به کار برد.) در این صورت، ظرفیت نوکلئونی تراز 1f52 برابر 6 و ظرفیت 1f72 برابر 8 می‌شود که از جمع آن‌ها مجددا 14 حالت به دست می‌آید ( تعداد حالت‌های ممکن باید حفظ شود، فقط نحوه دسته بندی آن‌ها را تغییر داده ایم ). فاصله انرژی بین حالت‌های 1f52 و 1f72 که زوج اسپین مدار یا دوتایه نامیده می‌شوند، متناسب با مقدار l∙s است. در واقع می‌توان اختلاف انرژی هر زوج حالتی را که در آن l>0 باشد را محاسبه کرد.
(2- SEQ (2- * ARABIC 14)l∙sj=l+12-l∙sj=l-12=12(2l+1)شکافتگی (یا فاصله) انرژی بین حالت‌ها با افزایش j افزایش می‌یابد. حال اگر اثر Vsor را به صورت منفی در نظر بگیریم، عضوی از زوج، که مقدار j در آن بزرگتر است در سطح پایین‌تر قرار خواهد گرفت. اثر این شکافتگی در نمودار شکل (4-2) نشان داده شده است. در اینجا، تراز 1f72 در فاصله (یا گاف) بین پوسته‌های دوم و سوم قرار می‌گیرد. ظرفیت این تراز برابر 8 نوکلئون است، بدین سان عدد جادویی 28 از آرایش جدید حاصل خواهد شد. شکافتگی های d و p به اندازه‌ای نیستند که تغییرات مهمی در دسته بندی ترازها به وجود آورند.) اثر مهم بعدی ناشی از جمله تصحیحی اسپین- مدار را در تراز 1g می‌بینیم. حالت 1g9/2 آنقدر به پایین رانده می‌شود که در پوسته اصلی پایین‌تر قرار می‌گیرد، و وقتی ظرفیت 10 نوکلئونی آن به پوسته 40 نوکلئونی قبلی افزوده می‌شود، عدد جادویی 50 به دست می‌آید. این اثر روی پوسته‌های اصلی دیگر نیز تکرار می‌شود. در هر یک از این موارد، عضو کم انرژی تر زوج اسپین- مدار از پوسته بعدی به پوسته قبلی تنزل می‌کند، و بدین ترتیب باقیمانده اعداد جادویی هم طبق انتظار به دست می‌آید.
مدل پوسته‌ای با وجود سادگی‌اش، در توضیح اسپین و پاریته حالت پایه تقریباً تمام هسته‌ها موفق بوده است، و آن‌ها را به خوبی باز تولید می‌کند. برای گشتاورهای دوقطبی مغناطیسی و چهار قطبی الکتریکی آن‌ها نیز توضیحی نسبتاً موفق (و رضایت بخش) به دست می‌دهد. کاربرد خاصی از مدل پوسته‌ای را که در اینجا در نظر گرفتیم، مدل ذره‌ای خیلی مستقل می‌گویند. فرضیه اساسی مدل ذره‌ی خیلی مستقل این است که به استثنای یکی از نوکلئون ها، بقیه نوکلئون های موجود در هسته تزویج شده‌اند و خواص هسته از همین نوکلئون تزویج نشده منفرد ناشی می‌شود. روشن است که چنین برخوردی مسئله را بیش از حد ساده می‌کند، و بهتر است که در تقریب بعدی تمام ذرات موجود در زیر پوسته پر نشده را در نظر بگیریم [7].
32258005924179c0c
22771105925449b0b
14839955914126a0a

شکل(2- SEQ شکل(2- * ARABIC 5): ترازهای انرژی هسته‌ها. (a با در نظرگرفتن پتانسیل نوسانگر هماهنگ ساده . (b با در نظر گرفتن چاه پتانسیل با لبه‌های گرد شده. (c چاه پتانسیل با لبه گرد شده همراه با برهم کنش اسپین- مدار.
centercenterفصل سوم
00فصل سوم

3- فرایند تبدیل داخلی3-1- خواص دینامیک هسته‌هاهمان طوریکه اتم‌ها جدول مندلیف را با نظم خاصی پر می‌کنند و می‌توانند حالت‌های برانگیخته داشته باشند، پیش بینی می‌شد که هسته‌ها هم بتوانند دارای ترازهای انرژی و حالت‌های برانگیخته باشند. با این تفاوت که هسته‌ها در هنگام گذار از حالت‌های برانگیخته به حالت پایه پرتوهای گاما تابش می‌کنند. از طرفی هسته‌ها می‌توانند با گسیل ذرات آلفا و بتا یا از طریق بمباران و یا سایر واکنش‌های هسته‌ای به یکدیگر تبدیل شوند. خواص دینامیک هسته‌ها را می‌توان با گذار از یک حالت اولیه به حالت نهایی مشخص کرد.
با مطالعه گسیل گاما و فرایند رقیب آن یعنی تبدیل داخلی، تعیین اسپین و پاریته حالات برانگیخته امکان پذیر می‌شود. یک هسته برانگیخته همواره می‌تواند با گسیل تابش الکترومغناطیسی یا تبدیل داخلی به حالت‌های کم انرژی تر واپاشی کند. از طرفی هسته‌ها می‌توانند با گسیل ذرات α و β، یا از طریق بمباران و یا سایر واکنش‌های هسته‌ای به یک دیگر تبدیل شوند. در تمام برهم کنش‌های بالا، اصول پایستگی انرژی، اندازه حرکت خطی، اندازه حرکت زاویه‌ای، بار الکتریکی و تعداد نوکلئون ها برقرار است. اصول پایستگی فوق توانسته است در کشف مجهولات به دانشمندان کمک شایانی کند. مانند کشف نوترینو که وجود آن به کمک پایستگی انرژی و اندازه حرکت خطی پیش بینی و در آزمایشگاه تایید شد.

3-1-1- واپاشی آلفاییتا کنون بیش از 1000 هسته تولید شده و در آزمایشگاه مورد مطالعه قرار گرفته است. هر چند فقط کمتر از 300 تا از این هسته‌ها پایدارند و بقیه آن‌ها رادیواکتیو هستند. هسته‌های پایدار فقط در یک باند بسیار کوچک در نمودار N-Z اتفاق می‌افتد.
ذرات آلفا به عنوان کم نفوذترین تابش‌هایی که از مواد طبیعی گسیل می‌شود، شناسایی شده‌اند.
در سال 1909 رادرفورد نشان داد همانطور که حدس زده می‌شد، ذرات آلفا واقعاً از هسته‌های هلیم تشکیل شده‌اند. تعداد زیادی از هسته‌های سنگین، مخصوصاً هسته‌های مربوط به سری‌های رادیواکتیو طبیعی با گسیل آلفا واپاشی می‌کنند. گسیل هر نوع نوکلئون دیگر در فرایند واپاشی رادیواکتیو خود به خود به ندرت اتفاق می‌افتد. به عنوان مثال گسیل دوتریوم در فرایند واپاشی های طبیعی ملاحظه نشده است. بنابراین باید دلیل خاصی برای انتخاب گسیل آلفا نسبت به سایر مدهای واپاشی وجود داشته باشد. واپاشی آلفایی در هسته‌های سنگین به طور فزاینده‌ای اهمیت پیدا می‌کند، زیرا آهنگ افزایش نیروی دافعه کولنی که به صورت تابعی از z2 افزایش می‌یابد از نیروی بستگی هسته که تقریباً متناسب با A افزایش می‌یابد بیشتر است.
ذره آلفا به دلیل ساختار بسیار پایدار و نسبتاً مقیدش، در مقایسه با اجزای تشکیل دهنده‌اش، جرم نسبتاً کمی دارد. بنابراین در مواردی که امیدواریم محصولات فروپاشی تا جایی که امکان دارد سبک و انرژی آزاد شده حداکثر مقدار را داشته باشد، باید گسیل این ذره را انتظار داشته باشیم. اغلب هسته‌های با A>190 (و بسیاری از هسته‌ها با 150<A<190) از لحاظ انرژی در برابر گسیل آلفا ناپایدارند ولی فقط نیمی از آن‌ها بقیه شرایط را نیز دارا هستند [10].
3-1-2- واپاشی بتازاواپاشی بتا متداول‌ترین نوع واپاشی پرتوزا است. در هسته‌های سبک‌تر احتمال واپاشی α بسیار کم است. این هسته‌ها برای رسیدن به پایداری یک یا چند شکل از واپاشی بتا را متحمل می‌شوند. گسیل الکترون‌های منفی معمولی از هسته، یکی از اولین پدیده‌های واپاشی رادیواکتیوی بود که مشاهده شد. فرایند معکوس گیراندازی الکترون مداری توسط هسته، تا سال 1938 مشاهده نشده بود در این سال آلوارز پرتوهای x مشخصه گسیل شده در اثر پر شدن جای خالی الکترون‌های گیراندازی شده را آشکارسازی کرد. در سال 1934 ژولیو- کوری برای اولین بار فرایند گسیل الکترون مثبت (پوزیترون) در فرایند رادیواکتیو را، دو سال پس از کشف پوزیترون در پرتوهای کیهانی، مشاهده کردند. سه فرایند فوق ارتباط نردیک با هم دارند و تحت عنوان مشترک واپاشی بتازا رده بندی می‌شوند [11].
3-1-3- واپاشی گامابیشتر واپاشی های آلفازا و بتازا، و در حقیقت بیشتر واکنش‌های هسته‌ای، هسته نهایی را در حالت برانگیخته باقی می‌گذارند. این حالات برانگیخته با گسیل یکی دو پرتو گاما که همان فوتون های تابش الکترومغناطیس مانند پرتوهای x یا نور مرئی هستند، به سرعت به حالت پایه واپاشیده می‌شوند. انرژی پرتوهای گاما در گسترهMev 0.1 تاMev 10 هستند. محدوده طول موج آن‌ها بین 104 تا fm 100 است. واپاشی گامازا علاوه بر اینکه تایید کننده مدل لایه‌ای برای هسته‌ها است، اطلاعات خوبی از ساختار هسته و طیف‌های انرژی آن نیز در اختیار ما قرار می‌دهد. این پرتوها به دلیل قدرت نفوذ بالا و جذب و پراکندگی ناچیز در هوا به خوبی قابل آشکارسازی هستند. انرژی پرتوهای گاما با دقت زیادی قابل اندازه گیری هستند. به علاوه مطالعه گسیل گاما و فرایند رقیب آن یعنی تبدیل داخلی، تعیین اسپین و پاریته حالات برانگیخته را امکان پذیر می‌سازد [12].
3-1-4- تبدیل داخلیفرایند تبدیل داخلی یک فرایند الکترومغناطیسی است که با گسیل γ رقابت می‌کند. در این مورد، میدان‌های چند قطبی الکترومغناطیسی هسته سبب گسیل فوتون نمی‌شوند، بلکه برهم کنش میدان‌ها با الکترون‌های اتمی باعث گسیل یکی از الکترون‌های اتم می‌شود (در این حالت هسته با الکترون از طریق فوتون های مجازی بجای فوتون های واقعی برهم کنش دارد). بر خلاف واپاشی بتازا، الکترون در فرایند واپاشی خلق نمی‌شود، بلکه الکترونی است که از قبل در یکی از مدارهای اتم وجود داشته است. به این دلیل، آهنگ واپاشی تبدیل داخلی با تغییر محیط شیمیایی و در نتیجه تغییر مدارهای اتمی می‌تواند اندکی تغییر کند. اما باید توجه کرد که این فرایند دو مرحله‌ای نیست که در آن ابتدا فوتون توسط هسته گسیل شود و سپس الکترون اتمی را با فرایندی مشابه پدیده فوتوالکتریک بیرون براند، احتمال چنین فرایندی بسیار ناچیز است.
در این حالت انرژی هسته‌ای ∆E=Ei-Ef به یک الکترون اتمی منتقل می‌شود و آنرا با انرژی جنبشی:
(3- SEQ (3- * ARABIC 1)Te=Ei-Ef-Bnبیرون می‌اندازد، که در آن Bn انرژی بستگی الکترون در لایه اتمی است که الکترون از آن بیرون انداخته شده است. به علت اینکه انرژی بستگی الکترون از مداری به مدار دیگر فرق می‌کند، حتی برای یک گذار معین ∆E هم الکترون‌های تبدیل داخلی دارای انرژی‌های متفاوتی خواهند بود. بدین سان، طیف الکترون چشمه ای که یک گامای منفرد گسیل می‌کند از مولفه های مختلف تشکیل شده است؛ و این مولفه ها بر خلاف الکترون‌هایی که در واپاشی بتازا گسیل می‌شوند انرژی‌های گسسته ای دارند. بیشتر چشمه های رادیواکتیو، هم الکترون‌های واپاشی بتازا و هم الکترون‌های تبدیل داخلی گسیل می‌کنند، و جدا کردن قله های ناپیوسته الکترون‌های تبدیل داخلی که روی طیف پیوسته β قرار دارند کار نسبتاً آسانی است. شکل (3-1).

شکل(3- SEQ شکل(3- * ARABIC 1): نمونه‌ای از طیف الکترون که ممکن است از یک چشمه رادیواکتیو گسیل شود. چند قله ناپیوسته تبدیل داخلی روی زمینه ناپیوسته واپاشی بتازا قرار دارند.طبق معادله (3- SEQ (3- * ARABIC 2) ، فرایند تبدیل داخلی انرژی آستانه‌ای برابر انرژی بستگی در یک مدار خاص دارد؛ در نتیجه الکترون‌های تبدیل با توجه به پوسته الکترونی که از آن سرچشمه گرفته‌اند با K و L و M و ... مشخص می‌شوند که متناظر با اعداد کوانتومی اصلی n=1,2,3,… هستند. بعلاوه اگر توان تفکیک بسیار زیاد باشد، حتی زیر ساختارهای متناظر با تک تک الکترون‌های هر پوسته را ملاحظه خواهیم کرد. برای مثال پوسته L (n=2 ) دارای اربیتال های اتمی 2s1/2، 2p1/2 و 2p3/2 است؛ الکترون‌های ناشی از این پوسته‌ها به ترتیب الکترون‌های تبدیل LI، LII و LIII نامیده می‌شوند.
پس از فرایند تبدیل، جای الکترون گسیل شده در یکی از پوسته‌های اتم خالی می‌ماند که آن را تهیجا می‌گویند. این تهیجا به سرعت توسط الکترون‌های پوسته‌های بالاتر پر می‌شود، و در نتیجه گسیل پرتوx مشخصه را نیز همراه الکترون‌های تبدیل داخلی مشاهده می‌کنیم.
شکل (3-2)، طیف الکترون 203Hg را نشان می‌دهد. در این شکل طیف پیوسته β و خطوط الکترونی، در انرژی‌های محاسبه شده، قابل مشاهده‌اند.
یکی از نکاتی که در این شکل کاملاً مشهود است، شدت متغیر الکترون‌های تبدیل در واپاشی است. این تغییرات به خصوصیت چند قطبی میدان تابش بستگی دارد؛ در حقیقت اندازه گیری احتمالات نسبی گسیل الکترون تبدیلی یکی از راه‌های اصلی تعیین مشخصات چند قطبی است.
در بعضی موارد، تبدیل داخلی بر تابش گاما ارجحیت دارد؛ در بقیه موارد ممکن است در مقایسه با گسیل گاما کاملا˝ ناچیز باشد. به عنوان یک قانون کلی، در محاسبه احتمال واپاشی گاما باید تصحیح تبدیل داخلی انجام شود. یعنی اگر نیمه عمر (t12∝1λ) یک تراز خاص را بدانیم، احتمال واپاشی کل λt ( برابر0.693t12 ) دارای دو مولفه است، یکی (λγ) ناشی از گسیل گاما و دیگری (λe) ناشی از تبدیل داخلی
(3- SEQ (3- * ARABIC 3)λt=λe+(λγ)واپاشی تراز از طریق فرایند ترکیبی (گسیل گاما و تبدیل داخلی) خیلی سریع‌تر از گسیل گاما به تنهایی خواهد بود. ضریب تبدیل داخلی α را به صورت زیر تعریف می‌کنیم:
(3- SEQ (3- * ARABIC 4)α=λeλγضریب تبدیل داخلی α، احتمال گسیل الکترون را نسبت به گسیل گاما نشان می‌دهد، که بزرگی آن از مقادیر بسیار کوچک (تقریباً صفر) تا مقادیر بسیار بزرگ تغییر می‌کند. بدین ترتیب، احتمال کلی واپاشی به صورت زیر است
(3- SEQ (3- * ARABIC 5)λt=λγ(1+α)
شکل(3- SEQ شکل(3- * ARABIC 2): طیف الکترون حاصل از واپاشی 203Hg در تصویر بالا، طیف پیوسته بتا همراه با خطوط تبدیل K، L و M تفکیک نشده قابل مشاهده است. در تصویر میانی طیف تبدیل با تفکیک بیشتر نشان داده شده است؛ خطوط L و M به خوبی جدا شده اند و حتی L III نیز تفکیک شده است. در تفکیک خیلی بهتر شکل پایینی، خطوط LI وLII به خوبی از هم جدا شده‌اند.اگر α را ضریب تبدیل داخلی کل بدانیم، آنگاه می‌توانیم ضریب‌های جزئی مربوط به پوسته‌های اتمی مختلف را به صورت زیر در نظر می‌گیریم:
(3- SEQ (3- * ARABIC 6)λt=λγ(1+αK+αL+αM+…)و در نتیجه
(3- SEQ (3- * ARABIC 7)α=αK+αL+αM+…که با در نظر گرفتن زیر پوسته‌ها، می‌توانیم آن را به صورت زیر بنویسیم:
(3- SEQ (3- * ARABIC 8)αL=αLI+αLII+αLIIIو برای سایر پوسته‌ها هم می‌توانیم روابط مشابهی را بنویسیم.
اهمیت تبدیل داخلی در مطالعات مربوط به ساختار هسته در این واقعیت نهفته است که به ازای یک اختلاف انرژی مفروض Ei-Ef و عدد اتمی Z هسته واپاشنده، ضریب تبدیل محسوسا˝ به نوع و مرتبه قطبیت گذار الکترومغناطیسی متناظر بستگی دارد [14,13].
3-2- محاسبه ضریب تبدیل داخلیهمانطور که گفته شد فرایند تبدیل داخلی یک فرایند الکترومغناطیسی است که در آن هسته با بیرون انداختن یک الکترون اتمی به جای گسیل گاما از حالت برانگیخته خارج می‌شود. الکترون‌هایی را که به این صورت بیرون انداخته شده را الکترون‌های تبدیل می‌نامند. ضریب تبدیل داخلی به عدد اتمی هسته ، انرژی و خصوصیات چند قطبی بودن گذار بستگی دارد. بنابراین مطالعه ما کمک بزرگی در بررسی سطوح انرژی هسته است.
در اینجا یکی از ساده‌ترین موارد را بررسی می‌کنیم. فرض می‌کنیم هسته در یک حالت برانگیخته است که می‌تواند با گسیل تابش E1 به حالت پایه برود. هسته را می‌توان با یک دوقطبی الکتریکی با فرکانس ω مقایسه کرد. حضور این دوقطبی ممکن است باعث القای گذارهایی از حالت پایه اتم به حالت برانگیخته شود. به طور خاص، الکترون‌های K، که در حالت 1S هستند، می‌توانند با تابش دو قطبی به حالت p بروند. برای محاسبه احتمال این گذار از قانون طلایی فرمی استفاده می‌کنیم.
احتمال این گذار طبق قانون دوم فرمی به صورت زیر است:
(3- SEQ (3- * ARABIC 9)w=2πℏMif2ρ(Ef)می‌خواهیم المان‌های ماتریسی Mif و چگالی حالت‌های نهایی قابل دسترس ρ(Ef) را محاسبه کنیم.
تابع موج اولیه الکترون در حالت 1s.
(3- SEQ (3- * ARABIC 10)ᴪi(r,t)=ui(r)exp⁡(-iEiℏt)و ویژه تابع حالت نهایی الکترون به صورت زیر است:
(3- SEQ (3- * ARABIC 11)ᴪf(r,t)=uf(r)⁡exp(-iEfℏt)گذار از حالت اولیه به حالت نهایی توسط میدان الکتریکی هسته القا می‌شود، که به وسیله ممان دوقطبی الکتریکی P که در راستای محور z و با فرکانس ω با زمان تغییر می‌کند توصیف می‌شود. پتانسیل الکتریکی این دو قطبی به صورت زیر است:
(3- SEQ (3- * ARABIC 12)Vr,t=p0cosθr2cos ωt=p0cosθr212(eiωt+e-iωt)در اینجا θ زاویه بین r و محور z است. المان‌های ماتریسی گذارهای القا شده به این صورت است:
(3- SEQ (3- * ARABIC 13)Mif=eᴪf*(r,t)Vᴪi(r,t)dτMif دارای بزرگی قابل توجهی است، فقط اگر
(3- SEQ (3- * ARABIC 14)Ei-EF=ℏω(3- SEQ (3- * ARABIC 15)uf=Ncos θkr12j32(kr)و برای kr بزرگ
(3- SEQ (3- * ARABIC 16)uf=-N cosθ2πk2r212coskrبا در نظر گرفتن سیستم در یک کره بسیار بزرگ به شعاع R می‌توانیم ویژه تابع آن را تعیین می‌کنیم.
(3- SEQ (3- * ARABIC 17)N=k(34R)1/2برای تابع موج اولیه، تابع موجی شبیه به تابع موج هیدروژن را در نظر می‌گیریم:
(3- SEQ (3- * ARABIC 18)ui=1π1/2(za0)3/2exp-zra0 with a0=ℏ2me2سپس المان ماتریسی به صورت زیر است:
(3- SEQ (3- * ARABIC 19)Mif=p0cosωtek34R121π12za032×0∞exp-zra0 cosθr2 J32krkr12cosθdτ=p0cosωt(ωt)1/2ek(za0)3/2I
با
(3- SEQ (3- * ARABIC 20)I=0∞exp-zra0 J32krkr12drچگالی حالت‌های نهایی باید فقط به حالت‌های p محدود باشد. از شرط ufR=0، شرط کوانتیزیشن به صورت زیر است:
(3- SEQ (3- * ARABIC 21)kR=(n+12)πو n عدد انتگرال گیری است. بنابراین در فاصله k تا ∆k داریم:
(3- SEQ (3- * ARABIC 22)R∆kπ=∆Nو از این معادله داریم:
(3- SEQ (3- * ARABIC 23)ρ=dNdE=Rℏπϑبا ترکیب معادلات (3- 19) و (3- 23) برای دو تا الکترون‌های K بدست می‌آوریم:
(3- SEQ (3- * ARABIC 24)λe=14πℏp02e2k23(za0)3I2ϑℏاز طرفی دیگر λγ با این معادله داده می‌شود:
(3- SEQ (3- * ARABIC 25)λγ=13p02ω3ℏc3با توجه به معادله (3-4) ضریب تبدیل داخلی به صورت زیر است:
(3- SEQ (3- * ARABIC 26)α=4πℏk2e2ϑ(za0)3c3ω3I2از a0z≫1k، این به این معنی است که انرژی گذار در مقایسه با انرژی بستگی الکترون خیلی بزرگ است. همچنین فرض می‌کنیم الکترون خارج شده نسبیتی نیست. برای سازگاری فرض می‌کنیم که برای الکترون mv22≅(ℏk)22m≅ℏω.
انتگرال I با در نظرگرفتن این فرض که e-zra0=1 و داریم:
(3- SEQ (3- * ARABIC 27)I=0∞J32krdrkr12=(2πk2)1/2با جایگذاری در معادله (3- SEQ (3- * ARABIC 28) و با در نظر گرفتن تقریب ذکر شده در بالا داریم:
(3- SEQ (3- * ARABIC 29)αk=8ℏe2m12(2ℏω)12za03c3ω3(3- SEQ (3- * ARABIC 30) =12z3(e2ℏc)4(2mc2ℏω)7/2این فرمول تحت فرضیه‌های ذکر شده برای تابش دوقطبی است، و برای تابش El، به صورت زیر بدست می‌آید:
(3- SEQ (3- * ARABIC 31)αkl=z3(e2ℏc)4ll+1(2mc2ℏω)l+(5/2)ضریب تبدیل داخلی α به عدد اتمی، اتمی که فرایند در آن رخ می‌دهد، انرژی گذار و چند قطبی بودن آن بستگی دارد. به طور کلی نتایج زیر برای چند قطبی‌های الکتریکی (E) و مغناطیسی (M) بدست می‌آید.
(3- SEQ (3- * ARABIC 32)αEL≅Z3n3LL+1e24πℏε0c42mec2EL+52(3- SEQ (3- * ARABIC 33)αML≅Z3n3e24πℏε0c42mec2EL+32در این روابط Z عدد اتمی مربوط به اتمی است که در آن تبدیل داخلی صورت گرفته است و n عدد کوانتومی اصلی تابع موج الکترون مقید است؛ عامل (Zn)3 ناشی از جمله ᴪi.e(0)2 است که در آهنگ تبدیل ظاهر می‌شود. عامل بی بعد e24πε0ℏc همان ثابت ساختار ریز با مقداری نزدیک به 137 / 1 است.
این نحوه برخورد با ضرایب تبدیل تقریبی است، زیرا الکترون را باید نسبیتی در نظر گرفت ( انرژی‌های گذار نوعاً از مرتبه 0.5 تا Mev1 هستند). اما همین معادلات تعدادی از خصوصیات ضرایب تبدیل را مشخص می‌کند.
1- این ضرایب متناسب با z3 افزایش می‌یابند، و در نتیجه فرایند تبدیل در هسته‌های سنگین مهم‌تر از هسته‌های سبک است.
2- ضریب تبدیل با افزایش انرژی گذار به سرعت کاهش می‌یابد.( برعکس، احتمال گسیل γ که با افزایش انرژی به سرعت افزایش می‌یابد.)
3- ضرایب تبدیل با افزایش مرتبه چند قطبی به سرعت افزایش می‌یابند. در حقیقت، برای مقادیر زیادتر L، گسیل الکترون تبدیل ممکن است بسیار محتمل‌تر از گسیل γ باشد.
4- ضرایب تبدیل برای پوسته‌های اتمی بالاتر ( 1n> ) متناسب با 1/n3 کاهش می‌یابد. بنابراین، برای گذار معین به تقریب می‌توان انتظار داشت αKαL≅8 باشد.
بنابراین انتظار داریم که در هسته‌های سنگین برای گذارهای کم انرژی و چند قطبی‌های مرتبه بالا با ضرایب تبدیل نسبتاً بزرگ پوسته K، و در سایر موارد( پوسته‌های اتمی بالاتر، انرژی‌های گذار بیشتر، هسته‌های سبک‌تر و چند قطبی‌های مرتبه پایین‌تر) با مقادیر کوچک‌تر روبرو شویم.
باید متذکر شد که ضرایب مربوط به گذارهای الکتریکی و مغناطیسی به طور قابل ملاحظه‌ای با هم تفاوت دارند؛ بنابراین با اندازه گیری α می‌توانیم پاریته نسبی حالات هسته‌ای را تعیین کنیم. در یک کاربرد دیگر هم استفاده از تبدیل داخلی مهم است، و آن مشاهده گذارهای E0 است که از طریق تابش الکترومغناطیسی ممنوع اند. گذار E0 مخصوصاً در واپاشی های از حالات اولیه 0+ به حالات نهایی 0+ که با هیچ فرایند مستقیم دیگری امکان پذیر نیست، حائز اهمیت است[16,15] .
البته باید توجه داشت که برای همه گذارها از حالت اولیه به حالت نهایی یک فرایند الکترومغناطیسی دیگر نیز امکان پذیر است که در آن هسته برانگیخته به شکل یک زوج الکترون- پوزیترون ظاهر می‌شود که به آن تولید زوج می‌گویند. اما احتمال این فرایند بسیار کم و از مرتبه 10-4 گسیل گاما است.
centercenterفصل چهارم
00فصل چهارم

4- مدل کوارکی و نگرشی جدید به فرایند تبدیل داخلی4-1- مقدمهدر مدل ساختار جمعی هسته‌ها، هسته مانند یک جسم واحد در نظر گرفته شده، مانند یک قطره مایع، بعضی از خواص هسته‌ها نیز بر اساس همین فرض استخراج شده است، که در فصل دوم به آن‌ها اشاره شد. از طرفی در مدل پوسته‌ای اجزاء تشکیل دهنده هسته‌ها یعنی پروتون‌ها و نوترون‌ها نیز در نظر گرفته شده است. این مدل با در نظر گرفتن برهم کنش هسته‌ای بین نوکلئونها در توجیه بعضی خواص هسته‌ای به خوبی موفق بوده است. مدل‌های هسته‌ای دیگری در طی سالیان اخیر، به منظور توصیف جنبه‌های متفاوت هسته‌ها، توسط گروه‌های متعددی ارائه شده است. مانند مدل آلفا- ذره‌ای هسته‌ای. یکی دیگر از این مدل‌ها، مدل شبه کوارکی است.
مدل شبه کوارکی علاوه بر اینکه پروتون‌ها و نوترون‌ها را در تشکیل هسته در نظر می‌گیرد، کوارکهای سازنده نوکلئونها را نیز در نظر می‌گیرد. با توجه به نزدیکی بسیار زیاد نوکلئونها در هسته‌ها، قطعاً کوارکهای سازنده آن‌ها نیروی شدیدی به همدیگر وارد می‌سازند، که باعث می‌شود نوکلئونها، به صورت لحظه‌ای هم که باشد، فروپاشیده شوند و سپس نوکلئونهای جدید تشکیل گردند. این پروسه می‌تواند مکرراً در هسته در حال اتفاق باشد. گرچه در این شرایط محیط هسته را نمی‌توان یک محیط با کوارکهای آزاد در نظر گرفت. با این حال فرض می‌شود که هسته را بتوان با تقریب یک محیط کوارکی در نظر گرفت که شدیداً با هم برهمکنش دارند. گرچه در این مدل نظریه واحدی که بتواند برخی از خواص هسته‌ها را یکجا ارائه دهد وجود ندارد، با این حال با استفاده از این مدل می‌توان اعداد جادویی هسته را بدست آورد. همچنین در این مدل فرمولی برای انرژی بستگی هسته‌ها ارائه شده که هم زمان هم کوارکهای سازنده هسته و هم نوکلئونهای سازنده هسته را در نظر گرفته است.
4-1-1- پلاسمای کوارک- گلئونی و سرچشمه اعداد جادوییدر فیزیک هسته‌ای یک عدد جادویی تعداد نوکلئونهایی ( پروتون‌ها و نوترون‌ها ) است که درون پوسته‌های کامل مربوط به هسته‌های اتمی قرار می‌گیرند. این اعداد و وجود آن‌ها اولین بار توسط السیسر در سال 1933 [17] مورد توجه قرار گرفته است. چیزی که باعث جادویی بودن این اعداد می‌شود، خواصی است که هسته‌ها با این تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها دارا می‌باشند. از جمله این خواص می‌توان به پایداری هسته‌های جادویی، فراوانی بیشتر هسته‌های جادویی در عالم و اینکه جرم هسته‌های جادویی از مقدار پیش بینی شده توسط فرمول نیمه تجربی جرم به طور قابل توجهی کمتر است، اشاره نمود.
در این مدل فرض بر این است که در محیط ترمودینامیکی پلاسمای کوارک- گلئونی، کوارکهای تقریباً مجزا سعی در تشکیل نوکلئونها دارند؛ و اگر بپذیریم که بیشینه بی نظمی و بیشترین مقدار ترکیب‌ها رخ می‌دهد، آنگاه با در نظر گرفتن سیستم‌های جداگانه‌ای شامل یک کوارک مرکزی و تعداد 2، 3، 4، 5، 6، 7 و نهایتاً 8 کوارک اطراف به حالت‌های بیشینه‌ای برابر با اعداد جادویی می‌رسیم [19,18]. اگر پلاسمای کوارک- گلئونی را به عنوان یک محیط ترمودینامیکی فرض نماییم، بایستی تحقیق نمود این محیط ترمودینامیکی که همانند هر محیط دیگر از این نوع به سمت بیشینه بی نظمی پیش می‌رود، چگونه به تعادل نزدیک می‌شود. حالت ترمودینامیکی از کوارکها را در نظر می‌گیریم که این کوارکها تقریباً آزادانه در حال حرکت می‌باشند. اگر دقیق‌تر به محیط پلاسمای کوارک- گلئونی نگاه کنیم، می‌بینیم که در سوپ کوارک- گلئونی آزادی محض وجود ندارد.

شکل(4- SEQ شکل(4- * ARABIC 1): محیط یک پلاسمای کوارک- گلئونی
در شکل (4-1) یک محیط پلاسمای کوارک- گلئونی فرضی رسم شده است، که کوارکها همانند ذرات یک گاز ایده آل در فضا پراکنده‌اند. در این محیط فرضی یک کوارک را در نظر بگیرید که جهت تشکیل یک پروتون یا نوترون تلاش می‌کند. هر کوارک با گیر انداختن دو کوارک دیگر تشکیل یک نوکلئون می‌دهد. در این فضای رقابتی میان کوارک ها حالات مختلفی از تشکیل یک نوکلئون می‌تواند روی دهد. به عنوان مثال به شکل پایین توجه کنید.

شکل(4- SEQ شکل(4- * ARABIC 2): شبکه مکعبی پلاسمای کوارک- گلئونیدر شکل (4-2) کوارکها همانند یک محیط شبکه‌ای در اطراف یکدیگر قرار دارند. کوارک u مرکزی برای تشکیل یک نوترون در حال تلاش است، و برای این امر باید دو کوارک d را گیر اندازد. اگر اینطور فرض کنیم که از تمام کوارکهای اطراف این کوارک u دو کوارک d باشد، آنگاه رقابت دو کوارک رقابت ساده‌ای است. در نگاه اول یک حالت ممکن بیشتر وجود ندارد و آن هم حالت udd است. در نگاه دقیق‌تر دو حالت وجود دارد، یعنی u قرمز به همراه d1 آبی و d2 سبز یا u قرمز به همراه d1 سبز و d2 آبی. پس دو حالت به دست می‌آید. حال شرایطی را در نظر بگیرید که سه کوارک d در اطراف کوارک u جهت گیوند با آن رقابت می‌کنند. در چنین شرایطی ترکیبات ممکن عبارتند از: ud1d2، ud1d3 و ud2d3. اگر رنگ کوارک ها را هم منظور کنیم 6 حالت ممکن به وجود می‌آید که از این 6 حالت با 2 حالت قبل روی هم 8 حالت را نشان می‌دهد. ذکر این نکته ضروری است که هر کدام از این حالت‌ها می‌تواند تشکیل نوکلئون بدهد ولی حداکثر حالاتی که می‌تواند با 3 کوارک اتفاق بیفتد 8 حالت است. مشابه حالت 3 کوارکی عدد به دست آمده برای حالت 4 کوارکی برابر 20 می‌باشد. با در نظر گرفتن 5 کوارک d اطراف کوارک مرکزی با استدلالی مشابه استدلال بالا 20 حالت جدید به دست خواهد آمد که با مجموع قبلی عدد 40 برای عدد جادویی بعدی بدست خواهد آمد، در حالی که عدد جادویی بعدی 28 خواهد بود. از آنجا که شرایط محیط کوارک – گلئونی بیشتر به یک سوپ کوارک- گلئونی شبیه است، مطابق تلاش‌های صورت گرفته در نظریه کرمودینامیک کوانتومی شبکه‌ای این امر تقریباً محرز است که نیروی جاذبه بین کوارکها کاملاً از بین نمی‌رود. بنابراین اگر هر کوارک d ( اطراف کوارک u مرکزی) را نزدیک به کوارکهای دیگر فرض کنیم، آنگاه به عنوان مثال اگر کوارک d2 توسط u جذب شود. ناگزیر کوارک پنجمی که بیشترین نیروی جاذبه با d2 را دارد و نام آن را d2َ می گذاریم، وارد کار می‌شود که آن را کوارک "تحمیل شده" می نامیم. پس هر 4 کوارک d هنگام جذب توسط کوارک u مرکزی می‌توانند کوارکی را در سطحی فراتر از کوارک های اولیه به واسطه فاصله نزدیک و یا اینکه بازنشدگی کامل از هم، به سیستم تحمیل نمایند، که این حالت جدید را چنین می نویسیم:
ud1d1َ , ud2َ , ud3d3َ , ud4d4َ
که به همراه رنگ‌های مختلف آن 8 حالت جدید به وجود می‌آید. این 8 حالت و 20 حالت قبل 28 حالت در اختیار ما می‌گذارد. این موضوع که توسط 4 کوارک d دو عدد مجزای 20 حالته و 28 حالته تولید شده است. به طور مشابه برای 5، 6 و 7 کوارک d اعداد 50، 82 و 126 و نهایتاً با 8 کوارک عدد 184 به دست می‌آید. شواهدی مبنی بر وجود چنین عدد جادویی وجود دارد [20]. کار با بیش از 8 کوارک مستلزم عبور از سطح اول به سطح دوم است (چون در یک شبکه مکعبی تنها 8 کوارک در یک فاصله برابر از کوارک مرکزی قرار دارند)، که این موضوع یعنی جاذبه‌ای که سطح اول و دوم را کاملاً تحت تأثیر قرار می‌دهد و حالت‌های اجباری و تحمیلی، سطح سوم را نیز ایجاد می‌نماید و یا می‌توان از شبکه‌های هندسی دیگری با بیش از 8 کوارک استفاده کرد.

4-1-2- انرژی بستگی هسته‌ها از دیدگاه مدل شبه کوارکیدر مدل پلاسمای کوارک- گلئونی ارائه شده [22,21] دیدگاه جدیدی برای هسته ارائه شده است. در این دیدگاه، هسته شامل پلاسمای سوپ مانند از کوارکها و گلئونها می‌باشد که می‌توان خواص هسته‌ها را با توجه به کوارکهای محتوی به جای نوکلئونها بدست آورد.
به منظور به دست آوردن انرژی بستگی هسته‌ای، با توجه به نگاه شبه کوارکی به نکات زیر توجه می‌کنیم:
1- برای تشکیل هسته‌ها باید انرژی بستگی مثبت باشد.
2- انرژی بستگی مثبت از مرتبه یک درصد انرژی جرم سکون کوارک های درون هسته mqc2 می‌باشد که q نشان دهنده کوارکهای بالا و پایین است.
3- در این مدل انرژی بستگی با حجم پلاسمای کوارک- گلئونی متناسب است. با توجه به اینکه هر نوکلئون از سه کوارک تشکیل شده است، لذا به ازای عدد جرمی A برای هسته، انرژی بستگی متناسب با A3 است.
4- با توجه به عدم تقارن بین تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها، به خصوص در هسته‌های سنگین و در نظر گرفتن نیروی کولنی می‌توان این عدم تقارن و تصحیح کولنی را مابین کوارکهای بالا و پایین موجود در پلاسمای کوارک- گلئونی درون هسته را به صورت N2-Z2Z در نظر گرفت.
با در نظر گرفتن نکات فوق فرمول زیر برای محاسبه انرژی بستگی هسته‌ها ارائه شده است.
(4- SEQ (4- * ARABIC 1)BA,Z=A-N2-Z2+δN-Z3Z+3×mNc2α A>5(4- SEQ (4- * ARABIC 2) δN-Z=1N=Z0N≠Zدر فرمول بالا α = 90 – 100 است.
در مقایسه با مدل قطره مایعی که شامل هفت جمله در انرژی بستگی می‌باشد، این مدل شامل دو جمله است که وابسته به Z و N است که حاکی از سادگی بیشتر و دید جامع‌تری نسبت به هسته است. در این مدل، ذرات هسته‌ای محتوایی آزاد در یک محیط پلاسما مانند چگالی بررسی می‌شود [24,23].
4-2- ضریب تبدیل داخلی بر اساس مدل کوارکی هسته‌هادر مدل شبه کوارکی، هسته شامل پلاسمایی سوپ مانند از کوارکها و گلئونها است که می‌توان خواص هسته‌ها را با توجه به کوارکهای محتوایی به جای نوکلئونها بدست آورد. در فرمول زیر با در نظر گرفتن کوارکهای سازنده نوکلئونها ضریب تبدیل داخلی را بررسی کرده‌ایم. در فرمول زیر شاخص L تابش را به گونه‌ای تعریف می‌کنیم که 2L مرتبه چند قطبی باشد ( برای دو قطبی L=1، برای چار قطبی L=2 و ....). با تخصیص E برای خواص الکتریکی و M برای خواص مغناطیسی فرمول ضریب تبدیل داخلی با توجه به نگاه شبه کوارکی به صورت زیر ارائه شده است.
با در نظر گرفتن پروتون‌ها ضریب تبدیل داخلی برای گذارهای الکتریکی:
(4- SEQ (4- * ARABIC 3)αEL≅Z3n3LL+1e24πℏε0c4((23)3+(23)3+(13)3) 2mec2EL+52و ضریب تبدیل داخلی برای گذارهای مغناطیسی به صورت زیر ارائه شده است
(4- SEQ (4- * ARABIC 4)αML≅Z3n3e24πℏε0c4((23)3+(23)3+(13)3) 2mec2EL+32و اگر علاوه بر پروتون‌ها نوترون‌ها را هم در تابش گاما موثر بدانیم [25]، فرمول‌های زیر به ترتیب برای گذارهای الکتریکی و مغناطیسی ارائه می‌شود:
(4- SEQ (4- * ARABIC 5)αEL≅Z3n3LL+1e24πℏε0c4(233+233+133+233+133+133) 2mec2EL+52≅Z3n3LL+1e24πℏε0c4 2mec2EL+52(4- SEQ (4- * ARABIC 6)
αML≅Z3n3e24πℏε0c4233+233+133+233+133+1332mec2EL+32≅Z3n3e24πℏε0c42mec2EL+32به منظور بررسی فرمول‌های ارائه شده ضریب تبدیل داخلی برای دوازده عدد اتمی، ده چند قطبی E1-E5 و M1-M5 و 8 مقدار انرژی گاما محاسبه و با مقادیر تئوری و تجربی مقایسه شده است [26].
در جدول‌های (4-1) تا (4-39)، ستون اول مقادیر آزمایشگاهی، ستون دوم مقادیر تئوری محاسبه شده با استفاده از فرمول ضریب تبدیل داخلی و ستون سوم، مقادیر محاسبه شده با در نظر گرفتن کوارکهای سازنده پروتون‌ها را نشان می‌دهند. با توجه به معادلات (4-5) و (4-6)، نتایج حاصل از در نظر گرفتن کوارکهای سازنده پروتون‌ها و نوترون‌ها در تابش گاما با مقادیر عددی ستون دوم برابر است.

جدول (4- SEQ جدول_(4- * ARABIC 1): EB =5.50 E-02k shellz=3Eγ(Kev) EL α (exp) α (TE) α (QM)
E1 6.55 E-02 10.00 E-02 6.30 E-02
15 E2 5.65 E+00 9.08 E+00 5.72 E +00
E3 4.10 E+02 6.96 E+02 4.38 E+02
E4 2.83 E+04 5.06 E+04 3.18 E+04
E5 1.92 E+06 3.59 E+06 2.26 E+06
20 E1 2.48 E-02 3.65 E-02 2.30 E-02
E2 1.63 E+00 2.49 E+00 1.56 E+00
E3 8.99 E+01 14.36 E+01 9.04 E+01
E4 4.72 E+03 7.80 E+03 6.91 E+03
E5 2.43 E+05 4.15 E+05 2.61 E+05
32 E1 5.06 E-03 7.05 E-03 4.44 E-03
E2 2.12 E-01 3.00 E-01 1.90 E-01
E3 7.50 E+00 10.79 E+00 6.80 E+00
E4 2.52 E+02 3.67 E+02 2.31 E+02
E5 8.29 E+03 12.23 E+03 7.80 E+03
50 E1 1.11 E-03 1.47 E-03 0.92 E-03
E2 3.07 E-02 4.03 E-02 2.53 E-02
E3 7.12 E-01 9.27 E-01 5.84 E-01
E4 1.57 E+01 2.02 E+01 1.27 E+01
E5 3.39 E+02 4.30 E+02 2.70 E+02
80 E1 2.26 E-04 2.85 E-04 1.79 E-04
E2 4.03 E-03 4.86 E-03 3.08 E-03
E3 6.05 E-02 6.99 E-02 4.40 E-02
E4 8.64 E-01 9.52 E-01 7.00 E-01
E5 1.21 E+01 1.26 E+01 0.80 E+01
120 E1 5.77 E-05 6.90 E-05 4.37 E-05
E2 7.12 E-04 7.84 E-04 4.94 E-04
E3 7.42 E-03 7.51 E-03 4.73 E-03
E4 7.35 E-02 6.82 E-02 4.29 E-02
E5 7.12 E-01 6.05 E-01 3.89 E-01
200 E1 4.41 E-08 3.65 E-08 2.29 E-08
E2 6.99 E-08 2.48 E-07 1.56 E-07
E3 1.08 E-07 1.43 E-05 0.90 E-05
E4 1.66 E-07 0.78 E-05 0.50 E-05
E5 2.55 E-07 0.41 E-05 0.25 E-05
جدول (4- SEQ جدول_(4- * ARABIC 2): EB =2.84 E-01k shellz=6Eγ(Kev) EL α (exp) α (TE) α (QM)
E1 4.38 E-01 8.00 E-01 5.04 E-01
15 E2 3.51 E+01 7.27 E+01 4.58 E+01
E3 2.36 E+03 5.57 E+03 3.50 E+03
E4 1.52 E+05 4.05 E+05 2.55 E+05
E5 9.63 E+06 28.74 E+06 14.47 E+06
20 E1 1.71 E-01 2.92 E-01 1.83 E-01
E2 1.05 E+01 1.99 E+01 1.25 E+01
E3 5.45 E+03 11.45 E+03 6.21 E+03
E4 2.69 E+04 6.24 E+04 3.93 E+04
E5 1.31 E+06 3.32 E+06 2.09 E+06
32 E1 3.62 E-02 5.64 E-02 3.55 E-02
E2 1.45 E+00 2.40 E+00 1.51 E+00
E3 4.87 E+01 8.63 E+01 5.43 E+01
E4 1.56 E+03 2.94 E+03 1.85 E+03
E5 4.90 E+04 9.78 E+04 6.16 E+04
50 E1 8.21 E-03 11.83 E-03 7.45 E-03
E2 2.18 E-01 3.22 E-01 2.02 E-01
E3 4.87 E+00 7.41 E+00 4.46 E+00
E4 1.03 E+02 1.61 E+02 1.01 E+02
E5 2.15 E+03 3.44 E+03 2.16 E+03
80 E1 1.71 E-03 2.28 E-03 1.43 E-03
E2 2.97 E-02 3.89 E-02 2.45 E-02
E3 4.33 E-01 5.59 E-01 3.52 E-01
E4 5.99 E+00 7.62 E+00 4.81 E+00
E5 8.13 E+01 10.14 E+01 6.81 E+01
120 E1 4.46 E-04 5.52 E-04 3.51 E-04
E2 5.38 E-03 6.27 E-03 4.01 E-03
E3 5.48 E-02 6.01 E-02 3.93 E-02
E4 5.24 E-01 5.46 E-01 3.50 E-01
E5 5.01 E+00 4.84 E+00 2.82 E+00
200 E1 8.43 E-05 9.24 E-05 5.92 E-05
E2 6.53 E-04 6.30 E-04 4.00 E-04
E3 4.30 E-03 3.62 E-03 2.38 E-03
E4 2.70 E-02 1.97 E-02 1.24 E-02
E5 1.65 E-01 1.05 E-01 0.66 E-01

جدول (4- SEQ جدول_(4- * ARABIC 3): EB =8.67 E-01k shellz=10Eγ(Kev) EL α (exp) α (TE) α (QM)
E1 1.05 E+00 3.70 E+00 2.33 E+00
15 E2 1.11 E+02 3.36 E+02 2.11 E+02
E3 6.67 E+03 25.80 E+03 14.25 E+03
E4 3.83 E+05 18.75 E+05 11.02 E+05
E5 2.18 E+07 13.30 E+07 8.01 E+07
20 E1 6.24 E-01 13.53 E-01 8.42 E-01
E2 3.51 E+01 9.22 E+01 5.40 E+01
E3 1.65 E+03 5.30 E+03 3.15 E+03
E4 7.40 E+04 28.90 E+04 15.05 E+04
E5 3.29 E+06 15.38 E+06 8.60 E+06
32 E1 1.38 E-01 2.61 E-01 1.64 E-01
E2 5.17 E+00 11.12 E+00 6.89 E+00
E3 1.61 E+02 3.99 E+02 2.51 E+02
E4 4.81 E+03 13.69 E+03 8.42 E+03
E5 1.41 E+05 4.53 E+05 2.85 E+05
50 E1 3.26 E-02 5.47 E-02 3.66 E-02
E2 8.21 E-01 14.93 E-01 8.82.50 E01
E3 1.73 E+01 3.43 E+01 2.09 E+01
E4 3.47 E+02 7.48 E+02 4.58 E+02
E5 6.80 E+03 15.94 E+03 9.45 E+03
80 E1 7.02 E-03 10.57 E-03 6.65 E-03
E2 1.17 E-01 1.80 E-01 1.13 E-01
E3 1.63 E+00 2.58 E+00 1.62 E+00
E4 2.16 E+01 3.52 E+01 2.21 E+01
E5 2.81 E+02 4.69 E+02 2.59 E+02


120 E1 1.87 E-03 2.55 E-03 1.60 E-03
E2 2.19 E-02 2.90 E-02 1.85 E-02
E3 2.15 E-01 2.78 E-01 1.80 E-01
E4 2.01 E+00 2.52 E+00 1.60 E+00
E5 1.48 E+01 2.24 E+01 1.41 E+01
200 E1 3.63 E-04 4.28 E-04 2.75 E-04
E2 2.74 E-03 2.91 E-03 1.89 E-03
E3 1.76 E-02 1.67 E-02 1.10 E-02
E4 1.07 E-01 0.91 E-01 0.60 E-01
E5 6.42 E-01 4.86 E-01 3.19 E-01
جدول (4- SEQ جدول_(4- * ARABIC 4): EB =1.83 E+00k shellz=14Eγ(Kev) EL α (exp) α (TE) α (QM)
E1 3.30 E+00 10.16 E+00 6.01 E+00
15 E2 2.09 E+02 9.23 E+02 5.67 E+02
E3 1.09 E+04 7.08 E+04 4.21 E+04
E4 9.49 E+05 51.45 E+05 32.01 E+05
E5 2.75 E+07 36.51 E+07 22.08 E+07
20 E1 1.30 E+00 3.71 E+00 2.33 E+00
E2 6.92 E+01 25.30 E+01 15.33 E+01
E3 2.91 E+03 14.55 E+03 9.16 E+03
E4 1.17 E+05 7.93 E+05 4.80 E+05
E5 4.70 E+06 42.21 E+06 26.34 E+06
32 E1 3.15 E-01 7.17 E-01 4.41 E-01
E2 1.09 E+01 3.53 E+01 2.22 E+01
E3 3.13 E+02 10.97 E+02 6.35 E+02
E4 8.64 E+03 37.37 E+03 12.96 E+03
E5 2.36 E+05 12.43 E+05 7.56 E+05
50 E1 7.65 E-02 15.03 E-02 9.40 E-02
E2 1.82 E+00 4.09 E+00 2.25 E+00
E3 3.60 E+01 9.42 E+01 5.67 E+01
E4 6.81 E+02 20.54 E+02 12.06 E+02
E5 1.27 E+04 4.37 E+04 2.75 E+04
80 E1 1.70 E-02 2.90 E-02 1.82 E-02
E2 2.71 E-01 4.94 E-01 3.08 E-01
E3 3.60 E+00 7.10 E+00 4.41 E+00
E4 4.50 E+01 9.68 E+01 6.06 E+01
E5 5.68 E+02 12.88 E+02 7.95 E+02
120 E1 4.63 E-03 7.02 E-03 4.42 E-03
E2 5.23 E-02 7.97 E-02 5.02 E-02
E3 4.94 E-01 7.63 E-01 4.80 E-01
E4 4.45 E+00 6.93 E+00 4.36 E+00
E5 3.93 E+01 6.15 E+01 3.88 E+01
200 E1 9.19 E-04 11.74 E-04 7.39 E-04
E2 6.77 E-03 8.00 E-03 5.04 E-03
E3 4.22 E-02 4.60 E-02 2.92 E-02
E4 2.51 E-01 2.50 E-01 1.57 E-01
E5 1.40 E+00 1.33 E+00 0.83 E+00
جدول (4- SEQ جدول_(4- * ARABIC 5): EB =2.47 E+00k shellz=16Eγ(Kev) EL α (exp) α (TE) α (QM)
E1 4.37 E+00 15.17 E+00 9.13 E+00
15 E2 2.56 E+02 13.78 E+02 8.01 E+02
E3 1.24 E+04 10.56 E+02 6.30 E+02
E4 5.25 E+05 56.80 E+05 30.20 E+05
E5 2.67 E+07 34.51 E+07 21.07 E+07
20 E1 1.83 E+00 5.54 E+00 3.49 E+00
E2 8.73 E+01 37.70 E+01 21.68 E+01
E3 3.44 E+03 21.71 E+03 13.04 E+03
E4 1.31 E+05 11.83 E+05 6.93 E+05
E5 4.94 E+06 63.01 E+06 34.69 E+06
32 E1 4.29 E-01 10.70 E-01 6.34 E-01
E2 1.42 E+01 4.55 E+01 2.67 E+01
E3 3.92 E+02 16.37 E+02 10.00 E+02
E4 1.03 E+04 5.57 E+04 3.38 E+04
E5 2.70 E+05 18.55 E+05 11.34 E+05
50 E1 1.06 E-01 2.24 E-01 1.41 E-01
E2 2.44 E+00 6.11 E+00 3.84 E+00
E3 467 E+01 14.06 E+01 8.19 E+01
E4 8.55 E+02 30.66 E+02 17.64 E+02
E5 1.55 E+04 6.52 E+04 4.04 E+04
80 E1 2.38 E-02 4.33 E-02 2.72 E-02
E2 3.71 E-01 7.37 E-01 4.54 E-01
E3 4.81 E+00 10.60 E+00 6.31 E+00
E4 5.94 E+01 14.45 E+01 8.92 E+01
E5 7.24 E+02 19.23 E+02 12.11 E+02
120 E1 6.56 E-03 10.48 E-03 6.60 E-03
E2 7.27 E-02 11.90 E-02 7.49 E-02
E3 6.74 E-01 11.40 E-01 7.18 E-01
E4 5.95 E+00 10.39 E+00 6.73 E+00
E5 5.16 E+01 9.19 E+01 5.73 E+01
200 E1 1.32 E-03 1.75 E-03 1.10 E-03
E2 9.57 E-03 11.94 E-03 7.52 E-03
E3 5.89 E-02 6.86 E-02 4.32 E-02
E4 3.44 E-01 3.74 E-01 2.35 E-01
E5 1.98 E+00 1.99 E+00 1.25 E+00
جدول (4- SEQ جدول_(4- * ARABIC 6): EB =4.03 E+00k shellz=20Eγ(Kev) EL α (exp) α (TE) α (QM)
E1 6.78 E+00 29.64 E+00 18.28 E+00
15 E2 3.35 E+02 26.92 E+02 16.38 E+02
E3 1.33 E+04 20.64 E+04 11.07 E+04
E4 5.12 E+05 15.001E+05 9.45 E+05
E5 1.98 E+07 10.60E+07 6.67 E+07
20 E1 2.90 E+00 10.83 E+00 6.82 E+00
E2 1.21 E+02 7.37 E+02 4.06 E+02
E3 4.13 E+03 42.42 E+03 26.46 E+03
E4 1.36 E+05 23.12 E+05 14.49 E+05
E5 4.46 E+06 123.07E+06 7.56 E+06
32 E1 7.05 E-01 20.90 E-01 12.60 E-01
E2 2.13 E+1 8.90 E+1 5.04 E+1
E3 5.31 E+02 31.98 E+02 19.53 E+02
E4 1.27 E+04 10.89 E+04 6.30 E+04
E5 3.02 E+05 36.24 E+05 22.68 E+05
50 E1 1.79 E-01 4.38 E-01 2.69 E-01
E2 3.85 E+00 11.94 E+00 6.93 E+00
E3 6.85 E+1 27.47 E+1 10.45 E+1
E4 1.17 E+03 5.98 E+03 3.71 E+03
E5 1.97 E+04 12.75 E+04 7.56 E+04
80 E1 4.13 E-02 8.46 E-02 5.06 E-02
E2 6.11 E-01 14.41 E-01 8.82 E-01
E3 7.51 E+00 20.71 E+00 12.40 E+00
E4 8.80 E+1 28.22 E+1 16.64 E+1
E5 1.02 E+03 3.75 E+03 2.36 E+03
120 E1 1.16 E-02 2.04 E-02 1.28 E-02
E2 1.23 E-01 2.32 E-01 1.40 E-01
E3 1.10 E+00 2.22 E+00 1.36 E+00
E4 9.29 E+00 20.23 E+00 12.06 E+00
E5 7.74 E+01 17.94 E+01 10.78E+01
200 E1 2.38 E-03 3.42 E-03 2.15 E-03
E2 1.68 E-02 2.33 E-02 1.46 E-02
E3 1.10 E-01 1.34 E-01 0.84 E-01
E4 5.67 E-01 7.31 E-01 4.60 E-01
E5 3.16 E+00 3.89 E+00 2.45 E+00
جدول (4- SEQ جدول_(4- * ARABIC 7): EB =4.96 E+00k shellz=22Eγ (Kev) EL α (exp) α (TE) α (QM)
E1 8.97 E+00 39.45 E+00 24.00 E+00
15 E2 3.59 E+02 35.84 E+02 22.05 E+02
E3 1.27 E+04 27.47 E+04 17.01 E+04
E4 4.34 E+05 199.67E+05 11.91 E+05
E5 1.49 E+07 141.71E+07 10.08 E+07
20 E1 3.50 E+00 14.41 E+00 8.82 E+00
E2 1.35 E+02 9.82 E+02 5.67 E+02
E3 4.22 E+03 56.46 E+03 35.02 E+03
E4 1.27 E+05 30.77 E+05 18.90 E+05
E5 3.86 E+06 163.81E+06 10.08 E+06
32 E1 8.63 E-01 27.82 E-01 17.01 E-01
E2 2.48 E+01 11.84 E+01 6.93 E+01
E3 5.83 E+02 42.56 E+02 26.46 E+02
E4 1.32 E+04 14.50 E+04 8.82 E+04
E5 2.38 E+05 48.24 E+05 30.24 E+05
50 E1 2.22 E-01 5.83 E-01 3.67 E-01
E2 4.60 E+00 15.90 E+00 8.86 E+00
E3 7.87 E+01 36.56 E+01 22.68 E+01
E4 1.29 E+03 7.97 E+03 4.43 E+03
E5 2.10 E+04 16.97 E+04 10.10 E+04
80 E1 5.18 E-02 11.26 E-02 6.93 E-02

–391

1- این پایان نامه حاصل تحقیق و پژوهش انجام شده توسط اینجانب بوده و در مواردی که از دستاوردهای علمی و پژوهشی دیگران (اعم از پایان نامه، کتاب، پروژه - ریسرچو ...) استفاده نموده ام، مطابق ضوابط و رویه موجود، نام منبع مورد استفاده و سایر مشخصات آن را در فهرست مربوطه ذکر و درج کردهام.
2- این پایان نامه قبلاً برای دریافت هیچ مدرک تحصیلی (هم سطح، پایین تر یا بالاتر) در سایر دانشگاهها و موسسات آموزش عالی ارائه نشده است.
3- چنانچه بعد از فراغت از تحصیل، قصد استفاده و هرگونه بهره برداری اعم از چاپ کتاب، ثبت اختراع و ... از این پایان نامه داشته باشم، از حوزه معاونت پژوهشی واحد مجوزهای مربوطه را اخذ نمایم.
4- چنانچه در هر مقطعی زمانی خلاف موارد فوق ثابت شود، عواقب ناشی از آن را میپذیرم و واحد دانشگاهی مجاز است با اینجانب مطابق ضوابط و مقرات رفتار نموده و در صورت ابطال مدرک تحصیلیام هیچ گونه ادعایی نخواهم داشت.
نام و نام خانوادگی: وحید مرادی
تاریخ و امضا
1682753174900
گواهی امضادانشجوی فوق الذکر احراز هویت شد فقط امضای ایشان گواهی میگردد.
نام و نام خانوادگی رئیس پژوهش دانشکده
تاریخ و امضا
اراک –میدان امام خمینی-بلوارامام خمینی(ره)-شهرک دانشگاه آزاداسلامی- صندوق پستی 567/38135
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول: مقدمه
1-1-مقدمه2
1-2-بررسیهای انجام شده در این پروژه4
1-3- کامپیوتر و شیمی کوانتوم7
1-4-معرفی برنامههای کامپیوتر8
1-4-1-نرم افزار گوسین8
1-4-2-نرم افزار گرافیکیChem 3D9
1-4-3-برنامه اوربیتال مولکولی MOPAC9
فصل دوم : تاریخچه
2-1-مقدمه12
2-2-پیدایش13
2-3-ترکیبات اولیه16
2-4-مطالعات گذشته18
2-5-نتیجه31
فصل سوم : محاسبات شیمیایی
3-1-مقدمه34
عنوان صفحه
3-2-محاسبات شیمیایی35
3-2-1- روش‌های محاسباتی براساس مکانیک کلاسیک36
3-2-2- روش‌های محاسباتی براساس مکانیک کوانتومی39
3-2-2-1-روشهای نیمه تجربی40
3-2-2-2-روش‌های مکانیک کوانتومی آغازین42
3-3- تقریب بورن اپنهایمر43
3-4- روش‌های مبتنی بر اوربیتال مولکولی45
3-4-1- روش هارتری- فاک45
3-4-1-1-محدودیت‌های روش هارتری- فاک47
3-4-2- روش‌های ارتباط الکترونی(EC)48
3-5- روش‌های مبتنی بر توابع دانسیته50
3-5-1- تقریب دانسیته موضعی53
3-5-2- تصحیح شیب دانسیته54
3-5-3-روش پیوستگی آدیاباتیک( ACM)55
3-6-سری‌های پایه57
3-6-1- اوربیتال‌های اسلیتری و گوسی58
3-6-2-طبقه‌بندی سری‌های پایه60
3-6-2-1- سری‌های پایه کمینه62
عنوان صفحه
3-6-2-2- سری‌های پایه پاپل63
3-6-2-2-1- توابع پلاریزه‌کننده و پخش‌کننده65
3-6-2-3-سری‌های پایه پتانسیل‌های مغزی مؤثر66
3-6-2-4-سری پایه دانینگ67
3-7-اوربیتال‌های پیوند طبیعی67
3-7-1- ساختار برنامه NBO70
3-8-مقایسه روش‌های مکانیک کوانتومی71
3-9-روش کار73
3-9-1- تهیه فایل دادهها73
3-9-2- نحوه محاسبات برنامه MOPAC74
3-9-3- بهینه سازی ساختار هندسی74
3-9-4- شرح روش کار محاسبات کامپیوتری75
3-10- روش کار با نرم افزار گوسین79
3-10-1- هدف اصلی از انجام محاسبات80
3-10-2- روش محاسبه80
3-10-3- مجموعه پایه80
3-10-4-طرز کار80
عنوان صفحه
فصل چهارم : نتایج وبحث
4-1- مقدمه85
4-2- نتایج حاصل از محاسبات89
4-2-1- بررسی انرژی آزاد گیبس89
4-2-2- بررسی اثر آنومری تعمیم یافته90
4-2-3- بررسی ممان دوقطبی97
4-2-4- بررسی پارامترهای ساختاری100
4-3- نتیجه گیری103
مراجع
چکیده انگلیسی
فهرست شکل ها
عنوان صفحه
شکل 1-1- HYPERLINK "file:///G:/Documents%20and%20Settings/saye01/Desktop/1-3.doc"HYPERLINK "file:///G:/Documents%20and%20Settings/saye01/Desktop/1-3.doc" طرحی از مولکولهای مورد مطالعه در پیکربندیهای سیس و ترانس5شکل 2-1- اولین دیفسفن پایدار سنتز شده14
شکل 2-2- سیستم HX=XH دارای پیوند دوگانه16
شکل 2-3- ایزومریزاسیون سیس- ترانس آزوینزن19
شکل 2-4- شماتیک حالات انتقالات برای ایزومریزاسیون حرارتی سیس-ترانس آزوینزن20
شکل 2-5- واریانس انرژی(a) و جمعیت الکترونی (b)مربوط به اوربیتالهای HOMO و LUMO نسبت به زمان20
شکل 2-6- واریانس زوایای پیچشی CNNC (a) و زوایای پیوندی CNN (b) نسبت به زمان21
شکل 2-7- طیف UV/vis آزوینزن21
شکل 2-8- ΔE(E-Z) پیوند دوگانه X=Y22
شکل 2-9- پارامترهای مهم هندسی ترانس-دیفنیل دیفسفن (Ph-P=P-Ph)24
شکل 2-10- شماره گذاری اتمها برای دیفنیل دیفسفن و همچنین برای دیفنیل دیآزن27
شکل 2-11- زاویه و طول پیوند در ترانس و سیس آزوبنزن29
شکل 2-12- پارامترهای ساختاری برای فرم ترانس مولکول Ph-E = E-Ph30
شکل 2-13- پارامترهای ساختاری برای فرم ترانس مولکول Ph-E = E-Ph 30
عنوان صفحه
شکل 3-1- مقایسه توزیع اوربیتال‌های اسلیتری (a) و گوسی (b) در اطراف هسته60
شکل 3-2- مقایسه یک تابع STO با اوربیتال‌های نوع گوسی----------------------------------------------60
شکل 3-3- مقایسه سری‌های پایه STO-nG با یکدیگر63
شکل 3-4- سری پایهSTO-3G به عنوان متداولترین سری پایه کمینه63
شکل 3-5- انحراف برهم‌کنش donor-acceptor 69
شکل 3-6- ساختار برنامه NBO70
شکل 3-7- نمایی از محیط کار در نرم افزار Chem3D75
شکل 3-8- نمایی از Z-ماتریکس برای مولکول 1و2-دیفنیل دیفسفن76
شکل 3-9- نمایی از محیط کار در نرم افزار Chem3D76
شکل 3-10- نمایی از پنجره ورودی اطلاعات برای انجام محاسبات در مولکول 1و2-دیفنیل دی فسفن 77
شکل 3-11- نمایی از پنجره اطلاعات خروجی بعد از محاسبات در مولکول 1و2-دیفنیل دیفسفن 77
شکل 3-12- نمایی از پنجره ورودی اطلاعات برای انجام محاسبات NBOدر مولکول 1و2-دیفنیل دیآرسن78
شکل 3-13- نمایی از اطلاعات خروجی از محاسبات NBO در مولکول 1و2-دیفنیل دیفسفن78
شکل 3-14- نمایی از محیط کار گوسین79
شکل 3-15- نمایی از محیط کار در گوسین برای وارد کردن اطلاعات اولیه و اصلی81
شکل 4-1- انتقالات مورد بررسی در پیکربندی سیس و ترانس ترکیبات 1 تا 491
شکل 4-2- مقادیر انرژی پایداری حاصل از انتقالات الکترونی (E2) مربوط به ترکیبات 1 تا 492
عنوان صفحه
شکل 4-3- اثر آنومری تعمیم یافته GAE در ترکیبات 1 تا 496
شکل 4-4- جهت بردارهای ممان دوقطبی در پیکربندی سیس و ترانس ترکیبات 1 تا 499
شکل 4-5- شماره گذاری اتمها در پیکربندی سیس و ترانس ترکیبات 1تا 4100
شکل 4-6- طول پیوند برای پیکربندی سیس و ترانس 1و2-دیفنیل دیآزن102
شکل 4-7- طول پیوند برای پیکربندی سیس و ترانس 1و2-دیفنیل دیفسفن102
شکل 4-8- طول پیوند برای پیکربندی سیس و ترانس 1و2-دیفنیل دیآرسن102
شکل 4-9- طول پیوند برای پیکربندی سیس و ترانس 1و2-دیفنیل دیاستیبن103
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 2-1- طول پیوند و زاوایای پیوندی چندین نمونه بررسی شده از دیفسفن15
جدول 2-2- طول پیوند و زاوایای پیوندی چندین نمونه بررسی شده از دیآرسن و دیاستیبن16
جدول 2-3- انرژیهای کل و نسبی سیستمهای HX=XH17
جدول 2-4- پارامترهای ساختاری برای سیستمهای HX=XH17
جدول 2-5- مقایسه طول پیوند تعادلی (Re) و زاویه (Φx) برای سیستمهای HX=XH17
جدول2-6- محاسبه پارامترهای ساختاری برای دیفسفن و دیآرسنهای مختلف25
جدول2-7- پارامترهای ساختاری و ممان دوقطبی برای ترانس و سیس آزوبنزن26
جدول2-8- پارامترهای مهم ساختاری بهینه شده دیفنیل دیفسفن27
جدول2-9- پارامترهای مهم ساختاری بهینه شده دیفنیل دیآزن28
جدول2-10- پارامترهای ساختاری بهینه شده برای RE=ER28
جدول 2-11- خواص فیریکی و مقادیر طول پیوند دوگانه تجربی برای مولPh-E=E-Ph31
جدول 4-1- مقادیر توابع ترمودینامیکی برای ساختارهای بهینه شده ترکیبات 4-1106
جدول 4-2- انرژی رزونانسی انتقالات الکترونی دهنده-گیرنده برای ساختارهای بهینه شده ترکیبات 4-1107
جدول 4-3- انرژی ΔEijوانتگرال همپوشانی(Fij) انتقالات الکترونی دهنده-گیرنده برای ترکیبات 4-1108
جدول 4-4- مقادیر ممان دوقطبی(µ) برای ساختارهای بهینه شده ترکیبات 4-1109
جدول 4-5- جمعیت الکترونی اوربیتالهای دهنده-گیرنده برای ساختارهای بهینه شده ترکیبات 4-1110
عنوان صفحه
جدول4-6- انرژی اوربیتال های پیوندی و ضد پیوندی برای ساختارهای بهینه شده ترکیبات 4-1111
جدول4-7- پارامترهای ساختاری برای ترکیبات 4-1112
چکیده
مطالعه اثرات استریوالکترونی موثر برخواص پیکربندی 1و2-دیفنیل دیآزن ، -دیفسفن ، -دیآرسن و –دیاستیبن با استفاده از روشهای مکانیک کوانتومی آغازین و تحلیلNBO
توسط: وحید مرادی
بر پایه روش (B3LYP/Def2-TZVPP) و تحلیل NBO خواص پیکربندی 1و2-دیفنیل دیآزن(1) ، 1و2-دیفنیل دیفسفن(2) ، 1و2-دیفنیل دیآرسن(3) و 1و2-دیفنیل دیاستیبن(4) بررسی شد. نتایج حاصل نشان داد که اختلاف انرژی آزاد گیبس (GTrans-Cis)Δ در دمای 298.15 درجه کلوین و فشار یک اتمسفر بین پیکربندی ترانس و سیس از ترکیب 1 به ترکیب 4 کاهش مییابد. روش B3LYP/Def2-TZVPP پایداری پیکربندی ترانس ترکیبات 1 تا 4 نسبت به پیکربندی سیس مربوطه را نشان داد.
بر اساس نتایج بدست آمده ناپایداری پیکربندی سیس از ترکیب 1 به 4 کاهش مییابد. تحلیل NBO برهمکنش اوربیتالهای دهنده-گیرنده (LP→ σ* QUOTE →σ ) نشان داد که اثر آنومری تعمیم یافته (GAEtotal= GAETrans - GAE Cis) مرتبط با (LPM1→ σ* M2-Cphenyl) و ( σM1-Cphenyl σ* M2-Cphenyl ) از ترکیب 1 به ترکیب 4 کاهش مییابد. بنابراین تغییرات آنومری تعمیم یافته نمیتواند تغییرات محاسبه شده انرژی آزاد گیبس را توضیح دهد. تغییرات GAE میتواند توسط عناصر غیر قطری مربوطه آن کنترل شود.
مقدار ممان دوقطبی محاسبه شده پیکربندی سیس از ترکیب 1 به 4 کاهش مییابد. همچنین روند مشاهده شده اختلاف ممان دوقطبی (Δμcis-trans) بین پیکربندی سیس و ترانس ترکیبات 1 تا 4 مشابه با روند کاهشی مشاهده شده برای تغییرات ΔG مربوطه است. بنابراین مدل الکترواستاتیک مرتبط با برهمکنش دوقطبی-دوقطبی توجیه کننده مقادیر G محاسبه شده برای ترکیب های 1 تا 4 است.
یک رابطه مستقیم بین محاسبه GAE و پارامتر ∆ [rM1-Cphenyl (Trans)–(Cis)] وجود دارد. رابطه بین ΔGtrans-cis ، GAEtrans-cis ، Δμcis-trans ، پارامترهای ساختاری و رفتار پیکربندی ترکیبات 1 تا 4 بررسی شد.
فصل اول
مقدمه

1-1-مقدمه
انرژی کل یک مولکول با شکل آن رابطهای مستقیم دارد، این انرژی کل ازچند مولفه تشکیل میشود که آنها را تا حدی میتوان به ویژگیهای ساختاری مشخصی نسبت داد. از جمله عواملی که در انرژی کل یک مولکول سهم دارند و ارتباط قابل درکی با ساختارمولکول دارند، میتوان به برهمکنشهای غیرپیوندی ،کشش حلقه درسیستمهای حلقوی ، کششهای پیچشی ناشی از پوشیدگی پیوندها، ناپایدار شدن به دلیل انحراف طول پیوندی یا زاویه پیوندی از مقادیر بهینه اشاره کرد. برعکس عوامل پایدارکنندهای هم وجود دارند که دارای قیدهای هندسی هستند. اکثر این عوامل را میتوان در زمره اثرهای فضا الکترونی به شمار آورد یعنی برای بیشینه شدن برهمکنشهای پایدارکننده به یک رابطه هندسی خاص نیاز دارند علاوه بر این، برهمکنشهای دیگری نیز وجود دارند مثل تشکیل پیوند هیدروژنی یا برهمکنشهای دوقطبی –دوقطبی که برای آنها قدرت برهمکنش شدیداً ، به شکل هندسی مولکول بستگی دارد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>D.Menard</Author><Year>1984</Year><RecNum>22</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>22</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">22</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>D.Menard,M.st-Jacques,</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of American Chemistry Society </secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of American Chemistry Society</full-title></periodical><volume>106</volume><section>2055</section><dates><year>1984</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1].
اصولی که تحلیل تعادلهای صورت بندی برآنها استوار است، درچارچوبی بسط یافتهاند که خود پایه در مکانیک کلاسیک دارد. یک مولکول، کم انرژیترین شکلی را به خود میگیرد که ازچرخش حول پیوندهای ساده خود و تنظیم زاویهها و طول پیوندها حاصل می شود. از آنجا که طول پیوندها وزوایای پیوندی از مولکولی به مولکول دیگر نسبتا به طورجزئی تغییر میکند، شکل مولکولی در وهله نخست به وسیله فرایندهای چرخشی آن تعیین می شود. بسیاری از مولکولها به دلیل انحراف از شکلهای هندسی ایدهآل، یک کشش از خود نشان میدهند. انرژی کشش، مقدار انرژی اضافی در مقایسه با یک مولکول مرجع و فاقد کشش است.
از دیدگاه اوربیتال مولکولی، انرژی مولکول برابر حاصل جمع انرژی اوربیتالهای اشغال شده است. محاسبه انرژی کل درآرایش فضایی متفاوت نشان میدهد که انرژی تابعی از شکل هندسی است.
تفسیرفیزیکی این حکم برحسب موثر بودن همپوشانی اوربیتالها امکان پذیر است. همپوشانی میان اوربیتالهایی که برهمکنش پیوندی دارند، انرژی مولکولی را کاهش میدهند. اصطلاح اثرفضا الکترونی برای آن دسته ازروابط میان ساختار چرخشی و انرژی واکنش پذیری به کار میرود که میتوان آنها را به برهمکنشهای اوربیتالی به شکل هندسی ربط داد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>D.Menard</Author><Year>1981</Year><RecNum>23</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">23</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>D.Menard,M.st-Jacques, </author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of American Chemistry Society</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of American Chemistry Society</full-title></periodical><volume>59</volume><section>1160</section><dates><year>1981</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2].
در ترکیبات آلی اثرات متعددی برای توجیه ارجحیت ترکیب، ارائه شدهاست. این اثرات شامل اثر آنومری، فوق مزدوج شدن، برهمکنش دوقطبی-دوقطبی، رزونانس، تداخلات فضایی و غیره است. در هندسه ارجح بسیاری از مولکولها مشخص شده است که بیشترین برهمکنش بین بهترین جفت دهنده تنها و بهترین پیوند گیرنده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>N.D. Epiotis</Author><Year>1977</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText>[3]</DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">24</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>N.D. Epiotis, R.L. Yates, R.J. Larson, C.R. Kirmayer, F. Bernardi,</author></authors></contributors><titles><title>Directional effects of .sigma. Conjugation on geometrical isomerism,</title><secondary-title>Journal of American Chemistry Society</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of American Chemistry Society</full-title></periodical><pages>8379-8388</pages><volume>99</volume><section>8379</section><dates><year>1977</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[3].
اثر آنومری موثرترین فاکتورکنترل صورتبندی در ترکیبهای آلی است. اثر آنومری اثری استریوالکترونی است که طی آن در حلقههای سیکلوهگزانی، گروههای متصل شده به کربن شماره دو، قرارگیری در حالت محوری را به حالت استوایی ترجیح میدهند. این در حالیست که بر طبق دافعههای فضایی برای این گروهها قرارگیری در حالت استوایی مورد انتظار است. توضیح برای توجیه اثر آنومری این است که در حالت استوایی ممان دو قطبی هر دو هترواتم در یک جهت میباشند، در حالیکه در حالت محوری ممانها تقریبا مخالف یکدیگرند ، بنابراین برآیند آنها عددی کوچکتر است، پس در فرم محوری پایداری بیشتر و انرژی کمتر خواهد بود.
به اثر آنومری در ترکیبهای دارای پیوند دوگانه اثر آنومری تعمیم یافته گفته میشود. اثر آنومری تعمیم یافته نیز اثری استریوالکترونی است که طی آن در سیستمهای غیرحلقوی، گروههای متصل شده به اتمها، قرارگیری در حالت سیس را به حالت ترانس ترجیح میدهند. این در حالیست که بر طبق دافعههای فضایی برای این گروهها قرارگیری در حالت ترانس مورد انتظار است.
از طریق این مطالعه نظری، ما امیدواریم به موارد ذیل دست یابیم :
الف (به اثرات استریوالکترونی در پیکربندی مختلف از مولکولها
ب) به مشخص شدن عامل توجیه کننده انرژی آزادگیبس در تعیین پایداری پیکربندی مختلف از مولکولها
 ج) به ارتباط منطقی بین نتایج محاسبات با فاکتورهای مورد بررسی
د) به پارامترهای ساختاری و تاثیر آن
ه) به نتایج قابل قبول و سازگار با نتایج تجربی مربوطه
1-2-بررسیهای انجام شده دراین پروژه
ارزیابی صحیح از انتقالات دهنده-گیرنده و حالت هندسی و انرژی یک سیستم ، یک روش قدرتمند برای مطالعه واکنشهای شیمیایی میباشد. در این راستا، به منظور مقایسه پایداری پیکربندی در ترکیبات دارای باند دوگانه E = E حاوی عناصر نیتروژن، فسفر، آرسنیک و آنتیموان یک تحقیق در رابطه با عوامل موثر بر این پایداری، با استفاده از روش مکانیک کوانتومی آغازین و همچنین تحلیل اوربیتال پیوند طبیعی، را انجام میدهیم. مولکولهایی که ما بررسی میکنیم عبارتند از:
1,2-diphenyldiazene (Ph-N=N-Ph) 1،2-دی فنیل دی آزن
1,2-diphenyldiphosphene (Ph-P=P-Ph)1،2-دی فنیل دی فسفن
1,2-diphenyldiarsene (Ph-As=As-Ph) 1،2-دی فنیل دی آرسن
1,2-diphenyldistibene (Ph-Sb=Sb-Ph) 1،2-دی فنیل دی استیبن

شکل 1-1 : طرحی از مولکولهای مورد مطالعه در پیکربندیهای سیس و ترانس
اثرات استریوالکترونی، اثرات الکترواستاتیک و اثرات فضایی برروی خواص پیکربندی سیستمهای مورد نظر در این تحقیق تاثیر گذار خواهند بود. با توجه به اینکه تقابلهای همسو بودن این تاثیرات مشخص نیست در این تحقیق به این مطلب پرداخته خواهد شد.
پرسش اصلی تحقیق ( مساله تحقیق ) این است که چگونه اثرات استریوالکترونی میتوانند بر خواص پیکربندی 1و2-دیفنیل دیآزن، -دیفسفن ،-دیآرسن ، -دیاستیبن تاثیرگذار باشد ؟
فرضیهای که در اینجا برای این بررسیها مطرح میشود این است که پیشبینی میشود اولاً اثرات استریوالکترونی بر خواص پیکربندی 1و2-دیفنیلدیآزن ، -دیفسفن ، -دیآرسن ، -دیاستیبن تاثیرگذار باشد ثانیاً بین تغییرات ممانهای دوقطبی و خواص پیکربندی مولکولهای مورد مطالعه ارتباط منطقی و محکمی وجود داشته باشد.
پژوهش حاضر به بررسی این تاثیرات که میتواند ناشی از اثرات استریوالکترونی و فضایی باشد ، با استفاده از روش های مکانیک کوانتومی آغازین در سطح نظری B3LYP/ Def2-TZVPP و تحلیل NBO میپردازد. هدف از انجام این تحقیق، بررسی چگونگی اثرات استریوالکترونی بر خواص پیکربندی و ساختاری مولکولهای مورد نظر میباشد.
ساختارهای مورد مطالعه در این تحقیق با نرم افزار chem3Dتهیه و در سطوح نظری مناسب بهینه میشوند. پس از انجام مراحل بهینهسازی، بر روی ساختارهای حاصل تحلیل NBO انجام خواهد شد و سپس اثرات آنومری از روی انتقالات الکترونی، اثرات الکترو استاتیک و فضایی محاسبه شده و همبستگی بین اختلاف انرژی آزاد گیبس، اثر آنومری تعمیم یافته، پارامترهای ساختاری و ممانهای دو قطبی، در ترکیبهای مورد نظر مورد بررسی قرار میگیرد.
در این پروژه ابتدا به بررسی روند انرژی آزادگیبس پرداخته خواهد شد و سپس عوامل موثر بر پایداری مولکول مورد بررسی قرار میگیرند که آیا میتوانند نتایج حاصل از انرژی آزاد گیبس را توجیه کنند، این عوامل عبارتنداز:
اثرات آنومری :
فرمی از مولکول که اثر آنومری بیشتری دارد نسبت به فرمی که اثر آنومری کمتری دارد، پایدارتر است.
ممان دوقطبی :
در فاز گازی، فرمی از مولکول که ممان دوقطبی کمتری داشته باشد، پایدارتر است.
اثرات فضایی :
هرچه یک مولکول اثرات فضایی ناپایدارکننده کمتری داشته باشد، پایدارتر است.
1-3- کامپیوتر و شیمی کوانتوم
بیگمان سالها پیش که نخستین کامپیوترها پا به عرصه علم و فناوری گذاشتند هیچ کس حتی تصور هم نمیکرد که روزی فرا برسد که علوم تجربی همچون شیمی، فیزیک، و حتی زیست شناسی تا این حد وابسته به کامپیوتر باشد.
علم شیمی در این میان گوی سبقت را از سایر علوم ربوده است. نگاهی گذرا به هزاران پروژه - ریسرچعلمی که سالانه در سراسر جهان منتشر میشود موید این ادعا است. این مقالات در شاخههای گوناگون شیمی انتشار مییابد، اما ناگفته پیداست که مباحث شیمی کوانتوم در این میان بیشترین سهم را به خود اختصاص دادهاند.
1-4- معرفی برنامههای کامپیوتری
1-4-1- نرم‌افزار گوسین
از جمله مهمترین و شاید بتوان گفت پرکاربردترین، نرم‌افزارها در زمینه به کارگیری رایانه در پژوهش‌های شیمی، نرم‌افزار قدرتمند Gaussian است .این نرم‌افزار مجموعه‌ای از برنامه‌های به هم پیوستهای است که انواع محاسبات کوانتوم مکانیکی را انجام می‌دهد. اساس Gaussian بر این پایه استوار است که مدل‌های تئوری باید برای همه سیستم‌های مولکولی، با هر اندازه و نوعی به طور یکسان قابل اجرا باشند. این نرم‌افزار قادر به محاسبه بسیاری از خواص مولکول‌ها و واکنش‌هاست .برخی کاربردهای برنامه Gaussian عبارتند از:
ساختار و انرژی مولکول
ساختار و انرژی حالت گذار
فرکانس ارتعاشی
طیفهای رامان و IR
خواص ترموشیمیایی
انرژی پیوندها و واکنشها
مسیر واکنشها
بارهای اتمی
ممان چند قطبی
محاسبات را می‌توان در فاز گازی یا در محلول، در حالت پایه یا حالت برانگیخته انجام داد. از این رو گوسین را میتوان یک ابزار قدرتمند برای کاوش در حیطههای گوناگون از مطالعات شیمیایی نظیر اثرات جانشینیی، مکانیسم واکنشها، پایداری و ... به کار برد.
1-4-2- نرم افزار گرافیکی Chem 3D
Chem3D یک نرم افزار گرافیکی است که ساختار مولکول مورد نظر را میتوان به وسیله آن رسم کرد.
در این نرم افزار بهینهسازی مقدماتی ترکیبات، با روش مکانیک مولکولی MMx انجام میشود. به این ترتیب ساختار بهینه شده، به صورت یک فایل ورودی به نام Z-ماتریکس برای برنامه کامپیوتری MOPAC آماده میشود.
1-4-3- برنامه کامپیوتری اوربیتال مولکولی MOPAC


MOPAC یک برنامه اوربیتال مولکولی نیمه تجربی برای مطالعه واکنشهای شیمیایی شامل مولکولها، یونها و همچنین ساختار مربوط به آنها میباشد. این برنامه شامل روشهای نیمه تجربی میدان خود سازگار MINDO/3, MNDO, AMI, PM3 بوده و مجموعهای از محاسبات مربوط به طیفهای ارتعاشی، مقادیر ترمودینامیکی، اثرات جابجایی ایزوتوپی و ثابت نیرو را در بر میگیرد. همچنین عناصر تعریف شده در برنامه فوق اکثرا˝ عناصر اصلی و تعداد محدودی از عناصر واسطه مانند جیوه است.
فصل دوم
تاریخچه
2-1-مقدمه
همانند آنالوگهای اتیلن عناصر گروه 14 جدول تناوبی ، عناصر گروه 15 جدول تناوبی هم ، یک نقش محوری در توسعه شیمی پیوندهای چندگانه ایفا میکنند. شیمی ترکیبات دارای پیوندهای چندگانه میان عناصر سنگین گروه اصلی توجه زیادی را در سالهای اخیر به خود جلب کرده است. با توجه به اصطلاح قاعده پیونددوگانه کلاسیک، فقط عناصر ردیف دوم در جدول تناوبی باید قادر باشند که تشکیل ترکیبات پایدار حاوی پیوند دوگانه بدهند، در واقع، قانون پیوند دوگانه، یک بار برای تمام عناصر که فراتر از ردیف اول جدول تناوبی هستند اعمال شد، که در آن کربن، نیتروژن و اکسیژن در تشکیل پیوندهای چندگانه موفقتر بودند و پیوند دوگانه در عناصر سنگینتر ناموفق بود زیرا فاصله طولانی بین این عناصر اجازه همپوشانی کافی به اوربیتالهای p را نخواهد داد. این قاعده پیوند دوگانه کلاسیک ، توسط تعدادی از تلاشهای ناموفق در سنتز ترکیبات تایید شد. بهعنوان مثال، کولر و مایکلس گزارش دادند که از واکنش تراکم PhPCl2 و PhPH2 مولکول دیفنیل دیفسفن تشکیل میشود، که فسفوبنزن نامیده میشود. اما بعد از آن برای اولین بار، اندازهگیری وزن مولکولی و سپس تجزیه و تحلیل ساختار با اشعه X ، نشان داد که این محصول ترکیبی از فسفوبنزن و اُلیگومر است. اشتباه مشابهی در مورد دی آرسن نیز رخ داد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Tokitoh</Author><Year>2000</Year><RecNum>5</RecNum><DisplayText>[4]</DisplayText><record><rec-number>5</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">5</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Norihiro Tokitoh</author></authors></contributors><titles><title>New aspects in the chemistry of low-coordinated inter-element compounds of heavier Group 15 elements</title><secondary-title>Journal of Organometallic Chemistry</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Organometallic Chemistry</full-title></periodical><pages>217-227</pages><volume>611</volume><section>217</section><dates><year>2000</year></dates><work-type>Review</work-type><urls></urls></record></Cite></EndNote>[4]. پس از این شکستها، دانشمندان متوجه شدند که جایگزینهای به اندازه کافی بزرگ برای جلوگیری از اُلیگومرشدن این گونههای واکنشپذیر لازم است پیوندهای چندگانه در میان عناصر سنگینتر گروه اصلی تمایل دارند، فعالیت بالاترشان نسبت به کربن و نیتروژن همنوع خود را نشان دهند. با این حال، با لیگاندهای به اندازه کافی بزرگ، پیوندهای چندگانه مربوط به P, As, Si, Ge و دیگر عناصر میتواند به صورت ترکیبات پایدار سینتیکی سنتز و مورد مطالعه قرار گیرد. چرا در عناصر سنگین گروههای اصلی، هیبرید شدن باهم خیلی ضعیف است؟ هیبریداسیون موثر زمانی رخ میدهد که اوربیتالهای اتمی تشکیل دهنده انرژیهای مشابه و همپوشانی فضایی بزرگ داشته باشند. انرژی نسبی اوربیتالهای اتمی، در واقع بیشتر به نفع هیبریداسیون برای عناصر سنگینتر است. دلیل اصلی این اتفاق، احتمالاً ظرفیت بسیار متفاوت و توزیع شعاع اوربیتال ظرفیت s و p ، برای ردیف اول در جدول تناوبی در مقایسه با دیگر عناصر دارای اوربیتال ظرفیت p تقریبا با همان حدود شعاع است، اوربیتال ظرفیت p عناصر سنگینتر به میزان قابل توجهی گسترده تر نسبت به اوربیتال s است. به این ترتیب، درجه هیبریداسیون کاهش مییابد و جفت تنها، بیشتر خصوصیت s را در ستون جدول تناوبی با رفتن به سمت پایین را قبول میکند.
دانش سنتز، ساختار، شیمی کئوردیناسیون و واکنش ترکیبات دارای پیوندهای چندگانه میان عناصر سنگین نسبتاً در مراحل اولیه است، و به تازگی بررسی شدهاند.
2-2-پیدایش
سبکترین مشتقات دارای پیوند دوگانه، ترکیبات آزو، دیآزنها هستند پس از کشف دو ایزومر(سیس و ترانس ) در سال 1937 از آزوبنزن، آنها به موضوعاتی برای مطالعات تجربی و نظری متعدد تبدیل شدند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>G.S. Hartley</Author><Year>1937</Year><RecNum>10</RecNum><DisplayText>[5, 6]</DisplayText><record><rec-number>10</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">10</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>G.S. Hartley ,</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Nature</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nature</full-title></periodical><pages>281</pages><volume>140 </volume><dates><year>1937</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>G.S. Hartley</Author><Year>1938</Year><RecNum>11</RecNum><record><rec-number>11</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">11</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>G.S. Hartley,</author></authors></contributors><titles><secondary-title>J. Chem. Soc.</secondary-title></titles><periodical><full-title>J. Chem. Soc.</full-title></periodical><pages>633</pages><section>633</section><dates><year>1938</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[5, 6].
چندین دهه است که دیآزنها در همه جا شناخته شدهاند. پایداری پیوند دوگانه با جایگزینی گروههای بسیار بزرگ راه بدست آوردن ترکیبات همنوع بالاتر از دیآزنها بود. یوشی فوجی و همکارانش در سال 1981 اولین دی فسفن پایدار را سنتز کردند، که یک نقطه عطف واقعی در شیمی بود( در زیر تصویر آنرا میبینید) Mes*P=PMes* ، ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Yoshifuji</Author><Year>1981</Year><RecNum>17</RecNum><DisplayText>[7]</DisplayText><record><rec-number>17</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">17</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Yoshifuji, I. Shima, N. Inamoto, K. Hirotsu, T. Higuchi</author></authors></contributors><titles><secondary-title>J.Am. Chem. Soc.</secondary-title></titles><periodical><full-title>J.Am. Chem. Soc.</full-title></periodical><pages>4587</pages><volume>103</volume><section>4587</section><dates><year>1981</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7].

شکل 2-1 : اولین دیفسفن پایدار سنتز شده
از زمان جداسازی دیفسفن بالا، تمرکز کارها برروی شیمی این کلاس جدید از ترکیبات گسترش یافته است. یوشی فوجی دیفسفن را از احیا (2،4،6-تری-ترشیوبوتیل فنیل)دیکلرودیفسفین با عنصر منیزیم به دست آورد و ثابت شده است که احیا عوامل مختلف دیگر میتواند در سنتز دیفسفن موثر باشند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Yoshifuji</Author><Year>1981</Year><RecNum>17</RecNum><DisplayText>[7]</DisplayText><record><rec-number>17</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">17</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Yoshifuji, I. Shima, N. Inamoto, K. Hirotsu, T. Higuchi</author></authors></contributors><titles><secondary-title>J.Am. Chem. Soc.</secondary-title></titles><periodical><full-title>J.Am. Chem. Soc.</full-title></periodical><pages>4587</pages><volume>103</volume><section>4587</section><dates><year>1981</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7].
از آن زمان به بعد، دیفسفنهای بسیار دیگری سنتز شدهاند و ساختارشان مشخص شده است. این رویکرد نیز با موفقیت در مورد سنتز این دو دیآرسن، Mes*As=AsCH(SiMe3)2 و (SiMe3)3CAs=AsC(SiMe3)3 ، توسط کولی و همکارانش در سالهای 1985-1983 استفاده شد. داستان پیوند دوگانه As=As با ارائه دو ترکیب جدید توسط تاملی و همکارانش در سال 1999 با استفاده از لیگاندهای خیلی حجیم متا-تری فنیل -C6H3-2,6-Mes2 و -C6H3-2,6-Trip2 تکمیل شد. این محققین همچنین موفق به سنتز دیاستیبن و همچنین دیبیسموتنهای مربوطه شدند. با این حال، اولین ترکیبات دارای پیوند دوگانه همانند Sb=Sb و Bi=Bi توسط توکیتو و همکارانش در سال 1998- 1997 سنتز شد. سنتز ساختار و واکنشهای دیفسفنها وترکیبات همنوع خود، توسط کولی در سال 1984، کولی و نورمن در سال 1986، یوشی فوجی در سال 1990، وبر در سال 1992 و پاور در سال 1999 بصورت جامع مورد بررسی قرار گرفته شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>WIDAUER</Author><Year>2000</Year><RecNum>4</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>4</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">4</key></foreign-keys><ref-type name="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>CHRISTOPH WIDAUER</author></authors></contributors><titles><title>Ab Initio Study of Neutral and Cationic Double Bond Sys--s Containing Group 15 Elements</title></titles><volume>Doctor of Natural Sciences</volume><dates><year>2000</year></dates><publisher>Dipl. Chem. ETH</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8].
جدول 2-1 : طول پیوند و زاوایای پیوندی چندین نمونه بررسی شده از دیفسفن ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Power</Author><Year>1999</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Philip P. Power</author></authors></contributors><titles><title>ð-Bonding and the Lone Pair Effect in Multiple Bonds between Heavier Main Group Elements</title><secondary-title>Chem. Rev.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Chem. Rev.</full-title></periodical><pages>3463-3503</pages><volume>99</volume><dates><year>1999</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9]

جدول 2-2 : طول پیوند و زاوایای پیوندی چندین نمونه بررسی شده از دیآرسن و دیاستیبن ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Power</Author><Year>1999</Year><RecNum>12</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Philip P. Power</author></authors></contributors><titles><title>ð-Bonding and the Lone Pair Effect in Multiple Bonds between Heavier Main Group Elements</title><secondary-title>Chem. Rev.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Chem. Rev.</full-title></periodical><pages>3463-3503</pages><volume>99</volume><dates><year>1999</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Power</Author><Year>1999</Year><RecNum>12</RecNum><record><rec-number>12</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">12</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Philip P. Power</author></authors></contributors><titles><title>ð-Bonding and the Lone Pair Effect in Multiple Bonds between Heavier Main Group Elements</title><secondary-title>Chem. Rev.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Chem. Rev.</full-title></periodical><pages>3463-3503</pages><volume>99</volume><dates><year>1999</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9]

2-3- ترکیبات اولیه
اولین کارهای تئوری انجام شده بر روی دیفسفن HP=PH توسط ایتو و ناگاسه در سال 1986 ارائه شد. ناگاسه و همکارانش در سال 1990، محاسبات بر روی (HX=XH (X = P As, Sb, Bi را انجام دادند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>WIDAUER</Author><Year>2000</Year><RecNum>4</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>4</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">4</key></foreign-keys><ref-type name="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>CHRISTOPH WIDAUER</author></authors></contributors><titles><title>Ab Initio Study of Neutral and Cationic Double Bond Sys--s Containing Group 15 Elements</title></titles><volume>Doctor of Natural Sciences</volume><dates><year>2000</year></dates><publisher>Dipl. Chem. ETH</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8]. [WIDAUER, 2000 #4]
ترکیبات مختلف بررسی شده در شکل 2-2 ارائه شده است، چند نمونه از دادههای مربوطه نیز درجداول زیر آمده است.

شکل 2-2 : سیستم HX=XH دارای پیوند دوگانه با تقارن C2h ( (X = P As, Sb, Bi
جدول 2-3 : انرژیهای کل و نسبی سیستمهای HX=XH ( (X = P As, Sb, Bi

جدول 2-4 : پارامترهای ساختاری(طول پیوند دوگانه X=X برحسب آنگستروم و زاویه HXX برحسب درجه) برای سیستمهای HX=XH( (X = P As, Sb, Bi

جدول 2-5 :مقایسه طول پیوند تعادلی (Re) برحسب آنگستروم و زاویه فلپ (Φx) برحسب درجه
برای سیستمهای HX=XHدر این روش با سایر روشها و کارهای تجربی
( (X = P As, Sb, Bi

محاسبه انرژی کل و نسبی، پارامترهای ساختاری و مقایسه طول پیوند تعادلی و زاویه برای تمام گونهها در جداول ارائه شده است. کارهای تئوری قبلی نشان دادند که فرم ترانس ازHX=XH پایداترین فرم از تمام گونههای X = N, P, As, Sb است. ایتو و ناگاسه در سال 1986، جانسون و همکارانش در سال1987 محاسبات درباره ایزومرهای مختلف از N2Hو همچنین ناگاسه و همکارانش در سال 1990، اسشولرو همکارانش در سال 1997 محاسبات مربوط به ترکیبات HX=XH با X = P, As,Sb, Bi را انجام دادند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>WIDAUER</Author><Year>2000</Year><RecNum>4</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>4</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">4</key></foreign-keys><ref-type name="Thesis">32</ref-type><contributors><authors><author>CHRISTOPH WIDAUER</author></authors></contributors><titles><title>Ab Initio Study of Neutral and Cationic Double Bond Sys--s Containing Group 15 Elements</title></titles><volume>Doctor of Natural Sciences</volume><dates><year>2000</year></dates><publisher>Dipl. Chem. ETH</publisher><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8].
2-4-مطالعات گذشته :
در سال 2012 گورگی و همکارانش پلیمرهای حاوی آزوبنزن را سنتز و رفتار ایزومریزاسیون وابسته به جانشینیی آنها را بررسی کردند. آنها گفتند که برای آزوبنزن، حداکثر جذب قوی انتقال *π-π در350 نانومتر نهفته است و جذب ضعیفتر انتقال *π-n را میتوان حدود 450 نانومتر یافت(در محلول(THF.  نوار پرانرژی انتقال *σ-σ ، در 230 نانومتر است. ترانس آزوبنزن مسطح دارای ممان دو قطبی نزدیک به صفر است. ایزومر ترانس را میتوان با تابش به ایزومر سیس غیر مسطح مربوطه تبدیل کرد. در اینجا حلقههای فنیل بنا به دلایل فضایی خارج از سطح پیچ خوردهاند، بنابراین تا حدودی سیستم کانژوگه را از بین بردهاند.  از این رو، جذب در 320 نانومتر را شدیداً کاهش میدهد در حالی که در 450 نانومتر به میزان قابل توجهی افزایش میدهد. علاوه بر این، در ایزومر سیس ممان دو قطبی را از 0 تا 3 دبی افزایش میدهد. پس از تابش با نور UV به ایزومر ترانس، ایزومریزاسیون پیوند دوگانه صورت میگیرد و پیکربندی از ترانس به سیس تغییرمیکند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Ulrike Georgi</Author><Year>2012</Year><RecNum>7</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>7</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">7</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Ulrike Georgi, Philipp Reichenbach , Ulrich Oertel, Lukas M. Eng , Brigitte Voit</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis of azobenzene-containing polymers and investigation of their substituent-dependent isomerisation behaviour</title><secondary-title>Reactive &amp; Functional Polymers </secondary-title></titles><periodical><full-title>Reactive &amp; Functional Polymers</full-title></periodical><pages>242-251</pages><volume>72</volume><section>242</section><dates><year>2012</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10].

شکل 2-3 : ایزومریزاسیون سیس-ترانس آزوبنزن
نسبت ایزومرهای سیس و ترانس وابسته به میزان واکنش ایزومریزاسیون مختلف، در شدت نور، در بازده کوانتومی فتوشیمیایی ایزومریزاسیون سیس - ترانس و ترانس - سیس و همچنین ضریب جذب از ایزومرهای مربوطه در طول موج تابش است. میزان واکنشهای حرارتی به نوبه خود وابسته به مکانیسم ایزومریزاسیون که میتواند صورت بگیرد با وارونه شدن یکی از نیتروژنهای مرکزی از گروه آزو که منجر میشود به دوباره هیبرید شدن یکی از اتمهای نیتروژن از حالت هیبرید sp2 به حالت هیبرید sp ، و یا از طریق یک مکانیزم چرخش که به شدت مورد علاقه مشتقاتی با ممان دو قطبی قوی است. شکل(2-3) را ببنید. ظاهر این مکانیسمهای متفاوت، به شدت وابسته به قطبیت مولکول و محیط اطراف هستند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Ulrike Georgi</Author><Year>2012</Year><RecNum>7</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>7</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">7</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Ulrike Georgi, Philipp Reichenbach , Ulrich Oertel, Lukas M. Eng , Brigitte Voit</author></authors></contributors><titles><title>Synthesis of azobenzene-containing polymers and investigation of their substituent-dependent isomerisation behaviour</title><secondary-title>Reactive &amp; Functional Polymers </secondary-title></titles><periodical><full-title>Reactive &amp; Functional Polymers</full-title></periodical><pages>242-251</pages><volume>72</volume><section>242</section><dates><year>2012</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10].

شکل 2-4 : شماتیک حالات انتقالات برای ایزومریزاسیون حرارتی سیس-ترانس آزوبنزن
در سال 2008، یوان و همکارانش یک مطالعه دینامیک نیمه کلاسیک برروی فتوایزومریزاسیون ترانس- سیس آزوبنزن انجام دادند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Shuai Yuan</Author><Year>2008</Year><RecNum>8</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>8</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">8</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Shuai Yuan, Wei Feng Wu, Yusheng Dou, Jian She Zhao</author></authors></contributors><titles><title>Trans–cis photoisomerization of azobenzene by excitation: A semiclassical dynamics study</title><secondary-title>Chinese Chemical Letters</secondary-title></titles><periodical><full-title>Chinese Chemical Letters</full-title></periodical><pages>1379-1382</pages><volume>19</volume><section>1379</section><dates><year>2008</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11].
در مطالعه دینامیک شبیهسازی شده، گزارش شد که تشکیل ایزومر سیس به پیروی از حرکت چرخشی در اطراف پیوند N=N است ]11[.

شکل 2-5 : واریانس انرژی (a) و جمعیت الکترونی (b) مربوط به اوربتالهای HOMO و LUMO نسبت به زمان

شکل 2-6 : واریانس زوایای پیچشی CNNC(a) و زوایای پیوندی CNN (b) نسبت به زمان
در سال 1958 زیمرمن و همکارانش طیف آزوبنزن را ارائه دادند. همانطور که میتوان در شکل 2-7 دید ، ایزومر ترانس آزوبنزن یک جذب قوی در 318 نانومتر و یک جذب ضعیف در 432 نانومتر را نشان میدهد. ایزومر سیس دارای دو باند جذب است، یک جذب قوی در 260 نانومتر و یک جذب ضعیف در 440 نانومتر است. همپوشانی آشکار در جذب این دو ایزومر وجود دارد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Zimmerman.G</Author><Year>1958</Year><RecNum>20</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>20</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">20</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Zimmerman.G , Chow.L , Paik.U </author></authors></contributors><titles><secondary-title>American Chemical Society</secondary-title></titles><periodical><full-title>American Chemical Society</full-title></periodical><pages>3528-3531</pages><volume>80</volume><section>3528</section><dates><year>1958</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12].

شکل 2-7 : طیف UV/vis آزوبنزن
در سال 2009 سیمپسون و همکارانش محاسباتی درباره ایزومریزاسیون و موانع پیچش فنیل با استفاده (DFT) در سطح نظری B3LYP /6-31 + G ** در ترکیبات Aryl-X=Y- Aryl انجام دادند که در آن X,Y = C, N, P میباشد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Cather Simpsona</Author><Year>2009</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[13]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Cather Simpsona,</author><author>John L. Paytonb,</author></authors></contributors><titles><title>Twisting Fate: Ring Torsions and Photochemistry in Aryl-X=Y-Aryl Sys--s (X,Y = P, C, N)</title><secondary-title>Chemistry in New Zealand</secondary-title></titles><pages>12-17</pages><section>12</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13].

شکل2-8 : E(E-Z) Δ و موانع چرخش در پیچش پیوند دوگانه X=Y محاسبه شده در سطح نظری **B3LYP/6-31+G
X,Y = C, N, P
سیمپسون و همکارانش دریافتند که ایزومر ترانس دارای انرژی ساختار پایینتر برای هر چهار مولکول مورد مطالعه است، بنابراین پایدارترین ایزومر است. پیکربندی ترانس1و2-دیفنیل دیآزن دارای تقارن C2h است. مولکولهای Aryl-X=Y=Aryl ، حاوی فسفر مسطح نیستند. حلقه فنیل متصل به اتم فسفر بین 30 و 35 درجه برای 1و2-دیفنیل دیفسفن میچرخد. برای ایزومر ترانس- و سیس-1و2-دیفنیل دیآزن مقدار Eبه ترتیب برابر با 15.8 و 48.2 کیلو کالری بر مول است و برای ایزومر ترانس- و سیس- 1و2-دیفنیل دیفسفن مقدار Eبه ترتیب برابر با 5.5 و 38.7 کیلو کالری بر مول است. موانع چرخش در مورد پیوند دوگانه میتواند بوسیله استحکام پیوند π ، تعیین شود.. شکل 2-8 نشان میدهد که ضعیفترین پیوند π در مولکول P = P یافت میشود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Cather Simpsona</Author><Year>2009</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[13]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Cather Simpsona,</author><author>John L. Paytonb,</author></authors></contributors><titles><title>Twisting Fate: Ring Torsions and Photochemistry in Aryl-X=Y-Aryl Sys--s (X,Y = P, C, N)</title><secondary-title>Chemistry in New Zealand</secondary-title></titles><pages>12-17</pages><section>12</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13].
میزان ایزومریزاسیون حرارتی برای چند دیفسفن مشابه به صورت زیر مشاهده شده است که :
)Z → E: ∆G‡ ~20 kcal/mol at 0 °C∆ ، H‡ = 5/29 ± 4/1 kcal/mol and ∆S‡ = 38 6± cal/mol K (
آنتروپی فعالسازی نسبتاً بزرگ ممکن است به علت ازدحام فضایی باشد که توسط ایزومریزاسیون، رها میشود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Cather Simpsona</Author><Year>2009</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[13]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Cather Simpsona,</author><author>John L. Paytonb,</author></authors></contributors><titles><title>Twisting Fate: Ring Torsions and Photochemistry in Aryl-X=Y-Aryl Sys--s (X,Y = P, C, N)</title><secondary-title>Chemistry in New Zealand</secondary-title></titles><pages>12-17</pages><section>12</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13].
پیکربندی ترانس 1و2-دیفنیل دیآزن دارای تقارن C2h است. مولکولهای حاوی فسفر مسطح نیستند. حلقه فنیل متصل به اتم فسفر بین 30 و 35 درجه برای 1و2-دیفنیل دیفسفن میچرخد. انرژی ساختاری پایین این مولکولها تعادل بین مولکولی بین سیستم π کانژوگه در سراسر مولکول را منعکس میکند که همواره به سوی مسطح بودن مولکولی است، و ممانعت فضایی، پیکربندی غیر مسطح را القا میکند. این ممانعت فضایی به علت زاویه کوچک لیگاند بیشتر تشدید میشود، که در نتیجه اثر کمتر هیبریداسیون sp2  در عناصر سنگین گروه اصلی میباشد. زاویه معادل در 1و2-دیفنیل دیآزن بسیار نزدیک به 120 درجه است. انرژی در 90 τ = ، که در آن حلقه فنیل به پیوند مرکزی X = Y متعامد است، نشان میدهد که کانژوگه در سراسر مولکول و نیز برای مولکول حاوی فسفر کاهش مییابد. در دیفسفن تجربی مشخص شد، که استفاده از گروه بزرگ برای حفاظت از واکنش پذیری پیوند دوگانه منجر میشود به طیف گسترده ای از زاویه پیچش فنیل، که اکثر آنها زوایا بیشتر از 45 درجه دارند. پیکربندی الکترونی یکسان نیتروژن و فسفر نشان میدهد که ایزومریزاسیون در دیفسفن به احتمال زیاد آیینه آزوبنزن است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>M. Cather Simpsona</Author><Year>2009</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[13]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>M. Cather Simpsona,</author><author>John L. Paytonb,</author></authors></contributors><titles><title>Twisting Fate: Ring Torsions and Photochemistry in Aryl-X=Y-Aryl Sys--s (X,Y = P, C, N)</title><secondary-title>Chemistry in New Zealand</secondary-title></titles><pages>12-17</pages><section>12</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13].
در سال 2009 پنگ و همکارانش برای محاسبه سطوح انرژی پتانسیل با بهینهسازی ترکیب 1و2-دیفنیل دیفسفن، در سطح نظری نسبتاً بالای ((B3LYP/6–31+G(d,p) یک پروژه - ریسرچارائه دادند. DFT و TDDFT را برای ترکیب 1و2-دیفنیل دیفسفن به همراه مختصات کامل، در زاویای مختلف از پیچش فنیل بکار گرفتند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Huo-Lei Peng</Author><Year>2009</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Huo-Lei Peng, John L. Payton, John D. Protasiewicz, M. C. Simpson</author></authors></contributors><titles><title>Twisting the Phenyls in Aryl Diphosphenes (Ar-P=P-Ar). Significant Impact upon Lowest Energy Excited States</title><secondary-title>J Phys Chem A.</secondary-title></titles><periodical><full-title>J Phys Chem A.</full-title></periodical><pages>7054-7063</pages><volume>133</volume><number>25</number><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14]. دیفسفنها به طور معمول دو جذب بزرگ UV/vis نشان میدهند، که هر دو عمدتاً به گروه P=P اختصاص داده میشود.

شکل 2-9 : پارامترهای مهم هندسی ترانس-دیفنیل دیفسفن ((Ph-P=P-Ph در سطح ( B3LYP/6–311+G(2df,2p بهینهسازی شدهاند. مقایسه ساختارهای Mes P=P-Mes* * و Dmp-P=P-Dmp نیز فراهم شده است τ1 زاویه پیچش 3-2-1-1) ) وτ2 زاویه پیچش 3'-2'-1'-1) ) زوایای پیچش فنیل نسبت به پیوند تقریبا مسطحP = P هستند (زاویه پیچش در 2-1-1'-2' = τPP). Rpp طول پیوند P=P است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Huo-Lei Peng</Author><Year>2009</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Huo-Lei Peng, John L. Payton, John D. Protasiewicz, M. C. Simpson</author></authors></contributors><titles><title>Twisting the Phenyls in Aryl Diphosphenes (Ar-P=P-Ar). Significant Impact upon Lowest Energy Excited States</title><secondary-title>J Phys Chem A.</secondary-title></titles><periodical><full-title>J Phys Chem A.</full-title></periodical><pages>7054-7063</pages><volume>133</volume><number>25</number><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14].
در سال 2001 گیلوزو وهمکارانش ساختار الکترونی از مشتقات دیفسفن و دیآرسن را بررسی کردند. در جدول2-6 نتایج بعضی پارامترها آمده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>karinne miqueu</Author><Year>2001</Year><RecNum>21</RecNum><DisplayText>[15]</DisplayText><record><rec-number>21</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">21</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>karinne miqueu , jean-marc sotiropoulos , genevieve guillouzo . et.all</author></authors></contributors><titles><title>The electronic nature of the -Pn=Pn- derivatives (Pn=P/As)</title><secondary-title>journal of Molecular Structure</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Molecular Structure</full-title></periodical><pages>139-146</pages><volume>545</volume><section>139</section><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[15].
جدول2-6 : محاسبه پارامترهای ساختاری برای دیفسفن و دیآرسن های مختلف در سطح نظری B3LYP/6–311+G(d,p)

استپانیک و دیگر همکارانش ساختار و طیف ارتعاشی سیس و ترانس آزوبنزن را در سال 2001 بررسی کردند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>V.Stepanic</Author><Year>2001</Year><RecNum>19</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>19</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">19</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>V.Stepanic , G. Baranovic , V.Smrecki</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of Molecular Structure</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Molecular Structure</full-title></periodical><pages>89-109</pages><volume>569</volume><number>569</number><section>89</section><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16].
جدول2-7 : پارامترهای ساختاری و ممان دوقطبی برای ترانس و سیس آزوبنزن در سطح نظری B3LYP/6–311+G(d,p)

شکل2-10 و جداول 2-8 و2-9 با استفاده از محاسبات کوانتومی آغازین روش CASSCF) ) توسط آماتاتسو در سال 2009 ارائه شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Amatatsu</Author><Year>2009</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[17]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Yoshiaki Amatatsu</author></authors></contributors><titles><title>Potential Energy Surfaces for the S1 S0 Relaxation of trans-Diphenyldiphosphene in the P=P Rotation-Restricted Condition</title><secondary-title>J. Phys. Chem. A</secondary-title></titles><periodical><full-title>J. Phys. Chem. A</full-title></periodical><pages>9667-9674</pages><volume>113</volume><section>9667</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[17].

شکل2-10 : شماره گذاری اتمها و نمادهای زاویه پیوند، طول پیوند و زاویه پیچشی برای دیفنیل دیفسفن
جدول2-8 : پارامترهای مهم ساختاری بهینه شده دیفنیل دیفسفن در سطح نظری CASSCF) )

جدول2-9 : پارامترهای مهم ساختاری بهینه شده دیفنیل دیآزن در سطح نظری CASSCF) )

مطالعات خوبی درباره ایزومریزاسیون آزوبنزن توسط وانگ و همکارانش در سال 2009 انجام شد. آنها با استفاده از محاسبات مکانیک کوانتومی آغازین روش CASSCF دریافتند که ترانس آزوبنزن با تقارن C2h نسبت به سیس آزوبنزن با تقارن C2 دارای انرژی پایینتری است( 16.2 کیلوکالری بر مول). در جدول 2-10 میتوانید پارامترهای ساختاری برای RE=ER بهینه شده در سطح نظری B3LYP/6-31G(d)) ) را مشاهده کنید ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Luoxin Wang</Author><Year>2009</Year><RecNum>14</RecNum><DisplayText>[18]</DisplayText><record><rec-number>14</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">14</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Luoxin Wang, Weilin Xu , Changhai Yi, Xiaogong Wang </author></authors></contributors><titles><title>Isomerization and electronic relaxation of azobenzene after being excited to higher electronic states</title><secondary-title>Journal of Molecular Graphics and Modelling</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Molecular Graphics and Modelling</full-title></periodical><pages>792-796</pages><volume>27</volume><section>792</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[18].
جدول2-10 : پارامترهای ساختاری بهینه شده برای RE=ER محاسبه شده در سطح نظری B3LYP/6-31G(d)) )

شکل زیر هم تصویری از پارامترهای ساختاری آزوبنزن است که در سال 2009 توسط وانگ و همکارانش ارائه شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Luoxin Wang</Author><Year>2009</Year><RecNum>14</RecNum><DisplayText>[18]</DisplayText><record><rec-number>14</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">14</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Luoxin Wang, Weilin Xu , Changhai Yi, Xiaogong Wang </author></authors></contributors><titles><title>Isomerization and electronic relaxation of azobenzene after being excited to higher electronic states</title><secondary-title>Journal of Molecular Graphics and Modelling</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Molecular Graphics and Modelling</full-title></periodical><pages>792-796</pages><volume>27</volume><section>792</section><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[18].

شکل2-11 : زاویه و طول پیوند در ترانس و سیس آزوبنزن
در سال 2010 چن و سو سطوح انرژی پتانسیل واکنش حلقهزایی، مولکولهای گروه 15 Ph-E = E-Ph به 2- بورا فرروسنوفان را با استفاده از نظریه تابعی چگالی (B3LYP/LANL2DZ) مورد مطالعه قرار دادند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jian-Yi Chen</Author><Year>2010</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[19]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jian-Yi Chen , Ming-Der Su</author></authors></contributors><titles><title>Diboration of the EdE Double Bond by [2] Metallocenophanes (E=N, P, As, Sb, and Bi): A Theoretical Study</title><secondary-title>Organometallics</secondary-title></titles><periodical><full-title>Organometallics</full-title></periodical><pages>5812-5820</pages><volume>29</volume><section>5812</section><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[19]. پارامترهای هندسی کلیدی Ph-E = E-Ph برای هر دو حالت یکتایی و سه تایی به ترتیب در شکل 2-12 و 2-13 آورده شده است. علاوه بر این، محاسبه خواص فیزیکی مولکول Ph-E = E-Ph برای مقایسه با برخی از دادههای تجربی در جدول 2-11 داده شده است.

شکل 2-12 : پارامترهای ساختاری برای فرم ترانس مولکول Ph-E = E-Ph

شکل 2-13 : پارامترهای ساختاری برای فرم ترانس مولکول Ph-E = E-Ph
توافق خوبی بین نتایج محاسباتی بدست آمده این دانشمندان و دادههای تجربی وجود دارد که نشان دهنده قابل اعتماد بودن روش و نتایج است. نکته مهم اینکه ساختار ترانس همیشه ثابت شده که نسبت به ساختار سیس پایدارتر است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jian-Yi Chen</Author><Year>2010</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[19]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jian-Yi Chen , Ming-Der Su</author></authors></contributors><titles><title>Diboration of the EdE Double Bond by [2] Metallocenophanes (E=N, P, As, Sb, and Bi): A Theoretical Study</title><secondary-title>Organometallics</secondary-title></titles><periodical><full-title>Organometallics</full-title></periodical><pages>5812-5820</pages><volume>29</volume><section>5812</section><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[19].
جدول 2-11 : خواص فیریکی از جمله انرژی تفکیک پیوند، انرژی تبدیل ترانس به سیس و مقادیر طول پیوند دوگانه تجربی برای مولکول Ph-E = E-Ph

2-5 نتیجه
آنچنان که مشاهده شد، مطالعات متعدد محاسباتی درباره ترکیبات مورد نظر ما یا مشتقات مختلف دیگر از این ترکیبات گزارش شده است اما هنوز یک تصویر مناسب با استفاده ازروشهای مکانیک کوانتومی آغازین در سطح نظری B3LYP/ Def2-TZVPP و تحلیل NBO که مولکول Ph-E = E-Ph حاوی اتمهای نیتروژن، فسفر، آرسنیک و آنتیموان را بررسی نماید نشان داده نشده است. اطلاعات تجربی در مورد ایزومریزاسیون ترکیبات مورد نظر منتشر شده اما دادههای تجربی یا نظری در مورد اثرات عدم استقرار و برهمکنش دوقطبی-دوقطبی برروی خواص پیکربندی ترکیبات ما منتشر نشده است. بررسی دقیق این پژوهش، درک بهتری از تاثیر اثرات مختلفی همچون اثرات استریوالکترونی، اثرات الکترواستاتیک و اثرات فضایی در تعیین پایداری گونههای مورد نظر بالا، که تاکنون ارائه نشده است، را فراهم میکند. در اینجا، ما یک بررسی کامل برای تعیین پایداری گونههای Ph-E = E-Ph حاوی اتمهای نیتروژن، فسفر، آرسنیک و آنتیموان را گزارش میکنیم. این مطالعه میتواند نشان دهنده اطلاعات بسیار مفیدی باشد که ضمن تایید، گسترش میدهد آنچه را که درباره پایداری مولکولهای موردنظر شناخته شده است و همچنین کمک میکند تا زمینهای برای مطالعات آینده ایجاد شود.
فصل سوم
محاسبات شیمیایی
3-1- مقدمه :
در اواخر قرن هفدهم، ایساک نیوتن موفق شد مکانیک کلاسیک و قوانین حرکت اجسام ماکروسکوپی را کشف کند. در اوایل قرن بیستم فیزیکدان‌ها دریافتند که مکانیک کلاسیک از توجیه صحیح رفتار ذرات خیلی کوچک، نظیر الکترون‌ها و هستۀ اتم‌ها و مولکول‌ها عاجز است و معلوم شد که رفتار چنین ذراتی توسط مجموعه‌ای از قوانین به نام مکانیک کوانتومی توصیف می‌شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>L. N. Levine</Author><Year>1991</Year><RecNum>30</RecNum><DisplayText>[20]</DisplayText><record><rec-number>30</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">30</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author><style face="normal" font="default" size="11">L. N. Levine,</style></author></authors></contributors><titles><title><style face="italic" font="default" size="11">QuantumChemistry</style></title><secondary-title><style face="normal" font="default" size="11">Prentice, Hall</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>Prentice, Hall</full-title></periodical><dates><year><style face="normal" font="default" size="11">1991</style></year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20].
شیمی کوانتومی دانش کاربرد مکانیک کوانتومی در مسایل مربوط به شیمی است. اثر شیمی کوانتومی در تمام شاخه‌های وابسته به شیمی قابل لمس است. مثلاً دانشمندان شیمی فیزیک، مکانیک کوانتومی را به کمک مکانیک آماری در محاسبات مربوط به خواص ترمودینامیکی (مانند آنتروپی و ظرفیت حرارتی گازها)، در تفسیر طیف‌های مولکولی به منظور تأئید تجربی خواص مولکولی (مانند طول‌ها و زوایای پیوندی، گشتاورهای دوقطبی، سدهای مربوط به دوران داخلی، تفاوت‌های انرژی بین ایزومرهای همدیس)، در محاسبات نظری خواص مولکولی برای محاسبۀ خواص حالات‌ گذار در واکنش‌های شیمیایی به منظور برآورد ثابت‌های سرعت واکنش، برای فهم نیروهای بین مولکولی و بالاخره برای بررسی‌ ماهیت پیوند در جامدات به کار می‌برند. دانشمندان شیمی آلی از مکانیک کوانتومی برای برآورد پایداری‌های نسبی مولکول‌ها محاسبۀ خواص واسطه‌های واکنش، بررسی سازوکار واکنش‌های شیمیایی، پیش‌بینی میزان ترکیبات و تحلیل طیف‌ها استفاده می‌کنند. دانشمندان شیمی تجزیه، به صورتی گسترده از روش‌های طیف سنجی کمک می‌گیرند. شدت و فرکانس‌های خطوط طیفی، تشابه کمک مکانیک کوانتومی قابل فهم و تفسیر هستند.
دانشمندان شیمی معدنی از نظریه میدان لیگاند که یک روش تقریبی مکانیک کوانتومی است، در توضیح خواص یون‌های مرکب فلزات واسطه سود می‌برند.
3-2-محاسبات شیمیایی
شیمی محاسباتی شاخه‌ای از شیمی نظری است که می‌تواند ساختار، انرژی‌ و دیگر خصوصیات شناخته شده یا نشده مولکول‌ها را پیشگویی کند. برای انجام محاسبات باید از کامپیوترهای رقمی استفاده نمود که سیستم‌های شیمیایی را شبیه‌سازی می‌نمایند. از طرف دیگر تمام روش‌های محاسباتی برای مطالعه‌ی یک مولکول مناسب نمی‌باشد. پس در ابتدا باید یک روش نظری مناسب را برای مطالعۀ یک مولکول انتخاب نمود. در شیمی محاسباتی، سیستم‌هایی که به طور دقیق قابل حل می‌باشند، عبارتند از سیستم‌های تک ذره‌ای یا دو ذره‌ای که سیستم دو ذره‌ای با استفاده از دستگاه مختصات مرکز جرم می‌تواند به دو مسئله تک ذره‌ای تبدیل شود. در مورد سیستم‌های چند ذره‌ای محاسبات ریاضی بسیار پیچیده و طولانی موردنیاز است. قبل از اختراع کامپیوتر، تعداد سیستم‌هایی که با دقت بالا قابل حل بودند، انگشت شمار بود. هم‌اکنون کامپیوتر در بسیاری از شاخه‌های علوم به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. در نتیجه شاخه‌ای جدید از شیمی به نام شیمی محاسباتی که در آن کامپیوتر به عنوان یک وسیلۀ تجربی مانند طیف نگار NMR، IR مربوط به مسایل شیمیایی است. به طورکلی روش‌های محاسباتی که برای مطالعه مکانیسم واکنش‌ها، پایداری ترمودینامیکی، ساختار و خواص مولکولی، از قبیل انرژی، طول پیوند و زاویه پیوندی به کار ‌رود، شامل دو روش اصلی مکانیک مولکولی (کلاسیک)1 و مکانیک کوانتومی می‌باشد.
3-2-1- روش‌های محاسباتی براساس مکانیک کلاسیکپایه و اساس این محاسبات، روش‌های مکانیک نیوتن است. در این روش‌ها قوانینی مانند قانون هوک مورد استفاده قرار می‌گیرد. از جمله این روش‌ها، روش تجربی میدان نیرو1(EFF) (مکانیک مولکولی نیز نامیده می‌شود) می‌باشد. روش مذکور از الگوی یک مولکول که در آن اتم‌ها توسط پیوندها به هم دیگر متصلند شروع می‌شود. برای برهم‌کنش بین اتم‌های ناپیوندی نیز سهمی منظور می‌شود. این روش‌ها توسط وستهایمر، هندریکسون، وایبرگ، الینر، وارشل و دیگران توسعه یافت.
انرژی الکترونی مولکولی U، به صورت زیر نوشته می‌شود:
(3-1)
که به ترتیب شامل انرژی کشش پیوند، انرژی خمشی پیوند و انرژی برهم‌کنش واندروالس و انرژی پیچشی می‌باشد. در روش MMP2 انرژی کشش پیوند به صورت تابع درجه دومی از تغییر هریک از طول‌های پیوند از طول تعادلی پیش‌بینی شده به صورت تعریف می‌شود:
(3-2)
که در آن ثابت نیرو برای کشش پیوند، i است.
در مورد یک جابجایی جزیی هسته‌ها از مواضع تعادلیشان، U به طور تقریبی یک تابع درجه دومی از است. انرژی خمشی پیوندبه صورت زیر در نظر گرفته می‌شود:
(3-3)
در رابطۀ فوق،، به ترتیب مبین زاویۀ موجود، زاویه تعادلی مورد انتظار و ثابت نیروی خمشی برای زاویۀ پیوندی i است. طول‌ها و زوایای مورد انتظار و عبارت از کمیت‌های انتخاب شده از هندسه‌های تعادلی معین، برای مولکول‌های کوچک آزادند (مثلاً طول‌های نوعی پیوند یگانه کربن- کربن برابر 53/1آنگستروم است). انرژی برهم‌کنش واندروالسی به صورت مجموع برهم‌کنش‌های بین زوج اتم‌های ناپیوندی بیان می‌شود. انرژی برهم‌کنش واندروالس به صورت زیر تعریف می‌شود:
(3-4)
مقدار انرژی واندروالسی به فاصلۀ مابین اتم‌ها بستگی دارد، از رابطۀ فوق زمانی استفاده می‌شود که باشد. در رابطۀ فوق r فاصلۀ مابین اتمی، مجموع شعاع واندروالسی دو اتم را نشان می‌دهد. به عنوان ثابت انرژی برای یک زوج اتم از رابطه
(3-5)
به دست می‌آید. و پارامترهای مربوط به سختی هر اتم می‌باشد. بنابراین برای دو اتم از یک نوع است. زمانی که باشد، معادله مربوط به انرژی واندروالسی به صورت زیر است:
(3-6)
عبارت مربوط به انرژی پیچشی به صورت زیر است:
(3-7)
که در آن ، و سدهای انرژی بوده و زاویۀ پیچش حول پیوند مشخص شده است. لازم به ذکر است که اگر مولکول دارای یک یا چند حلقه کوچک باشد، به منظور دخالت دادن کرنش فضایی حاصل، جملات دیگری اضافه می‌شوند. اگر مولکول دارای گروه‌های قطبی باشد، برای نمایش برهم‌کنش‌های الکتروستاتیکی بین این گروه‌ها، جملاتی اضافه می‌شود.
علاوه بر این‌، در مورد ترکیبات آروماتیکی، اطلاعاتی از قبیل مراتب پیوندهای ناشی از محاسبات مکانیک کوانتومی الکترون نیز شرکت می‌کنند. اگر پیوندهای هیدروژنی درون مولکولی وجود داشته باشد برای آن نیز جملاتی منظور می‌شود. چون تابع انرژی پتانسیلU برای ارتعاش مولکولی تولید می‌شود، لذا می‌توان روش EFF را به منظور محاسبه فرکانس‌های ارتعاشی مولکول به کار برد. توجه داشته باشید که تراز انرژی صفر به صورتی انتخاب می‌شود که با همه طول‌ها و زوایای پیوندی دارای مقادیر متداول و متناظر بوده و در آن برهم‌کنش‌های واندروالس ناپیوندی و یا برهم‌کنش‌های دورانی داخلی مطرح نباشد. در یک چنین حالت فرضی به خوبی می‌توان انرژی مولکولی را به صورت مجموعه‌ای از انرژی‌های پیوند تجربی تقریب کرد. به منظور اعمال روشEFF، داشتن داده‌های کافی برای انتخاب مقادیر پارامترها، ضروری است. از این رو، اغلب کاربردهای روش مزبور، در مورد هیدروکربن‌ها بوده است. مولکول‌های شامل گروه‌های قطبی منزوی نیز به راحتی از این طریق بررسی می‌شوند.
هم چنین با توجه به این که روش مذکور برای حالت پایۀ مولکول‌ها فرمول‌بندی شده‌اند، نمی‌تواند وضعیت‌های هندسی را که شامل فرایند شکستن یا گسستن پیوند می‌باشد را تعیین نماید. با این حال روش مکانیک مولکولی، برای محاسبه پایداری نسبی ساختارهای مولکولی مفید است زیرا محاسبات مربوط به آن مثل محاسبات اوربیتال مولکولی وقت‌گیر نیست و برای مطالعه مولکــول‌های نسبتاً بزرگ آلی مناسب می‌باشد.
تحقیـقات وسیعی در این زمیــنه توسط کولمـن1انجام شـده است که به نام روش AMBER 4.0 معروف است.
3-2-2- روش‌های محاسباتی براساس مکانیک کوانتومی
اساس محاسبات مکانیک کوانتومی نظریه اوربیتال مولکولی می‌باشد که از تقریب اوربیتال مولکولی هارتری فاک11استفاده می‌شود. از میان روش‌های مکانیک کوانتومی می‌توان به معادله موجی شرودینگر22، نمایش برداری دیراک33، جوردان44 و محاسبات ماتریسی هایزنبرگ55و بورن66اشاره کرد.
از میان روش‌های مذکور، نمایش‌برداری دیراک روش گسترش یافته‌تری در مقایسه با روش‌های دیگر است. معادله موجی شرودینگر از میان روش‌های فوق، شناخته شده‌تر می‌باشد. به همین دلیل در اکثر مسایل شیمیایی با حدس هامیلتونی واقعی7و تابع موج واقعی معادله شرودینگر حل می‌شود.
(3-8)
که در آنعملگر هامیلتونی، تابع موج و E انرژی تابع موج است. روش‌های محاسباتی مکانیک کوانتومی گستردگی بسیاری دارد، و شامل روش‌های ساده و پیچیده می‌باشد. از روش‌های محاسباتی ساده می‌توان نظریه هوکل را نام برد، که در آنها الکترون‌های لایه ظرفیت در نظر گرفته می‌شود و از روش‌های پیچیده، روش محاسباتی آغازین را می توان نام برد.
در حد فاصل روش‌های فوق روشهای نیمه تجربی قرار دارند، که هریک از آنها نیز روش‌های مختلفی را در بر می‌گیرند. اما وجه اشتراک تمام این روش‌ها این است که با استفاده از گرادیان انرژی ساختار مولکول را بهینه می‌کنند، یعنی یک مولکول با مناسب‌ترین پیکربندی و کمترین مقدار انرژی به دست می‌آید. علاوه بر این‌ها روش دیگری به نام روش دینامیک مولکولی وجود دارد که با استفاده از معادلات نیوتنی رفتار سیستم‌های فیزیکی را شبیه‌سازی می‌کند.
تفسیر واکنش شیمیایی براساس برهم‌کنش‌های بین اتم‌ها و مولکول‌ها دینامیک شیمیایی نامیده می‌شود. با پیشرفت این علم امیدی در دل شیمیدانان زنده می‌شود، که دیگر مجبور نخواهند بود نظاره‌گر آن باشند که واکنش شیمیایی چه محصولی برای او تولید می‌کند، بلکه می‌توانند به کمک دینامیک مولکولی، واکنش را به سوی تولید محصول دلخواه سوق ‌دهند.
با توجه به مطالب ذکر شده روش‌های محاسبات مکانیک کوانتومی به دو دسته تقسیم‌بندی می‌شود:
روش نیمه تجربی11
روش آغازین22
3-2-2-1- روش‌های نیمه تجربی
اگر در حل معادله شرودینگر به جای برخی انتگرال‌ها جواب آنها را قرار دهیم یا از بعضی از انتگرال‌ها که سهم ناچیزی در جواب معادله دارند صرف نظر کنیم، به این ترتیب تعداد انتگرال‌هایی که باید حل شوند کم شده و زمان لازم برای رسیدن به ساختار بهینه کمتر می‌شود. به این روش که حل معادله‌ی شرودینگر در آن با تقریب حل می‌شود روش‌های نیمه تجربی گویند.
روش‌های نیمه تجربی دو هدف را دنبال می کنند:
اختار حاصل از این محاسبه با روش‌های تجربی یکسان باشد. به این نوع روش‌ها، روش مکتب دوار3گویند.
ممکن است هدف این باشد که ساختار حاصل از این روش به ساختار حاصل از روش آغازین نزدیک باشد. به این روش، روش مکتب پاپل4گویند.
روش‌های نیمه تجربی معرفی شده به صورت زیر هستند:
1- روش اوربیتال مولکولی الکترون آزاد(FEMO)
2- روش اوربیتال مولکولی هوکل(HMO)
3- روش پار، پاپل، پاریزر(PPP) 4- روش گسترش یافته هوکل(EHMO) 5- روش چشم‌پوشی کامل از هم‌پوشی دیفرانسیلی دو اتمی(CNDO)
6- روش چشم‌پوشی متوسط از هم‌پوشی دیفرانسیلی دو اتمی(INDO)
7- INDO عمود شده متقارن(SINDO)
8- روش برهم‌کنش پیکربندی اغتشاشی با استفاده از اوربیتال‌های متمرکز(PCILO)
9- روش چشم‌پوشی از هم‌پوشی دیفرانسیلی دو اتمی (NDDO)
10- روش ابقاء جزئی هم‌پوشانی دیفرانسیلی دو اتمی(PRDDO)
11- روش اصلاح شده چشم‌پوشی متوسط از هم‌پوشانی دیفرانسیلی(MINDD)
12- روش اصلاح شده چشم‌پوشی از هم‌پوشانی دیفرانسیلی دو اتمی(MINDO)
13- روش تصحیح شده (AM1) MNDO
14- روش تصحیح شده (PM3) AM1
3-2-2-2 -روش‌های مکانیک کوانتومی آغازین
از این روش برای بررسی مولکول‌های کوچک استفاده می‌شود که یکی از معتبرترین روش‌های موجود می‌باشد که در آن تعداد بسیار محدودی تقریب استفاده شده است. این روش نسبت به روش‌های دیگر از ویژگی خاصی برخوردار است و آن این است که پیش‌بینی‌های آن براساس اصول اولیه کوانتومی نظیر ثابت‌های اساسی، سرعت نور، بار الکترون و ثابت پلانک بیان شده است.در این روش با حل معادله شرودینگر به انتگرال‌های روتان12می‌رسیم (روتان اولین کسی بود که به جای اوربیتال‌ها استفاده از توابع پایه را بنا نهاده است)، اگر تمام این انتگرال‌های چند الکترونی- چندمرکزی را حل کرده و بدون هیچ نوع دستکاری و تقریب به جواب برسیم، با (Ab initio) عمل کرده‌ایم.
در این روش از عملگر هامیلتونی استفاده می‌شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>L. N. Levine</Author><Year>1991</Year><RecNum>30</RecNum><DisplayText>[20]</DisplayText><record><rec-number>30</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="9ztwdxst2a55f2ep9ztvww0q2xzf20tesp0e">30</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author><style face="normal" font="default" size="11">L. N. Levine,</style></author></authors></contributors><titles><title><style face="italic" font="default" size="11">QuantumChemistry</style></title><secondary-title><style face="normal" font="default" size="11">Prentice, Hall</style></secondary-title></titles><periodical><full-title>Prentice, Hall</full-title></periodical><dates><year><style face="normal" font="default" size="11">1991</style></year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20] .عبارت Ab initio بیانگر روش پیچیده برای حل اوربیتال‌های مولکولی بر مبنای اصول اولیه می‌باشد. در روش آغازین انتگرال‌ها را پارامتر ثابت در نظر نمی‌گیرند و باید حل شوند که این امر امکان‌پذیر نمی‌باشند. در این روش با اینکه فرضیات ساده‌ای در نظر گرفته می‌شود، اما به جواب‌های دقیق می‌توان دست یافت و با توجه به اینکه به زمان محاسباتی زیادی نیاز دارد، بیشتر برای مولکول‌های کوچک به کار می‌رود.
(3-9)
مشخصه هسته i و j مشخصه الکترون می‌باشد.
روش‌های آغازین در میان دیگر روش‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند. تعیین توابع موج الکترونی دقیق برای مولکول‌ها کار دشواری است. با روش‌های آغازین می‌توان الگوی مناسبی را برای توابع موج الکترونیکی مولکول انتخاب کرده، و محاسبات را بدون تقریب‌های بیشتر یا داده‌های تجربی انجام داد. بنابراین در محاسبات آغازین تقریب براساس الگو قرار می‌گیرد. این امر به وضوح بر اعتبار نتایج حاصل، تأثیرگذار خواهد بود. به طوری که انتخاب نامناسب الگو منجر به نتایج ناصحیح و گمراه‌کننده می‌شود.
3-3-تقریب بورن اپنهایمر1خواص شیمیایی اتم‌ها و مولکول‌ها به کمک ساختار الکترونی آن‌ها تعیین می‌شود. الکترون‌ها بسیار سبکتر از هسته‌ها هستند و در اکثر مسائل ساختار مولکولی می‌توان حرکت الکترونی و هسته‌ای را به طور جداگانه بررسی کرد. الکترون‌ها بسیار سریعتر از هسته‌ها حرکت می‌کنند و می‌توان تصور کرد که الکترون‌ها ذاتاً یک پتانسیل استاتیکی را به واسطه هسته‌ها تجربه می‌کنند. به عبارت دیگر، ملاحظه می‌شود که هسته‌ها در معرض پتانسیل متوسطی به واسطۀ الکترون‌ها قرار دارند. این مطلب اساس جداسازی بورن- اپنهایمر است که در آن برای یک مولکول معادله شرودینگر کلی که حرکات الکترون‌ها و هسته‌ها را توصیف می‌کند، به دو معادلۀ مجزا برای الکترون‌ها و هسته‌ها تبدیل می‌شود. اگر هسته‌ها و الکترون‌ها را به صورت نقاط مادی در نظر بگیریم در این صورت هامیلتونی مولکول به صورت زیر است :
(3-10)
که در آن و مشخصه‌های هسته و و مشخصه‌های الکترون‌ها هستند. جمله اول موجود در معادلۀ بالا عملگر انرژی جنبشی هسته‌ها، جمله دوم مربوط به عملگر به انرژی جنبشی الکترون‌ها و جمله سوم مربوط به دافعۀ بین هسته‌ها است که در آن ، فاصلۀ بین هسته‌های و با اعداد اتمی را بیان می‌کند. جمله چهارم، بیانگر جاذبه بین الکترون‌ها و هسته‌ها است که در آن فاصلۀ بین الکترون i و هسته را نشان می‌دهد و در نهایت آخرین جمله دافعه بین الکترون‌هاست که در آن ، بیانگر فاصله بین الکترون‌های i و j است. معادلۀ شرودینگر کل را می‌توان به صورت عبارت (3-52) نوشت:
(3-11)
که در اینجا و عملگرهای انرژی جنبشی برای هسته‌ها و الکترون‌ها (به ترتیب در موقعیت‌های R و r نسبت به مرکز جرم) می‌باشد. جملات انرژی پتانسیل انرژی پتانسیل الکترواستاتیکی ناشی از برهم‌کنش‌های هسته-هسته، الکترون- هسته و الکترون- الکترون هستند. اگر حرکات هسته و الکترون‌ها قابل جدا کردن باشند، می‌توان تابع موج کل را به صورت توابع موج الکترونی و هسته‌ای نوشت:
(3-12)
تابع موج الکترونی ز لحاظ پارامتری به پیکربندی هسته‌ای (R) بستگی دارد و جوابی برای معادلۀ الکترونی شرودینگر محسوب می‌شود.

–393

6- نام دانشکده: دانشکده شیمی دارویی
7- نام استاد راهنمای اول: محمود
8- نام خانوادگی استاد راهنمای اول: میرزایی
9- شماره شناسایی استاد راهنمای اول:
10- مرتبه علمی استاد راهنمای اول: 1) استادیار 2) دانشیار FORMCHECKBOX 3) استاد FORMCHECKBOX
11- شماره دانشجویی دانشجو: 900788819
12- نام دانشجو: ساجد
13- نام خانوادگی دانشجو: پاک
14- تاریخ تصویب پایان‌نامه: 14/8/1392
15- تاریخ دفاعیه: 29/2/1393 28- نمره پایان‌نامه: 65/17
« فرم ارائه چکیده پژوهش یا رساله »
عنوان رساله یا پژوهش: مطالعه تشکیل نانو ترکیبات پرانرژی 2و 22 بی 1 هیدروژن ایمیدازول با روشهای محاسباتی
نام خانوادگی دانشجو: پاک نام: ساجد مقطع : کارشناسی ارشد تاریخ دفاع:29/2/1393 نمره دفاع: 65/17
گروه علمی:
علوم پزشکی 
علوم انسانی 
علوم پایه
فنی و مهندسی 
کشاورزی 
هنر 

رشته تحصیلی:
رشته تحصیلی:
رشته تحصیلی: شیمی
رشته تحصیلی:
رشته تحصیلی:
رشته تحصیلی:
گرایش:
گرایش:
گرایش: کاربردی
گرایش:
گرایش:
گرایش:
نام خانوادگی استاد راهنما (1): میرزایی
نام خانوادگی استاد راهنما (2):
نام خانوادگی استاد مشاور(1):
نام خانوادگی استاد مشاور(2):
نام: محمود
نام:
نام:
نام:
رتبه دانشگاهی: استادیار
رتبه دانشگاهی:
رتبه دانشگاهی:
رتبه دانشگاهی:
رشته تحصیلی: شیمی - فیزیک
رشته تحصیلی:
رشته تحصیلی:
رشته تحصیلی:
چکیده فارسی پژوهش یا رساله ( شامل: خلاصه اهداف، روش‌های اجرا و نتایج به دست آمده ـ حداکثر در 10 سطر):
اولین بار احتمال دستکاری ماده در سطح نانو توسط ریچارد فاینمن بصورت نوشته شده مطرح شد.کسی که در طول کنفرانس خود به نام " There`s plenty of room at the bottom " استفاده از بلوکهای اتمی برای تجمع در سطح مولکولی را شرح داد. نانولولههای کربنی سامانههای نانوی منحصر به فرد با خصوصیات مکانیکی و الکترونیکی فوق العاده هستند که از ساختار مولکولی غیرمعمول آنها سرچشمه میگیرد.در این تحقیق از ترکیب Bi H Imidazole به عنوان ترکیب مرجع استفاده شده است ، که با قرار دادن نانولوله کربن به همراه پروپان در موقعیت های مختلف مولکول مرجع خواص ترمودینامیکی آنها مورد بررسی قرار میگیرد. که این خواص شامل انرژی،HOMO,LUMO انتالپی ،ممان دوقطبی و دیگر خواص مهم است. و از شیمی محاسباتی برای تعیین پارامتر های مختلف استفاده می شود. ودر آخر تاثیر استخلافهای CNT PR بر مولکول مرجع با هم مقایسه می شود.
اهداف علمی : گسترش مرزهای دانش در حوزه نانوترکیبات پرانرژی
اهداف کاربردی : بهره گیری از نانو ساختارها در بهره وری پر انرژی از آنها

فرم تعهد نامه اصالت رساله یا پژوهش
اینجانب ساجد پاک دانش آموخته مقطع کارشناسی ارشد ناپیوسته رشته شیمی گرایش کاربردی که در تاریخ 29/2/1393 از پایان نامه خودباعنوان مطالعه تشکیل نانوترکیبات پرانرژی 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول با روش‌های محاسباتی با کسب نمره 17.65 و درجه ............... دفاع نموده ام ،بدین وسیله متعهد می شوم:
این پژوهش حاصل تحقیق و پژوهش انجام شده توسط اینجانب بوده ودر مواردی که از دستاوردهای علمی وپژوهشی دیگران (اعم از پژوهش ،کتاب ،وپروژه - ریسرچو...) استفاده نموده ام ، مطابق ضوابط و رویه موجود ، نام منبع مورد استفاده وسایر مشخصات آن را در فهرست مربوطه ذکر ودرج کرده ام.
این پژوهش قبلا برای دریافت هیچ مدرک تحصیلی (هم سطح، پایین تر یا بالاتر)در سایر دانشگاهها وموسسات عالی ارائه نشده است.
چنانچه بعد از فراغت از تحصیل ، قصد استفاده یا هر گونه بهره برداری اعم از چاپ کتاب ، ثبت واختراع و... از این پژوهش را داشته باشم ، از حوزه معاونت پژوهشی واحد مجوز های مربوطه را اخذ نمایم.
چنانچه در هر مقطع زمانی خلاف موارد فوق ثابت شود ، عواقب ناشی از آن را می پذیرم و واحد دانشگاهی مجاز است با اینجانب مطابق با ضوابط ومقررات رفتار نموده ودر صورت ابطال مدرک تحصیلی ام هیچگونه ادعایی نخواهم داشت.

نام و نام خانوادگی:
تاریخ و امضاء:
فهرست مطالب
عنوان صفحه
چکیده فارسی ......................................................................................................................................................... 1
مقدمه ..................................................................................................................................................................... 2
فصل اول :کلیات
1-1- مباحث بنیادی ........................................................................................................................................................................ 4
1-1-1- تاریخچه نانو فناوری ......................................................................................................................................................... 4
1-1-2- تعریف .................................................................................................................................................................................. 4
1-1-3- سرمایه گذاری ................................................................................................................................................................... 4
1-2- نانو لوله های کربنی ............................................................................................................................................................... 5
1-2-1- زمینه تاریخی .................................................................................................................................................................... 6
1-3- ایمیدازول ............................................................................................................................................................................ 9
1-3-1- تعریف ............................................................................................................................................................................... 9
1-4- خواص فیزیکی ایمیدازول ها ........................................................................................................................................... 11
1-4-1- نقطه ذوب و جوش ...................................................................................................................................................... 11
1-4-2- حلالیت ........................................................................................................................................................................... 13
1-4-3- ویسکوزیته ................................................................................................................................................................... 15
1-4-4- ممان دوقطبی ............................................................................................................................................................... 16
1-4-5- خواص فیزیکی مختلف ................................................................................................................................................ 17
1-5- خواص شیمیایی ایمیدازول ها ....................................................................................................................................... 18
1-5-1- قدرت پایه ای ............................................................................................................................................................... 18
1-5-2- خاصیت شبه اسیدی ................................................................................................................................................... 20
1-5-3- پایداری شیمیایی و خاصیت آروماتیکی ................................................................................................................ 21
فصل دوم : مروری بر متون گذشته
2-1- شیمی محاسباتی ............................................................................................................................................................... 24
2-2- روش های محاسباتی ......................................................................................................................................................... 25
2-2-1- روش های محاسباتی آغازین ....................................................................................................................................... 26
2-2-1-1- روش میدان خودسازگار هارتری- فاک ................................................................................................................ 26
2-2-1-2- نظریه اختلال مولر- پلست ..................................................................................................................................... 26
2-2-1-3- روش های نیمه تجربی .......................................................................................................................................... 27
2-2-1-4- روش محاسباتی مکانیک مولکولی ........................................................................................................................ 27
2-3- نظریه تابعی چگالی ............................................................................................................................................................ 28
2-4- سری پایه ............................................................................................................................................................................. 29
2-5- نرم افزار های مورد استفاده .............................................................................................................................................. 31
2-5-1- نرم افزار گوسین ............................................................................................................................................................. 31
2-5-2- نرم افزار های هایپرکم و گووس ویو ...................................................................................................................... 33
فصل سوم : روش های پژوهش
3-1- توضیحاتی درباره ی روش محاسبات ............................................................................................................................ 35
3-2- مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول ............................................................................................................................... 36
3-3- مولکول CNT-PR ........................................................................................................................................................... 39
3-4- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف ............................................................................................... 43
CNT-PR در موقعیت کربن R2
3-5- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف ............................................................................................... 47
CNT-PRدر موقعیت کربن R4
3-6- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف ................................................................................................. 51
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
3-7- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف .................................................................................................. 57
CNT-PR در موقعیت کربنR2 و R3
3-8- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف ................................................................................................ 63
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R4
3-9- مولکول 2و 2َ بی هیدروژن ایمیدازول با سه استخلاف .............................................................................................. 69
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2 و R3وHG7251
3-10- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با سه استخلاف ............................................................................................. 75
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R3 و R4
3-11- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با چهار استخلاف ......................................................................................... 81
CNT-PR در موقعیت کربن R1 و R2 و R3 و R4
فصل چهارم : نتایج و مشاهدات
4-1- روش بدست آوردن خواص ترمودینامیکی مورد نظر ................................................................................................. 89
4-2- : تشریح ساختار مدلها، مقادیر انرژی، آنتالپی واکنش، بار مولیکن، ................................................................. 90
همسانگرد و نا همسانگرد، δ و Cq بدست آمده
فصل پنجم : بحث و نتیجه گیری
5-1- بررسی انرژی های تشکیل بهینه شده .......................................................................................................................... 97
5-2- بررسی گپ انرژی هومو – لومو ........................................................................................................................................ 98
5-3-بررسی ممان دوقطبی ......................................................................................................................................................... 99
5-4-بررسی آنتالپی واکنش .................................................................................................................................................... 100
5-5- بررسی بار مولیکن ......................................................................................................................................................... 101
5-6- بررسی پوشش شیمیایی همسانگرد و نا همسانگرد .................................................................................................. 102
5-7- بررسی ثابت جفت شدگی چهار قطبی هسته Cq ................................................................................................... 105
5-8- بررسی تغییر مکان شیمیایی δ .................................................................................................................................... 106
5-9-نتیجه گیری ...................................................................................................................................................................... 108
منابع .............................................................................................................................................................................................. 109
چکیده انگلیسی ....................................................................................................................................................................... 112
فهرست جداول
عنوان صفحه
جدول 1-1- دمای جوش ترکیبات هتروسیکل پنج عضوی ................................................................................................ 12
جدول 1-2- دمای جوش ایمیدازول با استخلافهای مختلف ................................................................................................ 12
جدول 1-3- دمای ذوب تعدادی از ترکیبات ایمیدازول با استخلافهای مختلف .............................................................. 13
جدول 1-4- حلالیت 4یا5 متیل ایمیدازول در بنزن ............................................................................................................. 14
جدول 1-5- مقادیر کمی حلالیت ایمیدازول در بنزن و دیو اکسان .................................................................................. 14
جدول 1-6- ویسکوزیته محلول بنزن، ایمیدازول و 4 یا 5 متیل ایمیدازول ................................................................. 15
جدول 1-7- ممان دوقطبی برای برخی ترکیبات ایمیدازولها .............................................................................................. 16
در حلالهای مختلف بر حسب دبای
جدول 1-8- ممان دوقطبی ایمیدازول در غلظتهای مختلف بر حسب دبای .................................................................... 16
جدول 1-9- دانسیته، ضریب شکست و مولار حالت انکسار مشتقات ................................................................................ 17
ایمیدازول در دماهای مختلف
جدول 1-10- کشش سطحی مشتقات ایمیدازول در دماهای مختلف .............................................................................. 18
جدول 1-11- گرمای ذوب و گرمای محلول مشتقات ایمیدازول ....................................................................................... 18
در بنزن محلول در غلظت های مختلف
جدول 1-12 نقطه ذوب تعدادی از نمکهای ایمیدازول ........................................................................................................ 18
جدول 1-13 قدرت پایه ای تعدادی از ایمیدازولها ............................................................................................................... 19
جدول 3-1 استخلافهای CNT-PR در موقعیت های مختلف ....................................................................................... 36
در مولکول 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول
جدول 3-2-1- مقادیر انرژی مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول بدون گروه عاملی ................................................... 37
جدول 3-2-2- بار مولیکن برای تک تک اتم های 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول ............................................................ 37
جدول 3-2-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک .................................................................................................. 38
تک اتم های 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول
جدول 3-2-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول ........................................................................................ 38
2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول
جدول 3-3-1- مقادیر انرژی مولکول CNT-PR ............................................................................................................. 39
جدول 3-3-2- : بار مولیکن تک تک اتم های مولکول CNT-PR ............................................................................... 40
جدول 3-3-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتم های ......................................................................... 41
مولکول CNT-PR
جدول 3-3-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول CNT-PR ............................................................ 42
جدول 3-4-1- : مقادیر انرژی مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول ............................................................................... 44
با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2
جدول 3-4-2- : مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن .................................................... 44
ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2
جدول 3-4-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول ............................................................ 45
2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR2
جدول 3-4-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ......................................................... 46
ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R2
جدول 3-5-1- مقادیر انرژی مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با ............................................................................. 47
یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R4
جدول 3-5-2- مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن........................................................ 48
ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربنR4
جدول 3-5-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول ............................................................ 49
2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR4
جدول 3-5-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ........................................................... 50
ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR4
جدول 3-6-1- مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با ..................................................................... 51
دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
جدول 3-6-2- مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ....................................................... 52
ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربنR1 و R2
جدول 3-6-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی ................................................ 53
هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
جدول 3-6-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ......................................................... 55
ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
جدول 3-7-1- مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو ............................................................... 57
استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR2 و R3
جدول 3-7-2- : مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ..................................................... 58
ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2 و R3
جدول 3-7-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی ................................................ 59
هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R2 و R3
جدول 3-7-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ......................................................... 61
ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR3 و R2
جدول 3-8-1- مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو ................................................................. 63
استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R4
جدول 3-8-2- مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای ملکول مولکول 2و2َبی .......................................................... 64
هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R4
جدول 3-8-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی ................................................ 65
هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R4
جدول 3-8-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ......................................................... 67
ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R4
جدول 3-9-1- مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با سه استخلاف ............................................. 69
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2 و R3
جدول 3-9-2- مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی هیدروژن .................................................... 70
ایمیدازول با سه استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2 و R3
جدول 3-9-3- مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی ............................................. 71
هیدروژن ایمیدازول با سه استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2 و R3
جدول 3-9-4- مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ......................................................... 73
ایمیدازول با سه استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2 و R3
جدول 3-10-1- مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با سه .......................................................... 75
استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R3 و R4
جدول 3-10-2- مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی هیدروژن .................................................. 76
ایمیدازول با سه استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R3 و R4
جدول 3-10-3- مقادیر همسانگرد و نا همسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی .......................................... 77
هیدروژن ایمیدازول با سه استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R3 و R4
جدول 3-10-4- مقادیر δ و Cq برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی هیدروژن ........................................................ 79
ایمیدازول با سه استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R3 و R4
جدول 3-11-1- مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با .................................................................. 81
چهار استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R1 و R2 و R3 و R4
جدول 3-11-2- مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی هیدروژن .................................................. 82
ایمیدازول با چهار استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R1 و R2 و R3 و R4
جدول 3-11-3- مقادیر همسانگرد و نا همسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی .......................................... 84
هیدروژن ایمیدازول با چهار استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R1 و R2 و R3 و R4
جدول 3-11-4- مقادیر δ و Cq برای تک تک اتمهای مولکول 2و2َبی هیدروژن ....................................................... 86
ایمیدازول با چهار استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R1 و R2 و R3 و R4
فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل 1-1- رول شدن ورق گرافن و تبدیل آن به نانولوله ....................................................................................................... 5
شکل 1-2- انواع مختلف از نانو ساختارها .................................................................................................................................. 6
شکل 1-3- بسته شدن انتهای نانولوله ها به وسیله ی کلاهک .............................................................................................. 7
شکل 1-4- انواع نانولولهها از نظر کایرالیتی .............................................................................................................................. 8
شکل 1-5- زوایای مربوط به جهت رول شدن ورقه ی گرافن برای تشکیل نانولوله ........................................................ 8
شکل 1-6- ایمیدازول ..................................................................................................................................................................... 9
شکل 1-7- توتومری شدن ......................................................................................................................................................... 10
شکل 1-8- حالتهای مختلف از استخلافهای قرار گرفته در موقعیت های 4و5 ............................................................. 10
شکل 1-9- حالت های مختلف از استخلافها بر روی آمین ................................................................................................. 11
شکل 1-10- اثر کانژوگاسیون ................................................................................................................................................... 19
شکل 1-11- قرار گرفتن گروه نیترو در موقعیت های مختلف و تاثیر بر قدرت پایه ای .............................................. 20
شکل 1-12- ساختار کلی نمک ایمیدازول با فلزات ............................................................................................................. 21
شکل 1-13- هیدروژناسیون حلقه بنزن .................................................................................................................................. 22
شکل 3-1- نانو لوله کربن به همراه پروپان و 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول ................................................................ 35
شکل 3-2- مولکول 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول ............................................................................................................. 36
شکل 3-3- CNT به همراه پروپان ....................................................................................................................................... 39
شکل 3-4- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف ................................................................................... 43
CNT-PRدر موقعیت کربن R2
شکل 3-5- مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR ........................................................... 47
در موقعیت کربن R4
شکل 3-6- مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف ........................................................................................ 51
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
شکل 3-7- مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف ...................................................................................... 57
CNT-PR در موقعیت کربن R2 و R3شکل 3-8- مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف ....................................................................................... 63
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R4
شکل 3-9- مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با سه استخلاف ..................................................................................... 69
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2 و R3
شکل 3-10- مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با سه استخلاف .................................................................................. 75
CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R3 و R4
شکل 3-11- . مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با چهار استخلاف ............................................................................ 81
CNT-PR در موقعیت کربن R1 و R2 و R3 و R4
فهرست نمودارها
عنوان صفحه
نمودار 5-1- انرژی تشکیل بهینه شده برای مدل های مورد مطالعه .............................................................................. 97
نمودار 5-2- بررسی گپ انرژی هومو – لومو برای مدل های مورد مطالعه ................................................................... 98
نمودار 5-3- بررسی ممان دوقطبی برای مدل های مورد مطالعه .................................................................................... 99
نمودار 5-4- بررسی آنتالپی واکنش برای مدل های مورد مطالعه ................................................................................ 100
نمودار 5-5- بررسی بار مولیکن برای اتمهای مدل های مورد مطالعه ........................................................................... 102
نمودار 5-6- بررسی پوشش شیمیایی ناهمسانگرد برای اتمهای مدل های مورد مطالعه .......................................... 104
نمودار 5-7- بررسی پوشش شیمیایی همسانگرد برای اتمهای مدل های مورد مطالعه ........................................... 104
نمودار 5-8- بررسی ثابت جفت شدگی چهار قطبی هسته برای اتمهای مدل های مورد مطالعه .......................... 106
نمودار 5-9- بررسی تغییر مکان شیمیایی برای اتمهای مدل های مورد مطالعه ....................................................... 108
چکیده فارسی
مشتقات ایمیدازول با بیش از دو گروه نیترو، انتظار می رود که مواد پرانرژی بالقوه ای برای فرمولاسیون مواد منفجره غیر حساس باشند.در این تحقیق از یکی از مشتقات ایمیدازول با نام 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول، به عنوان ترکیب مرجع استفاده شد. و با اضافه کردن نانو لوله کربنی به همراه پروپان (به عنوان Linker) به ترکیب مرجع (در موقعیت های مختلف) مدل های مختلفی ساخته شد. سپس از محاسبات تئوری تابعی چگالی برای پیش بینی خواص ترمودینامیکی استفاده شد، این مدل ها به سطح انرژی حداقل خود بهینه شدند. این محاسبات دقیقا برای تک تک مدل ها اجرا شد. حاصل مرحله ی بهینه سازی یعنی پارامتر های انرژی تشکیل بهینه شده، آنتالپی تشکیل، گشتاور دو قطبی(DM) ، انرژی بالاترین اوربیتال پر شده (HOMO) و انرژی پایین ترین اوربیتال پر نشده (LUMO) و گاف انرژی (Eg) می باشند که در جداول جداگانه ای گردآوری شدند. همچنین خواص دیگری از قبیل بار مولیکن،همسانگرد و ناهمسانگرد، δ و Cq هم برای اتمهای مختلف بررسی شد. در این تحقیق از سری پایه b3lyp/6-31G* در محاسبات استفاده شد.
کلید واژه: ایمیدازول، مواد پر انرژی، نانو لوله های کربنی، محاسبات تئوری تابع چگالی، سری پایه
مقدمه
در طی دو دهه اخیر پیشرفتهای عمده ای در مورد مواد پر انرژی (High energy materials)، مانند کامپوزیتها یا مواد مرکب مولکولی و یا به اصطلاح نانو مواد پر انرژی صورت گرفته است.
این موا به سرعت می توانند حرارت و اواج با فشار بالا آزاد کنند و کاربرد های گسترده ای در پیشرانها، مواد منفجره و پرایمرها یا آغازگرها دارند و در حال حاضر تحقیقات گسترده ای برای آن در حال انجام است. آنها می توانند چگالی انرژی بالاتری نسبت به مواد منفجره معمولی داشته باشند و می توانند امواج شوک با سرعت بیش از 2500 متر بر ثانیه تولید کنند.
کامپوزیتها معمولا مخلوطی از دو ترکیب، که یکی از آنها به عنوان سوخت و دیگری به عنوان اکسید کننده تعریف می شود. استفاده از نانو ذرات در مقیاس نانو به جای دیگر مواد ریز، ارتباط بین سوخت و اکسید کننده را افزایش، محدودیت های انتقال جرم را کاهش ، سرعت واکنش و واکنش پذیری محلول را افزایش می دهد.
تحقیقات در زمینه ی مواد پر انرژی(High energy materials)، راه را به روی ترکیبات نیتروژن دار و از جمله ترکیبات هتروسیکلی نیتروژن دار به عنوان منبعی برای انرژی یا قدرت انفجاری گشود. حتی نیتروژن خالص هم میتواند به عنوان منبعی برای انرژی در نظر گرفته شود و این به دلیل اختلاف بسیار زیاد انرژی پیوند سه گانهی N2 و انرژی پیوند یگانه N-N است. مواد پر انرژی نیتروژن دار نقش اساسی را در سلاحهای هسته ای به عنوان نیروی انفجاری ایفا میکنند.
فصل اول
کلیات
1-1-مباحث بنیادی
1-1-1-تاریخچه نانو فناوری1
اولین بار احتمال دستکاری ماده در سطح نانو توسط ریچارد فاینمن2 بصورت نوشته شده مطرح شد.کسی که در طول کنفرانس خود به نام " There`s plenty of room at the bottom " استفاده از بلوکهای اتمی برای تجمع در سطح مولکولی را شرح داد. در این سخنرانی که در سال 1959 صورت گرفت، فاینمن عنوان کرد که «اصول فیزیکی تا جایی که می تواند برخلاف احتمال مانور اتم به اتم اشیاء سخن نمیگوید. در اصل دستکاری اتم ها را می توان انجام داد، ولی تاکنون در عمل انجام نشده است، زیرا ما بزرگ هستیم.» واژه نانوفناوری اولین بار توسط نورینو تاینیگوچی3 استاد علوم دانشگاه توکیو مطرح شد. ایشان اولین واژه را برای توصیف ساخت مواد و وسایل دقیقی که ابعاد آن ها در مقیاس نانومتر می باشد، بکار برد. به هرحال زمینه نانوفناوری از سوی کیم اریک درکسلر4 و ریچارد اسمالی5 بنا نهاده شد.{1}
1-1-2- تعریف
دانش نانو مطالعه‌ی پدیده‌ها و دستکاری مواد در مقیاس اتمی، مولکولی و ماکرومولکولی است، جایی که جزییات آنها تفاوت بسیاری با مقیاسهای بزرگتر دارند. نانوفناوری‌ طراحی، توصیف صفات، تولید و به کار گیری ساختارها، دستگاه‌ها و سامانه‌ها به وسیله ی تنظیم شکل و اندازه‌ در مقیاس نانومتر است. وبسایت ناسا یک تعریف جالب از نانوفناوری ارائه داده است: خلق مواد، دستگاه‌ها و سامانه‌های وظیفه مند از طریق تنظیم اندازه‌ها در مقیاس نانومتر (1 تا 100 نانومتر) و استخراج پدیده‌ها و جزئیات جدید (فیزیکی، شیمیایی، بیولوژیکی) در آن مقیاس. دیکشنری انگلیسی آکسفورد نانوفناوری را "فناوری در مقیاس نانو با تمرکز روی ابعاد کمتر از 100 نانومتر" تعریف می‌کند. پیشوند نانو از واژهای یونانی به معنی کوتاه مشتق شده و یک نانومتر مساوی با یک میلیاردیوم متر یا همان 10-9 متر است. بنابراین اندازهای نانومواد باید به گونهای باشد که حداقل یک بعد آنها کوچکتر از 100 نانومتر باشد.{5}
1-1-3- سرمایه گذاری
نانوفناوری طی 10 سال گذشته سرمایهگذاری قابلتوجهی را به خود اختصاص داده است. سرمایه گذاری دولتها مابین سالهای 1997 و 2005 چیزی در حدود 18 میلیارد دلار تخمین زده می شود.

اخیراً سرمایهگذاریهای چند جانبهای توسط دولتهای آمریکا، اروپا، ژاپن و بقیهی کشورهای جهان صورت گرفته است که فقط در سال 2003 بالغ بر 3 میلیارد دلار بوده است.
برای مثال در ایالات متحده آمریکا بنیاد ملی نانو 6(NNI) یک برنامهی ملی برای هماهنگ کردن تلاشهای موسسات مختلف در زمینههای دانش، مهندسی و فناوری نانو است. بودجهی سال 2007 آمریکا مبغلی در حدود 1.2 میلیارد دلار به بنیاد اختصاص داد و کل سرمایهگذاری انجام شده از سال تأسیس آن یعنی سال 2001 تاکنون 6.5 میلیارد دلار بوده است و اخیراً به صورت سالیانه 3 برابر بودجهی سال اول را شامل میشود. این سرمایهگذاری تولیدات زیادی که اساسش نانوتکنولوژی است و یا شامل نانومواد میشوند، از جمله آنهایی که هماکنون در بازار موجود است را موجب شده است.{5}
1-2- نانو لوله های کربنی
نانولولههای کربنی سامانههای نانوی منحصر به فرد با خصوصیات مکانیکی و الکترونیکی فوق العاده هستند که از ساختار مولکولی غیرمعمول آنها سرچشمه میگیرد.
یک نانولهی کربنی ایدهآل را میتوان یک گرافیت تک لایه (ورق گرفن) که برای ساختن یک استوانهی یکپارچهی تو خالی رُل شده است در نظر گرفت. این استوانهها میتوانند با ابعادی به کوچکی 7.0 نانومتر دهها میکرون طول داشته باشند و در هر دو سر با کلاهکهای شبه فولرنی بسته شده اند.
38183725654000

شکل1.1. رول شدن ورق گرافن و تبدیل آن به نانولوله.{16و17}
یک نانولهی کربنی که ضخامت دیوارهای به اندازهی یک ورقهی کربنی داشته باشد نانولولهی کربنی تک دیواره یا (SWCNT)7 نامیده میشود. بر اثر برهمکنشهای واندروالسی آنها اغلب در زنجیرههای طولانی متراکم میشوند. آرایشهای منظمی از SWCNT ها در یک شبکهی سهگوش گرد هم میآیندSWCNT ها را میتوان بلوکهای سازندهی نانولولههای کربنی چند دیواره MWCNT8 در نظر گرفت، که درحقیقت آرایش متحدالمرکزی از SWCNT ها با افزایش ضخامت هستند. MWCNT ها نیز معمولا میکرونها درازا دارند،با قطر خارجی در حدود دو تا دهها نانومتر و با طیف گستردهای از ساختارها . {16و17}

شکل2.1. انواع مختلف از نانو ساختارها. {16و17}
1-2-1- زمینه تاریخی
اکتشاف نانولولههای کربنی از علاقهی محققان به مواد کربنی پیرو سنتز ساختارهای قفس مانند به نام فولرنها در دانشگاه رایس به وسیلهی کروتو، اسمالی و همکاران در دهه 80 میلادی سرچشمه میگیرد. در سال 1991 لیجیما در لابراتوار NEC در ژاپن، برای اولین بار نانولولههای کربنی را با استفاده از میکروسکوپ انتقال الکترونی با وضوح بالا 9(HRTEM) مشاهده کرد. همزمان ، دانشمندان روس در انستیتو شیمیفیزیک مسکو مستقلاً CNT و کلافهای نانولولهای را در مقیاس بسیار کوچکتری کشف کردند. هر دو گروه تحقیقاتی MWCNT ها را مشاهده کرده بودند.

مدتی بعد، در سال 1992 گروه لیجیما10 و بتون11 در لابراتوار IBM برای اولین بار SWCNT ها را مشاهده کردند.
در همان زمان، مطالعات تئوری زیادی انجام شد که پیشبینی میکرد نانولولهها میتوانند بر اساس ضخامت و کایرالیتهشان (چرخش ششگوشه ها با تقید به محور اصلی نانولوله) خاصیت فلزی یا نیمهرسانایی داشته باشند.
این پیشبینیهای تئوری مهیج علاقهی فوق العاده زیادی که CNTها در جامعهی تحقیقاتی به وجود آوردهاند و تلاشهایی که دانشمندان برای غلبه بر مشکلات بزرگی که در آغار برای رشد، خالصسازی و دستکاری CNTها داشتهاند را توجیه میکند.
تنها چند سال بعد از کشف CNT ها در سال 1998 پیشبینیهای تئوری مبتنی بر خواص الکترونیکی آنها با آزمایشاتی به اثبات رسید، و هم اکنون طیف بینهایت گستردهای از تحقیقات در زمینه ی نانو الکتریک، انتقال دارو و مواد پر انرژی با استفاده از CNTها در حال انجام است.{16و17}

شکل 3.1. بسته شدن انتهای نانولوله ها به وسیله ی کلاهک {16و17}

شکل 4.1. انواع نانولولهها از نظر کایرالیتی {16و17}

شکل 5.1. زوایای مربوط به جهت رول شدن ورقه ی گرافن برای تشکیل نانولوله {16و17}
1-3- ایمیدازول
1-3-1- تعریف
ایمیدازول یک ترکیب آلی با فرمول شیمیایی C2N2H4 است. این ترکیب دارای جرم مولی 67.077 گرم بر مول است و شکل ظاهری آن به صورت جامد زرد کمرنگ یا سفید است.
برای اولین بار دباس12 منشا ترکیب را کشف کرد و آن را بوسیله گلی اوکسال و آمونیاک تهیه کرد و نام گلی اوکسالین13 را پیشنهاد کرد. این نام هنوز هم در ادبیات مدرن استفاده می شود.
نام ایمیدازول برای اولین بار توسط هانچ14 ارائه شد و او آن را به عنوان یک آزول پنج عضوی که یک سیستم حلقوی پلی هترو آروماتیک، شامل یک نیتروژن نوع سوم است طبقه بندی کرد.{5}

شکل 6.1. ایمیدازول{6}
شماره گذاری صحیح حلقه ایمیدازول در بالا نشان داده شده است. نیتروژن امین در موقعیت 1 قرار می گیرد و شماره گذاری در اطراف حلقه به سمت نیتروژن نوع سوم انجام می گیرد و در موقعیت 3 نیتروژن نوع سوم قرارمی گیرد.
قرار گرفتن یک استخلاف در موقعیت 2 مشکلی ایجاد نمی کند، زیرا این موقعیت نسبت به نیتروژن ها متقارن است.این نامگذاری برای بیشتر کمپلکس ها مناسب است. اما هنگامی که یک استخلاف در موقعیت 4 یا 5 قرار می گیرد، نامگذاری متفاوت خواهد بود.هیدروژن آمین با توجه به اینکه استخلاف روی کدام موقعیت (4 یا 5) قرار می گیرد با استفاده از خاصیت توتومری15 شدن، بر روی نیتروژن ها انتقال می یابد، که در شکل زیر نشان داده شده است:

شکل 7.1. توتومری شدن {6}

شکل 8.1. حالتهای مختلف از استخلافهای قرار گرفته در موقعیت های 4و5 {6}
برای قرار دادن استخلاف بر روی نیتروژن آمین، هیدروژن آمین بر اثر توتومری شدن توسط استخلافهای دیگر جایگزین می شود. در شکلهای زیر نشان داده شده است :

شکل 9.1. حالت های مختلف از استخلافها بر روی آمین{6}
1-4- خواص فیزیکی ایمیدازول ها
1-4-1- نقطه ذوب و جوش
ایمیدازول دارای نقطه ذوب 90 درجه سانتیگراد و نقطه جوش 256 درجه سانتیگراد است.در جدول 1.1 نقطه جوش تعدادی از ترکیبات هتروسیکل پنج عضوی نشان داده شده است.ایمیدازول و 1و2و4تری آزول دمای جوش بالایی دارند. پیرازول در مقایسه با فوران و پیرول دمای جوش بالایی دارد، در صورتی که اختلاف قابل توجهی در جرم ملکولی آنها وجود ندارد.
جدول 1.1. دمای جوش ترکیبات هتروسیکل پنج عضوی{6}
Compound B. p., °C. (760 mm.)
Furan 32
Pyrrole 131
Pyrazole 187
1,2,3-Triazole 204
Imidazole 256
1,2,4-Triazole 260
دمای جوش ایمیدازول زمانی که یک گروه متیل در موقعیت 1 قرار می گیرد به طور قابل توجهی کاهش می یابد. اما زمانی که گروه متیل در موقعیت 4 یا 5 قرار میگیرد اثر قابل توجهی بر دمای جوش ایمیدازول نمی- گذارد. اگر یک گروه آمیل به موقعیت 1 اضافه کنیم، با اینکه جرم ملکولی دو برابر می شود ولی دمای جوش ایمیدازول کاهش می یابد. در جدول 2.1 دمای جوش ایمیدازول با استخلافهای مختلف نشان داده شده است.
جدول 2.1. دمای جوش ایمیدازول با استخلافهای مختلف{6}
Compound B. p., °C. (760 mm.)
Imidazole 256
1-Methyl-Imidazole 198
4(or5)-Methyl-Imidazole 264
1-Propyl-Imidazole 223
1-Amyl-Imidazole 245
1,2-Dimethyl-Imidazole 205
1-Ethyl-2-methyl-Imidazole 211
1-Methyl-5-chloro-Imidazole 202
1-Methyl-4-chloro-Imidazole 245
1,4-Dymethyl-Imidazole 200
1,5-Dymethyl-Imidazole 220
1-Phenyl--Imidazole 277
2-Phenyl--Imidazole 340
در جدول 3.1 دمای ذوب تعدادی از ترکیبات ایمیدازول با استخلافهای مختلف در موقعیتهای مختلف خلاصه شده است .هنگامی که یک گروه متیل در موقعیت 1 قرار می گیرد دمای ذوب به مقدار قابل توجهی کاهش می یابد، اما هنگامی که در موقعیت 4 یا 5 قرار می گیرد دمای ذوب افزایش می یابد. {6}
جدول 3.1. دمای ذوب تعدادی از ترکیبات ایمیدازول با استخلافهای مختلف{6}
Compound M. p., °C
Imidazole 90
1-Methyl-Imidazole -6
2-Methyl-Imidazole 140-141
4(or5)-Methyl-Imidazole 55-56
1-Phenyl-Imidazole 13
2-Phenyl-Imidazole 148-149
4(or5)-Phenyl-Imidazole 133-134
1-Benzyl-Imidazole 71-72
2-Benzyl-Imidazole 125-126
4(or5)-Benzyl-Imidazole 82-84
4,5-Diphenyl-Imidazole 228
2-Methyl-4,5-diphenyl-Imidazole 240
1-Methyl-4,5-diphenyl-Imidazole 158
1-4-2- حلالیت16
حلالیت ایمیدازول در حلالهای قطبی زیاد و در حلالهای غیر قطبی کم است. در دمای اتاق ایمیدازول به شدت در آب حل می شود و مقادیر کمی حلالیت آن در آب بدست نیامده است.
4یا 5 متیل ایمیدازول در بنزن حلالیت خوبی دارد. ایمیدازولهای استخلاف N در مقایسه با ایمیدازول با هیدروژن آزاد، در حلالهای ناقطبی بهتر حل می شوند. مقادیر کمی حلالیت ایمیدازول در بنزن و دیو اکسان، و 4یا5 در بنزن به ترتیب در جدول 4.1 و جدول 5.1 خلاصه شده است.{6}
جدول 4.1. حلالیت 4یا5 متیل ایمیدازول در بنزن{6}
Temperature, °C Molality
3.2 4.57
16.8 6.07
21.1 6.87
25.4 7.44
29.3 8.24
31.4 8.54
جدول 5.1. مقادیر کمی حلالیت ایمیدازول در بنزن و دیو اکسان{6}
Benzene Dioxane
Temp. °C Molality Temp. °C Molality
36.7 0.198 14.73.62
41 0.258 17.94.29
42.2 0.486 21.94.96
42.80.688 235.17
44.81.195 32.77.48
45.71.524 389.46
47.82.38 39.410.5
493.00 46.814.2
51.24.63 55.819.3
51.85.38
52.96.77
56.29.23
1-4-3- ویسکوزیته17
ویسکوزیته محلول بنزن، ایمیدازول و 4 یا 5 متیل ایمیدازول در جدول 6.1 وجود دارد. محلول پیرول یا پیرازول در بنزن، به عنوان حلال خالص تقریبا ویسکوزیته یکسان دارند و با افزایش غلظت اختلاف ناچیزی مشاهده می شود. این باعث تجمع18 کم می شود.ثابت ویسکوزیته برای محلولهای ایمیدازول و 4 یا 5 متیل ایمیدازول، با افزایش غلظت افزایش می یابد.{6}
جدول 6.1. ویسکوزیته محلول بنزن، ایمیدازول و 4 یا 5 متیل ایمیدازول{6}
Compound (Temp. °C) Molality Specific Viscosity
Imidazole (30°) 0.036
0.073
0.146 0.0106
0.0248
0.0549
Imidazole (50°) 0.146
0.416
0.463 0.041
0.15
0.1686
4(or5)-Methyl-Imidazole (30°) 0.04
0.08
0.242
0.249
0.475
0.493
0.607
1.075
1.362
2.068
2.848
3.736 0.0071
0.0354
0.1187
0.1277
0.2925
0.3262
0.4113
0.7801
0.9911
1.6524
2.3138
3.156
4(or5)-Methyl-Imidazole (50°) 0.242
0.249
0.475
0.493
0.607 0.091
0.093
0.214
0.237
0.3079
1-4-4- ممان دوقطبی19
اغلب اطلاعات با ارزش در مورد ساختمان ملکولهای آلی، از اطلاعات دقیق مربوط به خواص دی الکتریک آنها بدست می آید. بزرگی شدت ممان دوقطبی نشان دهنده بار توزیع شده در داخل ساختار آنها است. متاسفانه مواد تجربی ایمیدازولها نسبتا محدود است. ممان دوقطبی فقط برای ایمیدازول، 4یا5 متیل ایمیدازول، 1متیل ایمیدازول و بنزی ایمیدازول در دسترس است و در جدول 7.1 خلاصه شده است. {6}
جدول 7.1. ممان دوقطبی برای برخی ترکیبات ایمیدازولها در حلالهای مختلف بر حسب دبای20 {6}
Compound Naphthalene Benzene Dioxane Carbon
tetrachloride
Imidazole 5.7 (97°) 6.2 (70°) 4.8 (50°) ----
4(or5)-Methyl-Imidazole ---- 6.2 (70°) 5.1 (20°) 5.8 (18°)
1-Methyl-Imidazole ---- 3.6 (20°) 3.8 (20°) ----
Imidazole ---- 3.8 ---- ----
Benzimidazole ---- ---- 3.93 (25°) ----

در جدول 8.1 ممان دوقطبی ایمیدازول در غلظت های مختلف در بنزن محلول نشان داده شده است. با کاهش غلظت ممان دوقطبی کاهش می یابد.
جدول 8.1. ممان دوقطبی ایمیدازول در غلظتهای مختلف بر حسب دبای{6}
Mole fraction of solute Dipole moment , Debye units
0.005951 5.62
0.001140 4.42
0.000233 3.93

1-4-5- خواص فیزیکی مختلف
اطلاعات مربوط به ضریب شکست21، دانسیته22، مولار حالت انکسار23، کشش سطحی24، گرمای ذوب25 و گرمای محلول26 ایمیدازول 4 یا 5 متیل ایمیدازول در جداول بعدی خلاصه شده است.
جدول 9.1. دانسیته، ضریب شکست و مولار حالت انکسار مشتقات ایمیدازول در دماهای مختلف{6}
Compound Temp, °C Density nC nHe nF MD
Imidazole
95
100.9
110.0
153
205 1.036
----
1.0222
0.9920
0.9370 1.48075
1.47625
----
----
---- 1.48428
1.48006
----
----
---- 1.49442
1.48980
----
----
---- 18.76
18.77
----
----
----
4(or5)-Methyl-Imidazole
14.3
18
50
60
70
110
153 1.0416
1.036
1.016
1.009
1.002
0.9691
0.9380 1.50367
1.50115
1.48922
1.48627
1.48227
----
---- 1.50774
1.50572
1.49298
1.48994
1.48553
----
---- 1.51750
1.51499
1.50284
1.49982
1.49538
----
---- 23.48
23.52
23.46
23.50
23.55
----
----
1-Methyl-Imidazole 20.5 1.0325 1.48856 1.49244 1.50157 23.08
1-Propyl-Imidazole 19.6 0.9705 1.47671 1.48021 1.48829 32.24
1-Isoamyl-Imidazole 19.7 0.9427 1.47114 1.47425 1.48205 41.20
1,2-Dimethyl-Imidazole 16.1 1.00 1.48665 1.49024 1.49926 27.79
1-Ethyl-2-Methyl-Imidazole 21.8 0.9807 1.48301 1.48660 1.49516 32.27
1-Methyl-5-chloro-Imidazole
20.5
17.7 1.25
1.2561 1.50630
1.50783 1.51009
1.51181 1.51958
1.52121 27.88
27.83
1-Methyl-4-chloro-Imidazole 19.8 1.2483 1.50930 1.51308 1.52259 28.06
1-Ethyl-2-Methyl-5-chloro-Imidazole
19.8 1.1415 1.49519 1.49888 1.50731 37.17
1-Ethyl-2-Methyl-4-chloro-Imidazole
16.8 1.1598 1.49864 1.50223 1.51088 36.80
1-Phenyl-Imidazole 15.4 1.1397 1.59335 1.59999 1.61650 43.25
جدول 10.1. کشش سطحی مشتقات ایمیدازول در دماهای مختلف{6}
Compound Temperature, °C Surface tension,dynes/cm.
Imidazole
110
150
205 36.82
33.85
30.05
4(or5)-Methyl-Imidazole
20
56
110
153 38.7
36.21
32.36
29.28
جدول 11.1. گرمای ذوب و گرمای محلول مشتقات ایمیدازول در بنزن محلول در غلظت های مختلف{6}
Molality Heat of solution,
cal./mole(21°) Heat of fusion,
cal./mole
0.13 -3210 -2840
0.22 -2170 ----
1-5- خواص شیمیایی ایمیدازول ها
1-5-1- قدرت پایه ای
ایمیدازول یک مونو اسید پایه ای است که توانایی تشکیل نمک بلوری با اسید را دارد. نقطه ذوب تعدادی از نمک های ایمیدازولیم در جدول 12.1 ذکر شده است .ماهیت اساسی ایمیدازول ناشی از توانایی نیتروژن پیریدین برای دریافت یک پروتون است. تاثیر استخلافهای مختلف بر قدرت پایه ای ایمیدازول در جدول 13.1 نشان داده شده است.
جدول 12.1. نقطه ذوب تعدادی از نمکهای ایمیدازول{6}
Salt M.p.°C References
Nitrate 118 (30)
Chloroaurate dec.190 (29)
Chloroplatinate dec.200 (31)
Dimolybdate ---- (27,28)
Picrate 208-212 (20.22-24)
Flavianate 224-226 (26)
Diliturate ---- (25)
Acid oxalate 232,252,225 (20-23)
Acid tartrate 202 (22)
Benzene 99 (18,19)
جدول 13.1. قدرت پایه ای تعدادی از ایمیدازولها{6}
Compound pKa
Imidazole 6.95;6.89
1-Methyl-Imidazole 7.25
2-Methyl-Imidazole 7.86
4(or5)-Methyl-Imidazole 7.52
2,4(or 2,5)-Dimetyl-Imidazole 8.36
2,4,5-Trimethyl-Imidazole 8.86
2-Phenyl-Imidazole 6.39
4(or 5)-Phenyl-Imidazole 6.00
4(or 5)-Hydroxymethyl-Imidazole 6.38
4(or 5)-Carboxy-Imidazole 6.08
4(or 5)-Carbethoxy-Imidazole 3.66
4(or 5)-Bromo-Imidazole 3.60
Histamine 5.98
اضافه کردن گروههای متیل به حلقه ایمیدازول قدرت پایه ای آن را افزایش می دهند. این توضیح در مورد خواص الکترون – آزاد گروههای متیل است که تمایل به افزایش چگالی الکترونی نیتروژن پیریدین را دارند. تشابه استخلاف مشاهده شده در سری پیریدین، که در آن قدرت پایه ای a-picoline بیشتر از سیستم حلقه اصلی (والد) است. این افزایش در قدرت پایه ای را می توان به ترکیب شدن القایی و اثر رزونانسی نسبت داد (فوق کانژوگاسیون) . بررسی های مشابه ممکن است به کار رود برای 2 متیل ایمیدازول، که شرح حالت کانژوگاسیون در زیر نشان داده شده است.

شکل 10.1. اثر کانژوگاسیون{6}
با قرار دادن یک گروه متیل در موقعیت 4 یا 5 حلقه ایمیدازول قدرت پایه ای را افزایش می دهد. اما اثر کمتر نسبت به دو گروه متیل دارد. بررسی های تقارنی ممکن است این تفاوت را توضیح دهد. یون 2 متیل ایمیدازولیوم نشان دهنده یک ساختار بسیار متقارن با دو سهم معادل است، در مقایسه با 4 یا 5 متیل ایمیدازولیوم که با دو سهم غیر معادل است. با قرار دادن یک گروه متیل در دو موقعیت 4 یا 5 باعث کمک به افزایش در قدرت پایه ای می شود.
گروههای الکترون کشنده از قبیل گروههای فنیل، نیترو و یا یک هالوژن قدرت پایه ای را کاهش می دهند.مقایسه 1متیل 5 نیترو ایمیدازول و 1و2 دی متیل 5 نیترو ایمیدازول با مشتقات 4 نیترو مربوط به آنها، نشان میدهد که ترکیبات 5نیترو پایه قوی تری دارند.ساختاری که در آن گروه نیترو در موقعیت مجاور به سیستم الکترون دهنده (نیتروژن پیریدین) قرار گیرد قدرت پایه ای آن ضعیف می شود. {6}

شکل 11.1. قرار گرفتن گروه نیترو در موقعیت های مختلف و تاثیر بر قدرت پایه ای{6}
1-5-2- خاصیت شبه اسیدی27
علاوه بر ماهیت پایداری، ایمیدازول خواص اسیدی ضعیف (شبه اسیدی) از خود نشان می دهد. فرم آن نمک با فلز است که ساختار کلی آن در زیر نشان داده شده است.

شکل 12.1. ساختار کلی نمک ایمیدازول با فلزات{6}
مهمترین نمک درمیان نمکها، نمک نقره کم محلول است، که زمانی که ایمیدازول در تماس با نقره آمونیاکی محلول قرار می گیرد رسوب می کند. در حضور آمونیاک، نمکهای نامحلول کبالت و روی نیز بدست می آید.
واکنش ایمیدازول با معرف Grignard منجر به تشکیل هالید منیزیم ایمیدازول می شود.
ماهیت شبه اسیدی ایمیدازول بستگی به وجود یک گروه آمین غیر جانشین و ایمیدازول و ایمیدازول ها این ساختار مورد نظر از نمک نقره کم محلول در حضور محلول نقره آمونیاک تشکیل می شود. بسیاری از ایمیدازول ها برای نمک های نامحلول با یون مس در حضور آمونیاک هستند. ایمیدازول محلول در آمونیاک مایع، تشکیل یک محلول روشن می کند که احیاء با تبخیر حلال انجام می شود. با افزودن آمید های فلزی به چنین محلولهایی باعث تشکیل نمک می شوند. نمکهای سدیم، پتاسیم، کلسیم و منیزیم با این روش بدست می آیند. این نمکها در حضور آب ناپایدار هستند و تجزیه شده و به ایمیدازول و هیدروکسیدهای فلزی تبدیل می شوند. مقایسه رسانایی محلول آمونیاک مایع از ایمیدازول و پیرول نشان می دهد که ترکیبات سابق اسید قوی تری هستند. استخلافهای الکترونگاتیوی خاصیت اسیدی ایمیدازول را بوسیله کاهش چگالی الکترون در اطراف نیتروژن پیرول افزایش می دهد. لوفین اسید قویتری نسبت به ایمیدازول است.به مانند ایمیدازول نمک لوفین از آمیدهای فلزی یا فلزات با محلول آمونیاک مایع تهیه می شود. {6}
1-5-3- پایداری شیمیایی و خاصیت آروماتیکی28
پایداری شیمیایی ایمیدازولها عالی است و آنها در مقابل اسید و باز مقاوم هستند. در عمل مواجهه ایمیدازول با هیدروژن یدید در دماهای بالاتر از 300 درجه سانتیگراد تاثیر کمی دارد و حلقه ایمیدازول به میزان قابل توجهی در برابر هیدروژناسیون مقاوم است. تعدادی از بنزی ایمیدازول ها از جمله 2متیل، 2اتیل، و 1و2 دی متیل بنزی ایمیدازول در حضور کاتالیزور آدامز و اسید استیک منجمد، تحت عمل هیدروژناسیون قرار گرفته و در بخش بنزن مشتقات مطابق با تترا هیدرو مربوطه را تشکیل می دهند و بخش ایمیدازول بی تاثیر باقی می ماند. که در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل 13.1. هیدروژناسیون حلقه بنزن{6}
Lophine تحت هیدروژناسیون کاتالیزوری با کاتالیزور Willstatter Platinum در استیک اسید منجمد قرار گرفته و به 2و4و5 تری سیکلو هگزیل 2 ایمیدازول تبدیل می شود.
ایمیدازول نسبت به تری اکسید کروم پایدار تر است، اما به راحتی توسط پرمنگنات پتاسیم و هیدروژن بروکسید مورد حمله قرار می گیرد و اکسامید تشکیل می شود. بنزوئیل پراکسید در محلول کلروفرم هم به راحتی به ایمیدازول حمله میکند و تشکیل اوره با آمونیاک می کند. {6}
فصل دوم
مروری بر متون گذشته
2-1- شیمی محاسباتی
شیمی محاسباتی به زبان ساده کاربرد مهارتهای شیمیایی، ریاضی و محاسباتی در جهت حل مسائل شیمیایی است.در این حوزه از کامپیوتر برای تولید اطلاعاتی نظیر ویژگی‌های ملکولها یا نتایج تجربی شبیهسازی شده استفاده میشود. {7}
شیمی محاسباتی به روشی دقیق برای پژوهش و مطالعه پیرامون موادی تبدیل شده است که بسیار کمیاب و یا گران قیمت هستند. همچنین به شیمی دانان کمک میکند که قبل از شروع آزمایشات علمی در آزمایشگاه بتوانند پیشبینیهایی را راجع به مواد مختلف انجام دهند بنابراین آنها می- توانند مشاهدات بهتری داشته باشند.
معادله شرودینگر مبنایی است که بیشتر شیمیدانان محاسباتی از آن استفاده میکنند؛ زیرا این معادله اتمها و ملکولها را به صورت مدل ارائه میدهد و به کاربر اجازه میدهد موارد زیر را محاسبه نماید. {8}
تعیین ساختار الکترونی برای اتمهای هر مولکول
بهینه سازی هندسی مدلهای مولکولی
محاسبات مربوط به فرکانس ارتعاشات اتمها
حالتهای گذار مولکولها در واکنشهای مختلف
محاسبات مربوط به ساختار پروتئین‌ها
توزیع ابر الکترون و بار الکتریکی برای هر مولکول
انرژی پتانسیل سطحی(PES) هر اتم
ثابت سرعت برای واکنشهای شیمیایی (کینتیک واکنشها)
محاسبات ترمودینایکی گرمای واکنشها (انرژی فعالسازی)
2-2- روش های محاسباتی
روشهای محاسباتی به دو دسته کلی تقسیم میشوند که عبارتند از:
روشهای محاسباتی بر اساس مکانیک مولکولی
روشهای محاسباتی بر اساس مکانیک کوانتومی
روشهای محاسباتی بر اساس مکانیک کوانتومی نیز خود به دو روش تقسیم میشوند که عبارتند از:
روشهای آغازین29
روشهای نیمه تجربی30
در حال حاضر عموما سه روش نظری محاسبات (شامل محاسبات مکانیک ملکولی، محاسبات نیمهتجربی و محاسبات کوانتومی آغازین) برای مطالعه خواص ملکولها به کار میرود. روشهای نیمه تجربی موقعیتی بین روشهای مکانیک ملکولی و آغازین دارند. دقت روشهای سطح بالای آغازین برای محاسبه گرمای تشکیل با روشهای تجربی قابل مقایسه است و دست کم ساختار هندسی مولکولها را با دقت موجود در روشهای تجربی محاسبه میکند. این محاسبات به اندازه کافی جامع هستند به طوری که میتوان ویژگیهای حالتهای گذار و حالتهای برانگیخته را با آنها مطالعه کرد. در روشهای نیمه تجربی مانند روشهای مکانیک مولکولی از پارامترهای تجربی استفاده میشود ولی از طرفی هم مانند روشهای آغازین اساس مکانیک کوانتومی دارند. تنها تفاوت اساسی بین روشهای نیمه تجربی و آغازین استفاده گسترده از تقریبها در محاسبات نیمه تجربی است.
این موضوع با اینکه روشهای نیمه تجربی را از محاسبه تعداد زیادی عبارتهای مورد استفاده در آغازین باز میدارد، در عین حال با استفاده از اطلاعات تجربی پارامترهای لازم را برای استفاده در تقریبها مشخص میکند به طوری که دقت لازم در محاسبات حفظ میشود. در ادامه توضیحات لازم راجع به این سه روش بیان میشود.{9}
2-2-1- روش های محاسباتی آغازین
در روشهای محاسباتی آغازین برای سیستمها، عملگر هاملیتونی31 صحیح را به کار میبرند و سعی میشود با استفاده از ثابتهای فیزیکی بنیادی و بدون استفاده از دادههای تجربی معادلات را به دست آورند. روشهای آغازین از تقریب بورن- اپنهایمر32 و حل دقیق معادله شرودینگر بهره میگیرد. این روشها تمامأ بصورت کوانتومی بوده و صحت محاسبات در آنها بسیار بالاست. روشهای آغازین خود شامل روشهای میدان خودسازگاری هارتری- فاک و نظریه اختلال مولر- پلست میباشد که در ادامه بحث خواهد شد. {10}
2-2-1-1- روش میدان خودسازگار هارتری- فاک33
پایینترین سطح و متداولترین محاسبات به روش آغازین، محاسبات هارتری- فاک میباشد. این روش، اولین روش محاسباتی در روشهای محاسباتی آغازین است. اساس روش هارتری- فاک بر اساس نظریهی اوربیتال مولکولی است. بهترین تابع موجی که الکترونها را به اوربیتالها اختصاص میدهد، تابع موج هارتری- فاک است. هر اوربیتال مولکولی هارتری- فاک به صورت یک ترکیب خطی از مجموعهای از توابع پایه نوشته میشود. اگر توابع پایه به تعداد کافی در نظر گرفته شوند، آنگاه میتوان اوربیتالهای مولکولی را که به اندازه ناچیزی با اوربیتالهای مولکولی واقعی هارتری- فاک تفاوت دارند، به دست آورد.
در این روش همچنین از تقریب بورن- اپنهایمر استفاده میشود. این تقریب امکان جدا فرض کردن حرکات الکترونی و هسته را مورد بحث قرار می-دهد. هستهها بخاطر جرم زیادشان نسبت به الکترونها ثابت فرض میشوند. در نتیجه میتوان از انرژی جنبشی هستهها صرف نظر کرد. از آنجا که جرم هسته هزاران برابر جرم الکترون است، این تقریب قابل توجیه است. {11}
2-2-1-2- نظریه اختلال مولر- پلست34
نظریهی اختلال براساس دانستن جواب یک مسئله و استفاده از آن در حل مسائل وابسته به آن است. فرض کنید حل معادله شرودینگر برای یک سیستم را به طور کامل میدانیم در این صورت میتوان معادله شرودینگر را برای سیستم دیگری که نسبتأ به سیستم اول نزدیک است، نیز حل کرد. به این ترتیب که اختلال بین اپراتورهای هامیلتونی دو سیستم را به عنوان اختلال کوچک در حل سیستم اول در نظر میگیریم. میتوان معادله دوم را با بسط حل معادله اول و نیز عامل اختلال حل کرد.
این روش در ابتدا برای حل تابع موج یک اتم در یک میدان الکتریکی کوچک استفاده شد که جمله میدان الکتریکی کوچک ایجاد شده در عملگر هامیلتونی به عنوان عامل اغتشاش فرض شد. یک کاربرد موفق از این نظریه برای مولکولها، به مولر و پلست در سال 1933 میلادی میرسد، که امروزه تحت روشهای MPn شناخته میشوند. {12}

2-2-1-3- روش های نیمه تجربی
روشهای نیمه تجربی یک عملگر هامیلتونی سادهتر از هامیلتون واقعی را برای محاسبات به کار میبرد و از دادههای تجربی برای اختصاص دادن مقادیر به برخی از انتگرال‌هایی که در محاسبه حاصل میشوند استفاده کرده و از برخی انتگرالها صرف نظر میکنند. علت استفاده از روشهای نیمه تجربی آن است که درحال حاضر محاسبات دقیق بر روی مولکولهای نسبتا بزرگ امکانپذیر نیست. روشهای PM3، MNDO، INDO و CNDO در دسته روشهای نیمه تجربی قرار دارند. {13}
2-2-1-4- روش محاسباتی مکانیک مولکولی35
این روش توسط وایبرگ، آینجر و هندیکسون گسترش یافت. روش مکانیک مولکولی برای حالتهای پایهی مولکولها طرحریزی شده است. مولکولها به علت کوچک بودنشان، تحت قوانین مکانیک کوانتومی توصیف میشوند. اما تحت شرایط (برحسب نیاز به محاسبات سریعتر) بهتر است از مکانیک کلاسیک استفاده کنیم. فرآیند محاسبات مکانیک مولکولی را روش میدان- نیرو نیز مینامند.
در شبیهسازیهای مکانیک مولکولی، از قوانین فیزیک کلاسیک برای پیشگویی ساختار و خواص مولکولها استفاده میکنند. طبقهبندی روشهای مکانیک مولکولی، بر اساس نوع میدان- نیرویی است که به کار میبرند. در روشهای میدان مولکولی، الکترونهای سیستم در نظر گرفته نمیشوند و محاسبات بر اساس برهمکنشهای بین هستهای انجام میشود. به همین علت نتایجی که به دست میآید بر اساس مفاهیم شیمی به سادگی قابل تفسیر نیستند و نمیتوان با این روشها خواص شیمیایی یک مولکول، را که به علت نقش مستقیم الکترونها رخ میدهد، بررسی کرد. اما مزیت اصلی روشهای میدان- نیرو، بالا بودن سرعت محاسبات است که امکان مطالعه سیستمهای بزرگ را به ما میدهد این امر میتواند در بهینهسازی و مطالعهی ساختار ماکرومولکولهای زیستی مانند پروتئینها بکار رود. همچنین این روشها تنها برای سیستمهایی بکار میروند که اطلاعات قبلی زیادی از
آنها موجود باشد. از جمله عناصر بکار رفته در این روش می توان به روش هایMMp1,MMx,MM1
و MM2 اشاره کرد. {14}
2-3- نظریه تابعی چگالی36
نظریه تابعی چگالی (DFT) یک روش محاسباتی مکانیک کوانتومی است که در فیزیک و شیمی به منظور بررسی ساختار الکترونی حالت پایه در سیستمهای چندگانه به ویژه اتمها، مولکولها و فازهای چگال استفاده میشود. این نظریه، ویژگیهای سیستمهای چند الکترونی را به وسیله تابعیهای خاصی بیان میکند که در این مورد به چگالی الکترون بستگی دارد. به همین دلیل نام نظریه تابعی چگالی به استفاده از تابعیهای مربوط به چگالی الکترون بر میگردد.
DFT در زمره پرکاربردترین روشهای موجود در فیزیک حالت جامد و فیزیک محاسباتی قرار دارد. استفاده از یک سری تقریب ها در این نظریه موجب افزیش دقت این روش در محاسبه برهمکنشهای تعویضی- همبستگی37 شده است. در بسیاری از موارد نتایج حاصل از محاسبات DFT با نتایج تجربی همخوانی کاملی
دارد. این محاسبات در مقایسه با روشهای سنتی مثل هارتری- فاک بسیار مقرون به صرفهتر هستند. این روش هم به روش محاسباتی آغازین و هم به روش محاسباتی نیمه تجربی نزدیک است، زیرا در آن معادله شرودینگر به طور تضمینی حل میشود و از طرف دیگر، دادههای تجربی در آن بررسی میشوند. محاسبات نظریه تابعی چگالی تا حدود 500 اتم را می تواند بررسی کند.
هر چند قاعده هوهنبرگ-کوهن38 (شکل اولیه نظریه تابعی چگالی) تنها برای حالت های پایه در غیاب میدان مغناطیسی به کار رفت، اما به منظور مطالعه سیستمهای دیگری هم عمومیت یافته است. قاعده هوهنبرگ- کوهن ابتدایی ثابت کرد که ویژگیهای حالت پایه یک سیستم چندین الکترونی را میتوان تنها با یک چگالی الکترونی که در سه بُعد جهتگیری کرده است مشخص کرد. در این صورت با استفاده از تابعیهای چگالی الکترون، مشکلات سیستمهایی با تعداد N الکترون و 3N جهتگیری فضایی کاهش یافته و در مجموع به 3 جهتگیری تقلیل مییابد. قاعده هوهنبرگ- کوهن ثانوی یک تابعی انرژی برای سیستم تعریف کرد و ثابت کرد که چگالی الکترونی صحیح حالت پایهی این تابعی، انرژی را به پایینترین سطح کاهش میدهد.
اساس نظریه تابعی چگالی تعیین کامل انرژی الکترونی حالتهای پایه39 با استفاده از چگالی الکترونی میباشد که توسط کوهن و هوهنبرگ در سال 1964 اثبات شده است. در واقع یک تناظر یک به یک بین چگالی الکترونی یک سیستم و انرژی آن سیستم وجود دارد. آنها نشان دادند که انرژی مولکولی حالت پایهی تابع موج و همه خواص الکترونی و مولکولی دیگر را میتوان با استفاده از چگالی احتمالی الکترون که فقط تابعی از سه متغیر است p(X,Y,Z)، تعیین کرد. مفهوم این موضوع از طریق مقایسه تابع موج با چگالی الکترون بهتر قابل درک است.
بر خلاف پیشرفت های اخیر، هنوز هم مشکلاتی در استفاده از DFT در توصیف مناسب برهمکنشهای بین مولکولی به ویژه نیروهای واندروالس، حالتهای برانگیخته، حالتهای گذار، پتانسیل انرژی سطحی و سایر سیستمهای مربوطه و همچنین در محاسبه سد انرژی نیمه رساناها وجود دارد. پیدایش و توسعه روشهای جدید DFT به منظور چیره شدن بر این مشکلها بوده است. در این روشها در تابعیهای مورد استفاده تغییراتی به وجود آمده است و یا این که عبارتهایی به آنها اضافه گردیده است.
اگر چه اثبات شده که هر چگالی مختلف، انرژی حالت پایهی مختلفی را میدهد ولی تنها مشکل این است که رابطه تابعی بین کمیتها شناخته شده نیست. هدف روشهای DFT طراحی رابطه تابعی بین انرژی و چگالی الکترونی میباشد. از جمله روشهای مورد استفاد در محاسبات به روش نظریه تابعی چگالی میتوان بهPW91, PBE, MPW1, PW91, B3LYP, B3PW91 اشاره کرد.
2-4- سری پایه
بطور کلی سری پایه عبارت است از مجموعهای از بردارها که فضای مسئله مورد بررسی را در بر میگیرند، و مسئله را در فضای سه بعدی از طریق بردارها بیان میکند. در شیمی کوانتومی سری پایه توصیف ریاضی اوربیتالهای یک سیستم است و برای انجام محاسبات کوانتومی استفاده میشود. سریهای پایه بزرگتر، با دقت بیشتری اوربیتالها را مورد تقریب قرار میدهند. بر اساس نظریه مکانیک کوانتوم، حضور الکترونها در فضا محدودیت دارد، یعنی در هر جایی از فضا نمیتوانند قرار بگیرند و مکانهای خاصی از فضا را میتوانند اشغال کنند. هر چه سری پایه بکار رفته بزرگتر باشد محدودیت حضور الکترون در فضا دقیقتر بدست میآید. در اغلب روشهای مکانیک کوانتومی محاسبات با انتخاب یک مجموعه از توابع پایه شروع میشود.
دو نوع تابع پایه در محاسبات ساختار الکترونی وجود دارد:
مجموعهی پایه حداقل
مجموعهی پایه بسط داده شده
با توجه به مجموعهی پایه بکار رفته در انجام محاسبات، اوربیتالهای نوع اسلیتر40 (STO) و اوربیتالهای نوع گوسین41 (GTO) توجیه کننده روند استفاده از تقریبهای کوانتومی در محاسبات هستند.
از رایجترین مجموعههای پایه حداقل، میتوان STO-nG را نام برد. در این نوع تعداد یکسانی از توابع گوسینی برای اوربیتالهای اتمی لایههای داخلی و ظرفیت بکار میرود. مجموعهی پایه بسط داده شده را با نام مجموعهی پایه شکاف ظرفیتی نیز میشناسند. دراین نوع مجموعه، برای اوربیتالهای اتمی لایه داخلی فقط یک نوع تابع گوسینی و برای لایههای ظرفیت چند نوع تابع گوسینی بکار میرود. نمادگذاری در آنها بصورت X-YZg میباشد. X نشاندهنده تعداد توابع گوسینی بکار رفته در اوربیتالهای لایه داخلی و YZ نشاندهنده توابع گوسینی بکار رفته در اوربیتالهای اتمی لایه ظرفیت است. به عنوان مثال میتوان سریهای پایه
6-311g و 3-21g را نام برد.این دو نوع از توابع پایه در کنار هم میتوانند برای تشکیل سری پایه در انجام محاسبات استفاده شوند. از ویژگیهای GTO این است که انجام محاسبات و انتگرالهای پیچیده کوانتومی را راحتتر میکند، هر چند توابع STO توابع موج اوربیتالها را با دقت بیشتری توصیف میکند، ولی از نظر محاسبه انتگرالها، پیچیدهتر عمل میکنند. بنابراین مدت زمان انجام محاسبات در آنها طولانیتر است.
به هر یک از سریهای پایه اشاره شده در فوق، میتوان عوامل قطبشپذیری و عوامل نفوذی42 را اضافه کرد که به ترتیب با علائم * و + مشخص میشوند. به عنوان مثال میتوان 6-311++G** را نام برد. ستاره اول و دوم به ترتیب مربوط به افزودن اوربیتالهای d وf به اتمهای سنگین و اوربیتال p به اتم هیدروژن میباشد. علامت مثبت اول مربوط به افزودن توابع با نفوذ بالا به هر اتم است (بجز هیدروژن) و علامت مثبت دوم مربوط به اتم هیدروژن میباشد. لازم به ذکر است که علامت ستاره سبب میشود محاسبه انرژی با دقت بالاتری انجام شود.
عملیاتهایی که بر روی توابع پایه اعمال میشود (عوامل قطبشپذیری و عوامل نفوذی) را مجموع پاپل43میگویند. این دانشمند برجسته به دلیل فعالیتهایی که در جهت پیشرفت علوم محاسبات کوانتومی انجام داد، در سال 1998 میلادی به طور مشترک با آقای کوهن، موفق به دریافت جایزه نوبل شدند. {13و14و15و20و4و18و3}
2-5- نرم افزارهای مورد استفاده
2-5-1- نرم افزار گوسین44
امروزه سخت افزارها و نرم افزارهایی که در حوزهی علوم کامپیوتر پا به عرصه ی وجود گذاشته اند، بعنوان کنترل محرکهی حوزههای گوناگون پژوهشی در علوم و فنون نانو بویژه حوزهی نانومحاسبات مطرح هستند. یکی از کارآمدترین این نرم افزارها، نرم افزار گوسین است.
شیمی محاسباتی واکنشها و ساختارهای شیمیایی را بر اساس قوانین فیزیکی پایهگذاری میکند. این روش به شیمیدانها اجازه میدهد که پدیدههای شیمیایی را به جای این که از طریق واکنشهای شیمیایی مورد بررسی قرار دهند، بتوانند آنها را از طریق محاسبات کامپیوتری مطالعه کند. این روش نه تنها برای مولکولهای پایدار، بلکه برای مولکولهای با نیمه عمر پایین و حد واسطههای نیمه پایدار و حالتهای گذار نیز مورد استفاده قرار میگیرند. بنابراین شیمی محاسباتی یک دستیار ضروری برای مطالعات آزمایشگاهی است.
نرم افزار گوسین تمامی نظریههای محاسباتی «آغازین»، «نظریه تابعی چگالی» و «نیمه تجربی» را تحت پوشش داشته و قابلیت اضافه کردن موارد جدیدتر را نیز دارد. در واقع گوسین مجموعهای از برنامههای بهم پیوسته است که انواع محاسبات اوربیتال مولکولی را انجام میدهد و قادر به پیشبینی بسیاری از خواص مولکولها و واکنشهاست. از محاسن این نرم افزار، انجام محاسبات در فاز گازی، محلول، حالت پایه و حالت برانگیخته میباشد که این برنامه را به یک ابزار پرقدرت برای کاوش در حیطههای گوناگون مانند مطالعات شیمیایی، سیستمهایی در حوزه نانوفناوری، مکانیسم واکنشها و... تبدیل کرده است.
فایل ورودی به نرم افزار گوسین «GJF»45 نام دارد. این نوع فایل امکان انجام محاسبه ساختارهای مد نظر را توسط گوسین فراهم میکند. در هر فایل ورودی گوسین (GJF) باید هم روش و هم سری پایه مشخص شود.
هر فایل ورودی گوسین از هفت بخش تشکیل شده است. این بخشها به ترتیب بصورت زیر عنوان میشوند:
%section
Rout section
فضای خالی
Title section
فضای خالی
بار الکتریکی و چندگانگی اسپینی46
مشخصات مولکولی
البته لازم به ذکر است که در محیط کاربری نرم افزار گوسین قسمتهای سه و پنج که تحت عنوان فضای خالی بیان شدهاند، دیده نمیشود و در مجموع شامل پنج قسمت است. وجود این فضاهای خالی در فایل ورودی گوسین (GJF) جهت انجام محاسبات الزامی است.
در قسمت %Section میزان استفاده از حافظه و تعداد پردازشگرهای کامپیوتر تعیین میشود. در Rout section روش محاسباتی و سری پایه و کلیدواژه لحاظ میگردد. کلیدواژههایی که در نرم افزار گوسین به کار میروند با توجه به نوع محاسبه مد نظر تعیین میگردند. از جمله کلیدواژههایی که در نرم افزار گوسین بکار میرود میتوان به OPT، FREQ، NMR اشاره کرد که به ترتیب انرژی بهینهی ساختار، انرژی ارتعاشی پیوندها و خصوصیات پوشش شیمیایی ساختار را تعیین میکنند. در قسمتTitle section یک عنوان اختیاری برای محاسبه تعیین میشود. در بخش مربوط به بار الکتریکی و چندگانگی اسپینی، این مقادیر برای ساختار مورد نظر بصورت عددی وارد میشود. در بخش مربوط به مشخصات مولکولی، مختصات هندسی اتمها لحاظ میگردد.

2-5-2- نرم افزارهای هایپرکم و گووسویو47
نرمافزارهایی که در این تحقیق برای مدلسازی بکار رفتهاند، هایپرکم و گووسویو میباشند. هر دو نرم افزار جهت طراحی و ساخت مولکول مورد نظر بکار میروند.این نرم افزارها، امکان رسم اتم به اتم در ساختارها را با انتخاب اتمها از جدول تناوبی را به ما میدهند. همچنین در این نرمافزارها قابلیت حذف اتمها یا بخشی از ساختار، امکان چرخش در دو بعد و سه بعد، جابجایی مولکولها و اتصال ساختارها به یک دیگر نیز وجود دارد. با استفاده از این نرم افزارها میتوان طول پیوند، زاویه پیوندی، چهاروجهی در هر ساختار را بررسی کرده و در صورت نیاز تغییر داد. علاوه بر آن، از نرم افزار گووسویو میتوان نتایج ساختارهای محاسبه شده با نرمافزار گوسین را بررسی کرد. این نتایج شامل سطح انرژی بهینه، گشتاور دوقطبی، بالاترین اوربیتال مولکولی اشغال شده، پایینترین اوربیتال مولکولی اشغال نشده و... میباشد. هایپرکم یک نرم افزار کلاسیک میباشد که دارای قابلیتهای منحصر به فردی است و چون قدرت مانور کمتری نسبت به گووسویو دارد، دقیقتر است.
{10و13و21و2و19}
فصل سوم
روش های پژوهش

.
3-1- توضیحاتی دربارهی روش محاسبات:
برای انجام محاسبات کوانتومی توسط نرمافزار گوسین نسخهی 2009 ، سخت افزار مورد استفاده ما یک دستگاه کامپیوتر دسکتاپ با پردازشگر Corei7 و 2 گیگابایت حافظهی رم است. محاسبات کوانتومی بر اساس نظریه ی تابعی چگالی (DFT ) است که متد B3LYP روش مورد نظر ما برای انجام محاسبات محسوب می شود و سری پایه 6-31G* نیز با توجه به کارهای قبلی, سری پایه ی مطلوبی برای هدف مطالعاتی این تحقیق محسوب می شود.
8 مدل از مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول عامل دار شده با نانو لوله کربنی متصل به پروپان (به عنوان Linker) با سایز (0-3) ،همچنین مولکولهای 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول و CNT-PR مورد بررسی قرار گرفتند.ودر جدول زیر تمامی مدل ها و موقعیت های مختلفی که استخلافها قرار گرفته اند آمده است.

شکل 1.3. نانو لوله کربن به همراه پروپان و 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول
جدول 1.3. استخلافهای CNT-PR در موقعیت های مختلف در مولکول 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول
R4 R3 R2 R1 #
H H CNT-PR H 1
CNT-PR H H H 2
H H CNT-PR CNT-PR 3
H CNT-PR CNT-PR H 4
CNT-PR H H CNT-PR 5
H CNT-PR CNT-PR CNT-PR 6
CNT-PR CNT-PR H CNT-PR 7
CNT-PR CNT-PR CNT-PR CNT-PR 8
3-2-مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول

شکل 2.3. مولکول 2و2َ بی 1 هیدروژن ایمیدازول
جدول 1.2.3:مقادیر انرژی مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول بدون گروه عاملی
Dipole moment, Debye GAP (HOMO,LUMO)
EV LUMO,
EV HOMO,
eV Enthalpy,
a.u Energy,
a.u
0.0001 0.18732 -0.0135 -0.19982 -451.2554 -451.25638
جدول 2.2.3 : بار مولیکن برای تک تک اتم های 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول
Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها
0.031835
-0.024332
-0.619395
-0.532537
0.499772
0.499780
-0.532539
-0.619402
0.031830
-0.024330
0.136369
0.155931
0.352361
0.352362
0.136367
0.155930 C
C
N
N
C
C
N
N
C
C
H
H
H
H
H
H 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
جدول3.2.3 : مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتم های 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
100.8972
103.7512
114.6306
368.0466
87.3505
87.3522
368.0388
114.628
100.8958
103.7533
2.8465
2.7674
7.6063
7.6061
2.8466
2.7674 81.5534
66.3671
109.9563
7.8128
58.9677
58.9686
7.8135
109.9589
81.5527
66.3666
25.3698
25.6524
23.7029
23.7026
25.3698
25.6524 C
C
N
N
C
C
N
N
C
C
H
H
H
H
H
H 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
جدول 4.2.3 : مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول
δ Cq اتم ها شماره اتم ها
108.1135 1.54609 C 1
123.2998 1.11601 C 2
144.9606 2.84387 N 3
247.1041 3.70315 N 4
130.6992 1.26505 C 5
130.6983 1.26507 C 6
247.1034 3.70309 N 7
144.958 2.84392 N 8
108.1142 1.54608 C 9
123.3003 1.11602 C 10
6.8127 0.20745 H 11
6.5301 0.20961 H 12
8.4796 0.255175 H 13
8.4799 0.255171 H 14
6.8127 0.20745 H 15
6.5301 0.20961 H 16
3-3 : مولکول CNT-PR

شکل 3.3. CNT به همراه پروپان
جدول 1.3.3 : مقادیر انرژی مولکول CNT-PR
Dipole moment, Debye GAP(HOMO
,LUMO)
EV LUMO,
EV HOMO,
eV Enthalpy,
a.u Energy,
a.u
1.6365 0.07509 -0.11266 -0.18775 -1035.239 -1035.2409
جدول 2.3.3 : بار مولیکن تک تک اتم های مولکول CNT-PR
Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها
-0.023788
0.003128
-0.197905
0.032644
0.178476
0.178476
0.179908
0.179908
0.179752
-0.292029
0.151793
0.151793
-0.262426
0.159708
0.159708
-0.444926
0.147642
0.154945
0.147642 C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
H 21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39 -0.208062
0.037845
-0.024978
0.002453
-0.023788
0.002977
-0.197905
0.032476
-0.000952
0.018551
-0.029271
0.005912
-0.028060
0.003128
-0.198842
0.032644
-0.208062
0.018551
-0.024978
0.005912 C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
جدول 3.3.3 : مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتم های مولکول CNT-PR
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
134.234
194.9394
62.4223
95.6304
11.1223
11.1223
12.9403
12.9403
12.9883
31.1881
6.1632
6.1632
23.8093
4.8102
4.8102
26.2259
8.4424
10.6794
8.4424 39.34070
10.2703
107.2900
88.0421
27.9939
27.9939
28.0335
28.0335
28.0440
150.2835 29.8708 29.8708 162.5616 30.2882 30.2882 173.2284 31.1034 30.8515 31.1034 C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
H 21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39 64.6866
98.8324
131.0271
190.8874
134.2340
196.1997
62.4221
94.6215
83.2180
98.0052
135.2603
192.2777
136.6302
194.9394
62.6030
95.6303
64.6867
98.0051
131.0271
192.2775 101.8549
82.4146
37.0815
11.9548
39.3407
9.9789
107.2902
88.1030
69.7631
82.6254
39.6868
9.4673
37.5058
10.2702
107.7024 88.0422 101.8549 82.6256 37.0816 9.4674
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
جدول 4.3.3: مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول CNT-PR
δ Cq اتم ها شماره اتم ها δ Cq اتم ها شماره اتم ها
150.326 1.8794 C 21 87.812 3.6935 C 1
179.397 2.9976 C 22 107.252 1.7665 C 2
82.377 3.9172 C 23 152.585 1.9033 C 3
101.625 1.7244 C 24 177.712 2.8877 C 4
4.1886 0.1991 H 25 150.326 1.8794 C 5
4.1886 0.1997 H 26 179.688 3.0111 C 6
4.149 0.19822 H 27 82.3767 3.9171 C 7
4.149 0.19822 H 28 101.566 1.7969 C 8
4.138 0.19823 H 29 119.903 4.3964 C 9
39.383 0.5627 C 30 107.041 1.8102 C 10
2.3117 0.1874 H 31 149.98 1.8786 C 11
2.3117 0.1874 H 32 180.199 2.8992 C 12
27.1053 0.8274 C 33 152.161 1.8830 C 13
1.8943 0.18775 H 34 179.397 2.9976 C 14
1.8943 0.18775 H 35 81.9645 3.9075 C 15
16.4385 0.3950 C 36 101.624 1.7948 C 16
1.0791 0.1925 H 37 87.812 3.6935 C 17
1.331 0.1939 H 38 107.041 1.8102 C 18
1.0791 0.1925 H 39 152.585 1.9033 C 19
180.199 2.8992 C 20
3-4- : مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2

شکل 4.3 : : مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2

جدول 1.4.3 : مقادیر انرژی مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2
Dipole moment, Debye GAP(HOMO,
LUMO)
EV LUMO,
EV HOMO,
eV Enthalpy,
a.u Energy,
a.u
1.8202 0.07505 -0.11132 -0.18637 -1485.301 -1485.302
جدول 2.4.3 : مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2
Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها
-0.028154
0.002883
-0.198572
0.031733
-0.208453
0.018238
-0.025278
0.005600
-0.023657
0.003051
-0.198324
0.031799
0.177860
0.178081
0.179346
0.179246
0.179183
-0.299170
0.150379
0.152810
-0.267887
0.157747
0.177722
-0.342783
0.138010
0.151879 C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H 28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53 -0.003441
0.250543
-0.636157
-0.576936
0.515507
0.496826
-0.531557
-0.619992
0.032891
-0.023572
0.137562
0.157494
0.352359
0.352048
0.154526
-0.208055
0.037359
-0.025480
0.002518
-0.023921
0.002609
-0.198054
0.032137
0.001518
0.019990
-0.026984
0.004974 C
C
N
N
C
C
N
N
C
C
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
جدول 3.4.3 : مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR2
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
136.1493
195.0736
61.9668
95.3668
64.8639
98.3180
130.9338
191.8578
134.9383
195.4586
62.1192
94.2998
10.9957
10.7578
13.1166
13.1236
12.9153
30.5506
6.0566
5.5977
36.3155
6.2821
7.7949
25.6586
6.3245
4.7173
37.7236
10.4758
107.4883
88.2866
101.6760
82.1269
37.3628
9.8864
39.3713
10.5573
107.8964
88.5790
27.9446
27.9331
28.0062
28.0127
28.0107
151.0921
29.7627
29.6787
155.4321
30.3239
29.6302
157.5469
29.7677
29.4575
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H 28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53 88.8198
109.4432
107.1977
350.7507
86.0822
86.4986
370.114
114.7333
100.7395
103.7654
3.0302
3.2233
7.72
9.0142
3.9392
65.1857
98.9251
130.762
190.4659
133.8728
196.0494
61.8626
94.5384
85.5183
99.2029
135.6680
192.0001 83.3751
53.6625
111.2838
8.6119
58.4546
59.2226
7.0334
109.6199
81.2228
66.0851
25.3616
25.6697
23.7068
23.8743
25.7996
101.2766
82.2529
37.1826
12.2623
39.3152
10.4502
107.5663
88.3565
68.8059
81.8357
39.6421
9.8658 C
C
N
N
C
C
N
N
C
C
H
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
جدول4.4.3 : مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R2
δ Cq اتم ها شماره اتم ها δ Cq اتم ها شماره اتم ها
151.943 1.88144 C 28 106.291 1.44885 C 1
179.191 3.00478 C 29 136.004 1.09427 C 2
82.1786 3.90887 C 30 143.633 2.87488 N 3
101.380 1.79701 C 31 246.305 3.56591 N 4
89.9909 3.67501 C 32 131.2123 1.30062 C 5
107.54 1.80832 C 33 130.4443 1.24673 C 6
152.304 1.90686 C 34 247.883 3.71512 N 7
179.780 2.89690 C 35 145.297 2.83411 N 8
150.295 1.88011 C 36 108.444 1.56044 C 9
179.109 3.00781 C 37 123.581 1.12492 C 10
81.7705 3.9111 C 38 6.8209 0.20739 H 11
101.0879 1.79940 C 39 6.5128 0.20944 H 12
4.2379 0.19917 H 40 8.4757 0.25523 H 13
4.2494 0.19921 H 41 8.3082 0.25515 H 14
4.1763 0.198241 H 42 6.3829 0.20949 H 15
4.1698 0.198244 H 43 88.3903 3.68499 C 16
4.1718 0.19821 H 44 107.414 1.76532 C 17
38.5748 0.56655 C 45 152.4843 1.90785 C 18
2.4198 0.187192 H 46 177.4046 2.89075 C 19
2.5038 0.18722 H 47 150.351 1.88110 C 20
34.2348 0.87036 C 48 179.216 3.01372 C 21
1.8586 0.18779 H 49 82.1006 3.91176 C 22
2.5523 0.18759 H 50 101.310 1.79707 C 23
32.12 0.40402 C 51 120.861 4.41361 C 24
2.4148 0.18873 H 52 107.831 1.80202 C 25
2.725 0.18673 H 53 150.024 1.87922 C 26
179.801 2.88484 C 27
3-5 : مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R4

شکل 5.3 : مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R4
جدول 1.5.3 : مقادیر انرژی مولکول 2و2َ بی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R4
Dipole moment, Debye GAP(HOMO ,LUMO) EV LUMO,
EV HOMO,
eV Enthalpy,
a.u Energy,
a.u
1.1326 0.0749 -0.11459 -0.18949 -1485.299 -1485.300
جدول 2.5.3 : مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربنR4
Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها
0.033382
-0.207435
0.018918
-0.024169
0.006027
-0.023072
0.003952
-0.198084
0.033102
0.178366
0.177928
0.180811
0.180818
0.180869
-0.297281
0.154766
0.152328
-0.266634
0.170593
0.157844
-0.359171
0.160487
0.150357
0.137012
0.132390
0.156205 C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
H
H
H 28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53 0.032035
-0.023565
-0.620271
-0.532086
0.495303
0.352278
0.350153
-0.075610
-0.680408
-0.537895
0.507054
0.348170
-0.207245
0.038059
-0.024103
0.002580
-0.023624
0.003312
-0.197726
0.033420
-0.003393
0.016990
-0.027490
0.005295
-0.027466
0.003986
-0.198063 C
C
N
N
C
H
C
C
N
N
C
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
جدول 3.5.3 : مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR4
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
96.8398
64.2177
96.2581
131.3936
192.6275
134.606
194.8893
62.8612
95.8388
11.1050
10.8770
13.0186
13.0331
12.819
30.7452
6.0127
5.7872
37.1518
6.3040
7.8776
27.0181
6.3668
4.8739
2.4039
5.3007
3.2250 87.4538
102.2547
83.2952
36.9513
9.6591
39.6539
10.6284
107.6883
87.6670
27.9858
27.9862
27.9783
27.979
27.975
151.4022
29.7606
29.7402
155.0101
30.2031
30.1179
161.2193
29.5118
29.5443
25.3808
25.5537
25.6694 C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
H
H
H 28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53 100.1170
103.6260
114.3264
367.1308
87.0376
7.3198
102.4990
91.3172
104.0147
358.2867
85.5735
6.5667
64.8172
97.5777
131.4364
190.9355
133.6326
195.6523
62.5375
96.0296
81.6811
96.4204
136.3405
193.5830
135.8612
194.5994
62.7627 81.2149
66.2956
110.3520
7.3876
59.1113
23.7779
67.6463
67.2827
107.9273
6.2093
58.1431
23.8043
101.4445
83.1175
36.6998
12.2099
39.5723
10.4561
107.3494
87.4572
71.3418
83.5858
39.1335
9.2179
37.9435
10.6242
107.1167 C
C
N
N
C
H
C
C
N
N
C
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
جدول 4.5.3 : مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با یک استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR4
δ Cq اتم ها شماره اتم ها δ Cq اتم ها شماره اتم ها
102.21 1.7897 C 28 108.452 1.5505 C 1
87.412 3.6960 C 29 123.37 1.1207 C 2
106.37 1.8228 C 30 144.564 2.8491 N 3
152.71 1.9043 C 31 247.52 3.7011 N 4
180.007 2.9097 C 32 130.55 1.2653 C 5
150.01 1.8823 C 33 8.4046 0.2552 H 6
179.03 3.0001 C 34 122.02 1.6226 C 7
81.978 3.9168 C 35 122.38 1.007 C 8
101.99 1.7920 C 36 146.98 2.9352 N 9
4.1967 0.1991 H 37 248.7 3.7148 N 10
4.1963 0.19909 H 38 131.52 1.2785 C 11
4.2042 0.19817 H 39 8.3782 0.2544 H 12
4.2035 0.19815 H 40 88.222 3.7045 C 13
4.2075 0.19814 H 41 106.54 1.7668 C 14
38.264 0.5485 C 42 152.96 1.9043 C 15
2.4219 0.18703 H 43 177.45 2.9038 C 16
2.4423 0.18691 H 44 150.09 1.8827 C 17
34.6568 0.7741 C 45 179.21 3.0058 C 18
1.9794 0.18762 H 46 82.317 3.9197 C 19
2.0646 0.18728 H 47 102.2 1.7887 C 20
28.4476 0.48635 C 48 118.32 4.3196 C 21
2.6707 0.18863 H 49 106.08 1.8221 C 22
2.6382 0.18503 H 50 150.53 1.8754 C 23
6.8017 0.20743 H 51 180.44 2.9115 C 24
6.6288 0.20698 H 52 151.72 1.8811 C 25
6.5131 0.20957 H 53 179.04 2.9957 C 26
82.55 3.9202 C 27
3-6 : مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2

شکل 6.3 : مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
جدول 1.6.3 : مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
Dipole moment, Debye GAP(HOMO,
LUMO) EV LUMO,
EV HOMO,
eV Enthalpy,
a.u Energy,
a.u
1.3815 0.07125 0.11598- 0.18723- 2519.34495- 2519.3459-
Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها
-0.024333
0.005537
-0.023663
0.003678
-0.197905
0.033316
0.178086
0.178494
0.181154
0.181267
0.181138
-0.296845
0.153215
0.153582
-0.266070
0.168832
0.159375
-0.358201
0.158325
0.151605 C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H 71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
0.002859
-0.198201
0.031990
0.177717
0.178489
0.179548
0.179533
0.179322
-0.298834
0.148974
0.153607
-0.267437
0.155711
0.180198
-0.345419
0.134136
0.154581
-0.207188
0.038657
-0.023694
0.002666
-0.023442
0.003582
-0.197804
0.034028
-0.003858
0.017079
-0.028200
0.006005
-0.027816
0.004041
-0.198053
0.033799
-0.207476
-0.207476 C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70 0.316796
0.199075
-0.698820
-0.584898
0.519708
0.495216
-0.531212
-0.621115
0.033234
-0.022937
0.138052
0.157776
0.352390
0.352390
-0.208023
0.037924
-0.025238
0.002407
-0.023875
0.002539
-0.198148
0.032637
0.000904
0.020371
-0.027265
0.005341
-0.028599
0.002964
-0.198304
0.032021
-0.208583
0.017339
-0.025644
0.005334
-0.023772 C
C
N
N
C
C
N
N
C
C
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
جدول 2.6.3 : مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربنR1 و R2
جدول 3.6.3 : مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
98.4441
131.912
191.5185
133.9549
195.946
61.3861
94.7707
10.8467
10.6422
13.2077
13.2163
12.8866
31.0437
7.0637
5.9439
37.1687
7.4478
7.9094
26.3821
9.5251
4.4360
63.149
98.3846
131.3311
191.1472
133.3412
195.1754
61.8613
96.7625
81.9861
94.9234
82.1702
36.9111
9.3583
39.9904
10.8407
107.8213
89.0636
27.9305
27.9446
27.9818
27.9949
27.9821
151.2105
29.7644
29.6559
155.5088
30.3505
29.5536
159.4331
29.7578
29.5228
102.4313
63.149
36.4593
12.0725
40.302
10.3995
107.6306
86.7024
71.2718
83.4968 C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62 93.2045
101.8877
94.7967
343.8917
88.3747
86.4524
369.7769
115.2670
101.2506
103.9169
2.6371
3.5752
7.1833
6.5853
65.2012
99.8085
131.7670
190.7833
133.4933
196.5069
61.5046
94.0447
85.8955
99.4893
136.3663
191.2549
135.9785
194.8718
62.1274
93.6134
64.302 70.2998
56.2738
108.2173
7.5100
59.0547
59.5248
6.7569
109.8846
81.2350
66.1800
25.3556
25.6244
23.7399
23.9457
101.7441
82.0663
36.7877
11.9828
39.5724
10.6169
108.1075
88.7424
68.6006
81.2793
39.3604
9.5155
37.8366
10.5018
107.6063
88.5584
101.9087 C
C
N
N
C
C
N
N
C
C
H
H
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
10.8239
13.1142
13.2215
12.7375
30.8998
6.8058
5.6418
39.0307
7.8294
7.9634
27.5876
8.3643
4.8956 28.0491
27.9861
27.8669
27.9257
151.6187
29.8026
29.768
154.8079
30.2766
30.1545
162.1162
29.513
29.6061
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H 78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90 136.9079
193.4541
134.9719
194.8594
62.749
96.4192
64.0708
95.8216
131.5022
194.2806
132.9678
194.861
61.9369
95.8287
10.8493 39.072
9.0584
37.9951
10.4489
106.9278
87.1475
102.0403
83.6311
36.5499
8.9507
39.968
9.9542
106.953
87.3228
28.0143 C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H 63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
جدول 4.6.3 : مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR1 و R2
δ Cq اتم ها شماره اتم ها δ Cq اتم ها شماره اتم ها
179.16 2.9988 C 28 119.36 1.5006 C 1
82.06 3.9126 C 29 133.39 0.9881 C 2
101.1 1.7945 C 30 145.69 2.9556 N 3
87.75 3.6739 C 31 247.4 3.5816 N 4
107.49 1.8121 C 32 130.61 1.3055 C 5
152.75 1.9054 C 33 130.14 1.2466 C 6
180.3 2.8963 C 34 248.16 3.7129 N 7
149.67 1.8786 C 35 145.03 2.8388 N 8
178.82 3.0019 C 36 108.43 1.5637 C 9
81.84 3.9131 C 37 123.48 1.1281 C 10
100.6 1.7976 C 38 6.8269 0.2073 H 11
4.252 0.19916 H 39 6.5581 0.2094 H 12
4.237 0.19914 H 40 8.4426 0.2552 H 13
4.2007 0.19821 H 41 8.2368 0.2544 H 14
4.1876 0.19824 H 42 87.922 3.6868 C 15
4.2004 0.19818 H 43 107.6 1.7644 C 16
38.45 0.5617 C 44 152.87 1.9068 C 17
2.4181 0.18743 H 45 177.68 2.8829 C 18
2.5266 0.18723 H 46 150.09 1.8818 C 19
34.15 0.8770 C 47 179.05 3.0148 C 20
1.832 0.18783 H 48 81.56 3.9123 C 21
2.628 0.18759 H 49 100.92 1.7956 C 22
30.23 0.3732 C 50 121.06 4.4158 C 23
2.424 0.18937 H 51 108.38 1.8052 C 24
2.659 0.18662 H 52 150.3 1.8785 C 25
87.23 3.7013 C 53 180.15 2.8849 C 26
126.51 1.766 C 54 151.83 1.8816 C 27
δ Cq اتم ها شماره اتم ها δ Cq اتم ها شماره اتم ها
149.69 1.8825 C 73 153.2 1.902 C 55
179.71 2.9950 C 74 177.59 2.8945 C 56
82.71 3.9207 C 75 149.36 1.8813 C 57
102.34 1.7904 C 76 179.26 3.0039 C 58
4.1682 0.19904 H 77 82.03 3.9219 C 59
4.1334 0.19913 H 78 102.96 1.7859 C 60
4.1964 0.19814 H 79 118.39 4.3185 C 61
4.3156 0.19814 H 80 106.17 1.8273 C 62
4.2568 0.19810 H 81 150.59 1.8742 C 63
38.048 0.5475 C 82 180.6 2.9108 C 64
2.3799 0.18708 H 83 151.67 1.8806 C 65
2.4145 0.18713 H 84 179.21 2.9919 C 66
34.859 0.77699 C 85 82.73 3.9218 C 67
1.9059 0.18759 H 86 102.51 1.7891 C 68
2.028 0.18728 H 87 87.62 3.7024 C 69
27.55 0.4747 C 88 106.03 1.8262 C 70
2.6695 0.18924 H 89 153.11 1.9036 C 71
2.5764 0.18527 H 90 180.71 2.9103 C 72
3-7-: مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR2 و R3

شکل 7.3 : مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR2 و R3
جدول 1.7.3 : مقادیر انرژی برای مولکول 2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR2 و R3
Dipole moment, Debye GAP(HOMO,
LUMO) EV LUMO,
EV HOMO,
eV Enthalpy,
a.u Energy,
a.u
2.3084 0.07497 0.11142- 0.18639- 2519.34695- 2519.3479-
Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها Muliken atomic charge اتم ها شماره اتم ها
-0.025058
0.006045
-0.0241
0.003128
-0.198044
0.03232
0.177778
0.177893
0.179409
0.179335
0.179461
-0.299049
0.150568
0.152585
-0.268497
0.158515
0.178263
-0.343034
0.138335
0.152133 C
C
C
C
C
C
H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H 71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
0.179462
-0.29905
0.150567
0.152586
-0.268493
0.158514
0.178261
-0.343036
0.138336
0.152132
-0.002644
0.251513
-0.636627
-0.575983
0.512251
0.352046
0.155883
-0.208269
0.037784
-0.025810
0.002005
-0.023914
0.002599
-0.19809
0.032186
0.001297
0.019482
-0.027322
0.005329
-0.027926
0.002741
-0.198376
0.031991
-0.208608
0.018472 H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
C
N
N
C
H
H
C
C
C
C
C


C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70 -0.002631
0.251501
-0.636618
-0.575979
0.512245
0.352049
0.155883
-0.208270
0.037783
-0.025811
0.002003
-0.023913
0.0026
-0.198091
0.032185
0.001295
0.019482
-0.027324
0.005331
-0.027926
0.002742
-0.198375
0.031991
-0.208607
0.01847
-0.025056
0.006046
-0.024103
0.003128
-0.198042
0.032320
0.177778
0.177893
0.179409
0.179334 C
C
N
N
C
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H
H
H
H 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
جدول 2.7.3 : مقادیر بار مولیکن برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PRدر موقعیت کربن R2 و R3
جدول 3.7.3 : مقادیر همسانگرد و ناهمسانگرد برای تک تک اتمهای مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربن R2 و R3
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
11.0241
10.8425
13.0473
12.9534
12.9746
30.1706
5.8344
5.5076
36.82
6.5179
8.2037
25.4529
6.1013
4.9038
88.635
109.5865
107.259
352.9845
85.1032
9.2069
3.9517
64.403
98.1451
129.9846
190.8925
134.9557
196.3943
62.5351
95.0513
85.3961
99.0417
27.9952
27.9935
28.0384
28.0393
28.0071
151.2266
29.7378
29.6878
155.3324
30.251
29.5665
157.7697
29.7441
29.4123
83.0175
53.2988
110.8663
7.8003
58.6907
23.8657
25.7811
102.0316
83.0699
37.086
12.0695
38.5297
10.202
107.8474
88.1768
68.8818
82.3855 H
H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H
C
C
N
N
C
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62 88.6389
109.5843
107.2579
352.9885
85.1016
9.2076
3.9521
64.4014
98.1437
129.9851
190.8943
134.9564
196.3958
62.5359
95.0509
85.3934
99.0413
135.5417
192.7438
137.0893
195.0052
62.0649
93.6684
64.3901
96.9042
130.7759
192.2751
134.1526
195.2738
62.1875
95.6332 83.0174
53.2987
110.863
7.7986
58.6904
23.8653
25.781
102.0334
83.0709
37.0857
12.0682
38.5301
10.2019
107.8481
88.1768
68.881
82.3867
39.8191
9.5244
37.2299
10.2574
107.7317
88.444
102.3181
83.337
37.0718
9.5253
39.0995
10.1707
107.6561
88.3315 C
C
N
N
C
H
H
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C 1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها Anisotropic chemical shielding Isotropic chemical shielding اتم ها شماره اتم ها
10.8423
13.0474
12.9533
12.9746
30.1701
5.8343
5.5078
36.8165
6.5174
8.2039
25.4512
6.102
4.904
27.9935
28.0384
28.0393
28.007
151.2269
29.7377
29.6879
155.3342
30.251
29.5662
157.7705
29.7442
29.4122 H
H
H
H
C
H
H
C
H
H
C
H
H 78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90 135.5397
192.7426
137.09
195.0032
62.0658
93.6692
64.3904
96.9026
130.7765
192.2734
134.1532
195.276
62.1869
95.632
11.0241 39.8202
9.5257
37.23
10.2579
107.7315
88.4433
102.3172
83.3374
37.0715
9.5264
39.0994
10.1691
107.6571
88.3321
27.9953 C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
H 63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
جدول 4.7.3 : مقادیر Cq و δ برای تک تک اتم های مولکول2و2َبی هیدروژن ایمیدازول با دو استخلاف CNT-PR در موقعیت کربنR3 و R2
δ Cq اتم ها شماره اتم ها δ Cq اتم ها شماره اتم ها

user3-2095

فصل اول-همجوشی هسته‌ایواکنش‌های هسته‌ای تبدیلات خودبخودی یا مصنوعی بعضی از هسته‌ها به هسته دیگر که سبب تغییر ساختار هسته یا تغییر تعداد نوکلئونها (ذرات هسته‌ای) می‌گردد، واکنش‌های هسته‌ای نام دارند. همجوشی هسته‌ای و شکافت هسته‌ای، دو روش اصلی انجام واکنش‌های هسته‌ای می‌باشد.
شکافت هسته‌ایدر واکنش شکافت، هسته‌ی سنگین یک عنصر رادیو اکتیو مانند اورانیوم یا پلوتونیوم به دو یا چند هسته با جرم متوسط تجزیه می‌شود. به طور مثال اورانیوم 235 مورد اصابت یک نوترون قرار می‌گیرد و هسته فوق‌العاده ناپایداری تشکیل می‌شود که تقریبا بلافاصله می‌شکافد و کریپتون و باریم و مقدار زیادی انرژی تولید می‌شود. که ناشی از تبدیل جرم ناپدید شده (با مقایسه میان جرم سوخت‌های اولیه و محصولات واکنش) به انرژی است. این انرژی حدود 5 دهه است که مورد استفاده قرار گرفته است اینک این نیرو همان اندازه از برق جهان را تامین می‌کند که 40 سال پیش بوسیله تمام منابع انرژی تأمین می‌شد شکافت هسته‌ای مزایای بسیاری نسبت به سوخت‌های فسیلی دارد اما مسئله‌ی پسماندهای آن که حاوی مواد پرتوزا با طول عمر طولانی هستند از جمله مهم‌ترین مسائل خاص در مورد استفاده از شکافت هسته‌ای می‌باشد. از سوی دیگر ذخایر اورانیوم جهان برای استفاده در راکتورهای شکافت تنها در یک سده کفایت می‌کنند.
موادی که انجام یک واکنش شکافت هسته‌ای را ممکن می‌سازند عبارتند از: 239Pu ، 235U ، 238U ، و ایزوتوپ 233U ، 235U بطور مصنوعی در راکتورهای هسته‌ای با تاباندن نوترون به 233Th بوجود می‌آید.
در اثر برخورد نوترون حرارتی به ایزوتوپ235U ، هسته اتم به 235U تحریک شده تبدیل می‌شود. اورانیوم تحریک شده بعد از شکافت، به باریم و کریپتون و سه نوترون تبدیل می‌گردد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Krane</Author><Year>1996</Year><RecNum>5</RecNum><DisplayText>[5]</DisplayText><record><rec-number>5</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060620">5</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Krane, K.S.; </author></authors></contributors><titles><secondary-title>Modern Physics. published by Wiley</secondary-title></titles><periodical><full-title>Modern Physics. published by Wiley</full-title></periodical><dates><year>1996</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[5].
1n + 235U → 236U → 144Ba+89Kr + 3 1n
اما مسئله مهمتر اینکه هر نوترون‌ آزاد شده بر اثر شکافتن هسته 235U می‌تواند دو هسته دیگر را شکافته و چهار نوترون را بوجود آورد. شکافت هسته‌ای و آزاد شدن نوترون‌ها بصورت زنجیروار به سرعت تکثیر و توسعه می‌یابد. در هر دوره تعداد نوترون‌ها دو برابر می‌شود. در واکنش‌های کنترل شده تعداد شکافت در واحد زمان و نیز مقدار انرژی به تدریج افزایش یافته و پس از رسیدن به مقداری دلخواه ثابت نگه‌داشته می‌شود. برای دستیابی به فرآیند شکافت کنترل شده و یا متوقف کردن یک سیستم شکافت پس از شروع، لازم است که موادی قابل دسترس باشند که بتوانند نوترون‌های اضافی را جذب کنند. مواد جاذب نوترون بر خلاف مواد دیگر مورد استفاده در محیط راکتور باید سطح مقطع جذب بالایی نسبت به نوترون داشته باشند. مواد زیادی وجود دارند که سطح مقطع جذب آنها نسبت به نوترون بالاست. زمانی که هسته اتمی 235U به دو قسمت شکافته می‌شود تولید عناصر استرتیوم 90، کریپتون 91، ایتریوم 91، زیرکونیوم 95، 126I ، 137U ، باریم 142، سریم 144 امکان پذیر هستند.
همجوشی هسته‌ایواکنش‌های همجوشی هسته‌ای از نوع واکنش‌هایی است که در خورشید و ستارگان صورت می‌گیرد. این واکنش عبارت است از ترکیب (برخورد) هستههای چهار اتم هیدروژن معمولی (شکل 1-1) که ضمن آزاد سازی مقدار زیادی انرژی ناشی از تبدیل جرم به انرژی است (E=mc2)، یک هسته‌ی هلیوم در دماهای بسیار بالای مرکز خورشید و ستارگان تولید می‌گردد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wilhelemsson</Author><Year>2004</Year><RecNum>6</RecNum><DisplayText>[6]</DisplayText><record><rec-number>6</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060659">6</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wilhelemsson, H.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion and the cosmos</title><secondary-title>Condensed Matter Physics</secondary-title></titles><periodical><full-title>Condensed Matter Physics</full-title></periodical><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[6].
در کره‌ی زمین، این انرژی را می‌توان به سه روش محصور سازی مغناطیسی، محصورسازی اینرسی یا لختی و محصور سازی از طریق کاتالیزور میون، تولید کرد؛ که البته همه در مرحله‌ی آزمایش قرار دارند. همجوشی هسته‌ای به دلیل پرتوزایی کمتر و ایمنی بیشتر و فراوانی بیشتر سوخت اولیه برای انجام واکنش‌ها نسبت یه شکافت مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. برای تولید انرژی در مقیاس بزرگ، به تعداد زیادی از واکنش‌هایی که با هم رخ دهند، نیاز است. دافعه‏ی کولنی، مانع رخ دادن همجوشی هسته‏ای می‏گردد. برای غلبه بر این دافعه، به دما و چگالی بالایی مورد نیاز است. در نتیجه سوخت باید در حالت پلاسما باشد.در دمای به قدر کافی بالا، سرعت‏های حرارتی ذرات خیلی زیاد خواهند شد. در این صورت، ذرات این فرصت را خواهند داشت که به اندازه‏ی کافی به هم نزدیک شده، بر دافعه‏ی کولنی چیره شوند وتوانایی پیوند داشته باشند. در طی این فرایند انرژی بسیار زیادی آزاد میگردد.
اگر چگالی پلاسما بیشتر از ١٠20 یون در هر سانتی‌متر مکعب باشد، آن گاه زمان محصورسازی می‌تواند کوتاهتر باشد. اگر پلاسما خیلی فشرده شود، زمان محصورسازی، بی نهایت کوتاه و انرژی آزاد شده، فوقالعاده شدید است. در این صورت با یک بمب سر و کار خواهیم داشت نه یک راکتور کنترل شده. بههمین دلیل، با وجود آن که وظیفه محصورسازی مشکل میگردد، چگالی پلاسما در حداقل نگه داشته می‌شود.
بطور عملی هنوز محفظهای وجود ندارد که بتواند پلاسما با دمایی در حدود چند صد میلیون درجه را محصور سازد. حتی محفظههایی که از فلزات مقاوم در دماهای بالا ساخته شده باشند، تنها در دماهای پایینتر از چند هزار درجه قابل استفاده خواهند بود. ستارگانی نظیر خورشید کره عظیم پلاسمای خود را از طریق جاذبه حفظ میکنند. پلاسما از ذرات باردار تشکیل یافته است. این ذرات نمی توانند خطوط میدان مغناطیسی را قطع کنند، اما حول این خطوط میچرخند. این نکته، خلاصهای از مبنای فکری طرح محصورسازی پلاسما توسط خطوط میدان مغناطیسی را تشکیل داده است.
در یک تعریف کلی فرایند جلوگیری از برخورد پلاسما با دیواره‌های مخزنی که در آن جای دارد، محصورسازی نامیده می‌شود و همچنین زمان تقریبی برای اینکه یون‌ها توسط میدان احاطه کننده به دام افتاده باقی بمانند، زمان محصورسازی نامیده می‌شود.

شکل 1-1- مراحل زنجیره‌ی پروتون – پروتون که در خورشید اتفاق می‌افتد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>McCollam</Author><Year>2013</Year><RecNum>7</RecNum><DisplayText>[7]</DisplayText><record><rec-number>7</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061554">7</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>McCollam, K.; </author></authors></contributors><titles><title>Magnetic confinement in plasma physics</title><secondary-title>UW–Madison Physics Dept.</secondary-title></titles><periodical><full-title>UW–Madison Physics Dept.</full-title></periodical><dates><year>2013</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[7]
انتخاب سوخت مناسبباتوجه به فرآیندهای طبیعی و نتایج حاصل از آنها، مشخص شده است که واکنشهای همجوشی بسیاری وجود دارد. متغیرها برای واکنشهای مختلف، هستههای سوخت درگیر، محصولهای واکنش که خارج می شوند، مقدار واکنش و بستگی احتمال انجام واکنش به خواص جنبشی واکنش دهندهها، می باشند.
برهم کنش ایزوتوپهای هیدروژنی (دوتریم وهلیوم 3) یکی از واکنش‌های مورد توجه در فرآیند همجوشی میباشد. به دلیل این‌که ایزوتوپ های هیدروژن فقط یک بار الکتریکی دارند و انرژی حرارتی کمتری برای نزدیک شدن به یکدیگر نیاز دارند، به عبارت دیگر در دماهای پایین همجوشی ایزوتوپهای هیدروژن اتفاق میافتد. به علت عدد اتمی واحد ایزوتوپها، این برهم کنش هیدروژنی دارای قابلیت نفوذ بسیار بالایی در سد کولنی میباشد. برای تعیین سوخت‌های همجوشی مناسب، باید در دسترس بودن سوخت مورد نظر، شرایط نگهداری و سطح مقطع واکنش مورد نظر را در نظر گرفت. برخی از واکنش‌های گوناگون همجوشی، شامل واکنش‌های ذکر شده در جدول(1-1) می‌باشد. در بیشتر واکنش‏های همجوشی، دو هسته‏ سبک با هم ترکیب و به هسته‏‏ سنگین‏تر تبدیل می‏شوند که رابطه‏ واکنش هسته‏ای آن‏ها به صورت زیر است:

جدول1-1- برخی از واکنش‌های همجوشی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>falzner</Author><Year>2006</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060407">1</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>falzner, S.P.;</author></authors></contributors><titles><title>An Introduction to Interial Confinement Fusion.</title><secondary-title>New York: CRC Press</secondary-title></titles><periodical><full-title>New York: CRC Press</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]
سوخت واکنش همجوشی شکل اختصاری بهره انرژی بر حسب ژول
DT D+T→42He+10n T(d,n)4He 2.8×10-12
DDn D+D→32He+10n D(d,n)3He 5.24×10-13
TT T+T→42He+10n+10n T(t,2n)4He 1.81×10-12
DDp D+D→T+P D(d,P)T 6.46×10-13
D-3He D+32He→42He+P 3He(d,P)4He 2.93×10-12
P_6Li P+63Li→42He+32He 6Li(p,x)3He 6.44×10-13
P_11B P+115B→3(42He) 11B(p,2x)4He 1.39×10-12
واکنش D-T دارای بیشترین سطح مقطع میباشد، مقدار بیشینه سطح مقطع آن 5 بارن برآورد شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>al.</Author><Year>2002</Year><RecNum>111</RecNum><DisplayText>[8]</DisplayText><record><rec-number>111</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="tx9da0v069srt5eteeoxtwa7fvfdz5wd09zx" timestamp="0">111</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>HarmsA. et al.</author></authors></contributors><titles><title>Principles of Fusion Energy</title><secondary-title>World Scientific Publishing Co. pte. 1td.</secondary-title></titles><dates><year>2002</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[8].
(1-1)
واکنش همجوشی قابل دسترس دیگر، در برگیرندهی هستهی دوتریم به عنوان سوخت است:
(1-2)
این نمایش نشان میدهد که واکنش D+Dاز طریق دو کانال واکنش متمایز، همجوشی میکند که تقریبا با احتمالهای برابر صورت میگیرد. سطح مقطع برای هریک از آنها حدود 100 مرتبه کوچکتر از واکنشD-T است از این دو واکنش در مییابیم که خواص واکنش D-T مطلوبتر از خواص واکنش D-D است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Biberian</Author><Year>2009</Year><RecNum>9</RecNum><DisplayText>[9]</DisplayText><record><rec-number>9</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061676">9</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Biberian, J.P.;</author></authors></contributors><titles><title>Experiments and Methods in Cold Fusion</title><secondary-title> Journal of Condensed Matter Nuclear Science</secondary-title></titles><volume>2</volume><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[9].
همچنین ممکن است دوتریم، با محصولهای واکنش تریتیوم و هلیوم-3 همجوشی کند که افزون بر معادله‌ی (1-1)، داریم:
(1-3)
واکنش همجوشی یاد شده، در برگیرندهی دوتریم و همچنین هستههای سبک دارای جرم بیشتری هستند. از مزایای این واکنش نسبت به D-D میتوان به سوختی رادیواکتیو نبودن و یک واکنش نوترونیک بودن اشاره کرد. به عبارت دیگر در مسیر واکنش همجوشی هیچ نوترونی تابش نمیکند، در نتیجه تابش نوترون به طور چشمگیری کاهش مییابد که میتواند به معنای یک محافظ خیلی ارزان برای راکتور استفاده شود؛ زیرا تابشهای نوترونی باعث تخریب دیواره راکتور میشوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Brereton</Author><Year>1988</Year><RecNum>10</RecNum><DisplayText>[10]</DisplayText><record><rec-number>10</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061736">10</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Brereton, S. J.; Kazimi, M. S.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Fusion Engineering and design</secondary-title></titles><volume>30</volume><number>207</number><dates><year>1988</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[10]. قلهی آهنگ واکنش برابر با58 است. اما تولید هلیوم -3 بسیار سخت است، در حال حاضر میتوان آن را محصولی از راکتورهای شکافت دانست، زیرا تریتیوم تولید شده در راکتورهای شکافت به طور طبیعی بعد از مدتی به هلیوم 3 واپاشی میکند.
اگر این شکل ادامه یابد، برای واکنش هستهای ، تعداد زیادی کانالهای واکنش مشخص شده است:
(1-4)
واکنشهای هستهای که درگیر هستههای سبک، مانند پروتون، میباشند ممکن است مطابق فرآیندهای زیر روی دهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Atzeni</Author><Year>2004</Year><RecNum>11</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>11</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061786">11</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Atzeni, S.;</author></authors></contributors><titles><title>The Physics of Inertial Fusion</title><secondary-title> Rome: Clarendon PRESS</secondary-title></titles><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11]:
(1-5 الف) (1-5 ب)
(1-5 ج)
و همچنین دیگر واکنشهای مبتنی بر و ، عبارتند از:
(1-6)
(1-7)
(1-8)
نمایش فیزیکی واکنشهای همجوشی، تنها بررسیهای لازم برای تعیین و گزینش آن، به عنوان سوخت راکتور همجوشی نیست بلکه بررسیهای دیگری در برگیرندهی قابل دسترس بودن سوختهای همجوشی، سختی در نگهداری و دانسیتهی میزان واکنش کافی، نیز لازم میباشد.
تاکید بر دیگر نکات واکنشهای همجوشی یاد شده، ضروری است. در هر حالت، کسرهای مختلف از مقدار واکنش، در شکل انرژی جنبشی ذرات باردار و نوترونهای خنثی باقی میماند، در نتیجه ایدهی یک راکتور همجوشی پایه گذاری شده با بازده بالا؛ تبدیل مستقیم انرژی ذرات باردار، به ویژه برای واکنشهایی که کسر بزرگتری از مقدار آنها در شکل انرژی جنبشی باردار باقی میماند، مناسب به نظر میرسد. این نکته به طور ویژهای مورد توجه است؛ چرا که نوترونهایی که به عنوان محصول واکنش همجوشی پدیدار میشوند، به گونهی تغییر ناپذیری به محصولات رادیو اکتیو در مواد مهارکننده قلب همجوشی کمک میکنند.
کمیتی مهم در ارتباط با واکنش‌های هسته‌ای، سطح مقطع واکنش است که به صورت احتمال برهم‌کنش هر جفت از ذرات، تعریف می‌شود. برای وقوع واکنش همجوشی، دو هسته‏ی باردار مثبت باید با غلبه بر نیروی دافعه‏ی کولنی، با هم برخورد کنند. تابع پتانسیل دافعه‏ی کولنی به صورت زیر است:

که Z1 , Z2، عدد اتمی هسته‌های برهم‌کنش کننده می‌باشد.
نیروی دافعه‏ی کولنی در فاصله‏ بیشتر از مجموع شعاع دو هسته برقرار است. شعاع دو هسته از رابطه‏ زیر بدست می‏آید:

که A1,A2 اعداد جرمیِ هسته‌های برهم‌کنش‏ کننده هستند.
شکل1-2 نشاندهنده انرژی پتانسیل برحسب فاصله‏ دو هسته‏ باردار می‌باشد که با انرژی مرکز جرم به هم نزدیک می‏شوند و نشان‏دهنده‏ چاه هسته‏ای، سد کولنی و نقطه‏ی بازگشتی کلاسیکی است.

شکل 1-2- انرژی پتانسیل بر حسب فاصله‏ی دو هسته‏ی باردار که با انرژی مرکز جرم به هم نزدیک می‏شوند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Atzeni</Author><Year>2004</Year><RecNum>11</RecNum><DisplayText>[11]</DisplayText><record><rec-number>11</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061786">11</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Atzeni, S.;</author></authors></contributors><titles><title>The Physics of Inertial Fusion</title><secondary-title> Rome: Clarendon PRESS</secondary-title></titles><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[11].در فاصله‏ی r <rn، دو هسته تحت تأثیر نیروی جاذبه‏ی هسته‏ای قرار می‏گیرند که با چاه پتانسیل به عمق، مشخص می‌شود. با استفاده از معادلات می‏توان ارتفاع سد پتانسیل را پیدا کرد:

بر طبق مکانیک کلاسیک، فقط هسته‌هایی با انرژی بیشتر از این مقدار می‏توانند بر سد کولنی غلبه کرده و با هم برخورد کنند و هسته‌هایی با انرژی نسبی () کمتر از، می‏‏توانند تا نقطه‏ی بازگشت کلاسیکی به هم نزدیک شوند. ولی در مکانیک کوانتومی، واکنش همجوشی بین دو هسته با انرژی کمتر از سد کولنی، نیز ممکن است؛ چون تونل‏زنی از سد کولنی مجاز است. پارامترهای دخیل در برهم‌کنش بین پرتابه و هدف، سطح مقطع واکنش و واکنش‏پذیری هستند.
ایده‌های راکتور همجوشیانواع روشهای محصورسازی مورد استفاده در راکتورهای همجوشی هسته‌ای، همجوشی از طریق محصورسازی اینرسی، همجوشی از طریق کاتالیزور میون و محصورسازی از طریق محبوس کردن مغناطیسی می‏باشند که هدف هر سه روش، برآورده ساختن معیار لاوسون می‌باشد. محصورسازی لختی، فرایند نگهداری پلاسما را در چگالی‏های بالا و در زمان کوتاه انجام می‏دهد و محصورسازی مغناطیسی، پلاسما را در چگالی‏های پایین، در زمان نسبتاً طولانی محصور می‏سازد و روش کاتالیز میون در دماهای معمولی رخ می‌دهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jones</Author><Year>1986</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062363">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jones, S.E.;</author></authors></contributors><titles><title> Muon-Catalysed Fusion Revisited</title><secondary-title>Nature</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nature</full-title></periodical><pages>127-133</pages><volume>321</volume><number>6066</number><dates><year>1986</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12].
1-5-1- همجوشی هستهای کنترل شده توسط لختی(ICF)زمان محصورسازی در محصورسازی لختی خیلی کوتاه است. در نتیجه برای داشتن نرخ واکنش همجوشی بیشتر، نیازمند چگالی بالای پلاسما هستیم. در این روش، سوخت با استفاده از نیروهای قوی بیرونی، باید تا 1000 برابر چگال‌تر از حالت جامد فشرده شود.
کپسول با استفاده از پرتوهای محرک که از اطراف سطح خارجی آن تابیده می‌شود، متراکم می‌گردد. در محصورسازی به روش لختی، از روش‌های مختلفی برای تراکم کپسول استفاده می‌شود. در هر کدام از این روش‌ها سعی بر آن است که نسبت انرژی خروجی به انرژی ورودی را بالا ببرند. نوع پرتوهای محرک که برای تراکم کپسول استفاده می‌شود، عامل اصلی بالا و پایین بردن بهره انرژی در ICF می‌باشد. از پرتوهای لیزرهای پر توان پالسی، باریکه‌هایی از ذرات باردار نظیر یون‌های سنگین، یون‌های سبک و باریکه‌های الکترونی برای متراکم نمودن کپسول‌ها می‌توان استفاده کرد. این پرتوهای محرک که بصورت پالس‌هایی با توانW‌ 1014 تهیه می‌شود، دارای بهره انتقال انرژی متفاوتی به کپسول هستند. پرتوهای لیزری و باریکه‌های یون سنگین نسبت به سایر پرتوهای محرک به علت بهره بالاتر جذب انرژی در کپسول‌ها مورد توجه بیشتری قرار گرفتند. در طراحی کپسول‌های سوخت هر دو روش پرتوهای محرک لیزری و باریکه‌های یون سنگین مورد بررسی قرار گرفته است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Nakai</Author><Year>1990</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText>[13, 14]</DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061968">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Nakai, S.; et al.; </author></authors></contributors><titles><title>Inertial Confinement</title><secondary-title>Nuclear Fusion</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Fusion</full-title></periodical><pages>1779-1797</pages><volume>30</volume><number>9</number><dates><year>1990</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 14].
انتخاب پرتوهای یون سنگین به علت قابلیت بالای انتقال انرژی به کپسول، بالای 25 درصد در مقایسه با باریکه‌های لیزری با بهره‌ی انرژی کمتر از 10 درصد روشی موثر به ‌شمار می‌رود که به خاطر ناپایداری‌هایی که در اثر نایکنواختی و ناهمزمانی باریکههای یونی اتفاق می‌افتد، اخیرا بصورت غیر مستقیم مورد استفاده قرار می‌گیرد. نور لیزر، ساده‌ترین و کم هزینه‌ترین روشی است که طراحان از آن برای تراکم کپسول استفاده می کنند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[13, 14]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Nakai</Author><Year>1990</Year><RecNum>13</RecNum><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061968">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Nakai, S.; et al.; </author></authors></contributors><titles><title>Inertial Confinement</title><secondary-title>Nuclear Fusion</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Fusion</full-title></periodical><pages>1779-1797</pages><volume>30</volume><number>9</number><dates><year>1990</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 14].

شکل 1-3- نمایی از کپسول هدف ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>falzner</Author><Year>2006</Year><RecNum>1</RecNum><DisplayText>[1]</DisplayText><record><rec-number>1</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060407">1</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>falzner, S.P.;</author></authors></contributors><titles><title>An Introduction to Interial Confinement Fusion.</title><secondary-title>New York: CRC Press</secondary-title></titles><periodical><full-title>New York: CRC Press</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[1]
کپسول هدف در این روش، قرص کوچکی با شعاع کمتر از ، حاوی یک لایه‏ی کروی است که بطور مثال با گاز دوتریوم– تریتیوم بصورت متقارن و یکنواخت بصورت شکل 1-3 پر شده است. این لایه، حاوی یک ماده با Z بالا در ناحیه‏ی خارج و DT در داخل است که توده‏ی سوخت را تشکیل می‏دهد.
برای رسیدن به شرایط دما و چگالی بالای مورد نیاز برای همجوشی، باید این کپسول تا جایی که ممکن است به طور متقارن و با انرژی انفجاری خیلی زیادی تابش ببیند. انرژی مورد نیاز، برای راه‏اندازی این فرایند بسیار زیاد است. برای گرمایش یک کپسول سوخت با قطر ، تا دمای، به اندازه‏ی انرژی مورد نیاز است که این انرژی می‌تواند با نور شدید لیزر یا توسط پرتوهای یونی تامین شود. این مقدار انرژی باید در چند پیکوثانیه به قسمت خارجی لایه‏ی هدف منتقل شود. به دلیل انفجار انرژی روی قسمت خارجی لایه‏ی هدف، این لایه‏ گرم شده بلافاصله یونیزه و تبخیر می‌شود. این فرایند کندگی نام دارد. وقتی این قسمت کنده می‌شود، قسمت داخلی و سوخت به دلیل بقای اندازه‏ حرکت، به سمت داخل رانده می‌شود (شکل1-4). در حین این رانش، چگالی سوخت تا چند صد گرم بر سانتیمتر مکعب و دمای سوخت تا حد دمای احتراق برای همجوشی افزایش می‌یابند. در نتیجه، احتراق رخ می‏دهد و فشاری به سمت خارج ایجاد می‌شود که بر موج انفجار به داخل غلبه کرده و منجر به انفجاری به خارج می‌شود. بدین ترتیب چگالی و دمای مورد نظر بدست می‏آیند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14].

شکل 1-4- مراحل همجوشی به روش محصورسازی لختی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><DisplayText>[14]</DisplayText><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[14]
1-5-2- همجوشی هستهای توسط کاتالیزور میون(µCF)
روش دیگری برای رسیدن به انرژی همجوشی هسته‌ای در سال 1957 مطرح شد، که تحت عنوان همجوشی از طریق کاتالیزر میون معروف است و یک فرآیند همجوشی گسترده و تجدید پذیر است که در دماهای معمولی رخ می‌دهد. همانطور که گفته شد یکی از مهم‌ترین مسایل در فرآیند همجوشی، غلبه بر نیروی دافعه‌ی کلونی و ایجاد شرایطی که یون‌ها در محدوده‌ی نیروهای جاذبه‌ی نیرومند هسته‌ای قرار گیرند، می‌باشد. پیدایش میون در مدار اتم هیدروژن، اثر کاهش دافعه‌ی نیروی کلونی دارد. میون ذره‌ای بنیادی است که خواص آن مانند الکترون است، با این تفاوت که جرم میون تقریبا 207 برابر جرم الکترون است و ذره‌ای ناپایدار با زمان عمر µS2/2 می‌باشد. پس از گذشت این زمان میون به یک الکترون e- و یک نوترینوی میونی و به یک پادنوترینوی الکترونی واپاشی می‌کند. بصورت دقیق در اوایل 1980مورد مطالعه قرار گرفت ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Jones</Author><Year>1986</Year><RecNum>16</RecNum><DisplayText>[12]</DisplayText><record><rec-number>16</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062363">16</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Jones, S.E.;</author></authors></contributors><titles><title> Muon-Catalysed Fusion Revisited</title><secondary-title>Nature</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nature</full-title></periodical><pages>127-133</pages><volume>321</volume><number>6066</number><dates><year>1986</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[12].
جرم زیاد میون نسبت به الکترون، به آن اجازه می‌دهد که وارد مدار اتم هیدروژن با شعاع بوهر، 207 مرتبه کوچکتر از شعاع الکترون شود و این باعث می‌شود که این اتم هیدروژن نسبت به دیگر اتم‌ها یا یون‌های هیدروژن، سنگین‌تر است. بنابر این، این هسته‌ی سنگین به دلیل کاهش نیروی دافعه‌ی کلونی می‌تواند با صرف انرژی کمتری به اتم‌ها و یون‌های دیگر هیدروژن، بسیار نزدیک شود و هنگامیکه هیدروژن میون‌دار و هیدروژن معمولی به اندازه‌ای به هم نزدیک شوند که تغییرات توزیع بار را احساس کنند، به حدی رسیده‌اند که نیروهای جاذبه‌ی هسته‌ای بین آن‌ها ایجاد شده است و پدیده همجوشی را بوجود می‌آورد بنابر این یکی از روش‌های ایجاد همجوشی در دمای پایین استفاده از کاتالیزور میون است.
میون اولین بار توسط اندرسون وندرمییر در سال ١٩٣٧ کشف شد. از طرف دیگر هنگامی که پاول ذره پایون را در سال ١٩۴٧ کشف کرد، فرانک پیشنهاد کرد که پایون‌های منفی می‌توانند به کمک محصور سازی شیمیایی، واکنشهای همجوشی را کاتالیز نمایند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Frank</Author><Year>1947</Year><RecNum>17</RecNum><DisplayText>[15]</DisplayText><record><rec-number>17</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062414">17</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Frank, F.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Nature</secondary-title></titles><volume>160</volume><number>525</number><dates><year>1947</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[15]:
pπ + d → pdπ→3He + π(1-9)
با وجود اینکه، احتمال جذب پایون توسط هسته بسیار بزرگ است، اما پایون زمان کافی برای تشکیل pdπ را نخواهد داشت. یک سال بعد، ساخارف پیشنهاد همجوشی کاتالیزور میونی را مطرح کرد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Sakharov</Author><Year>1948</Year><RecNum>18</RecNum><DisplayText>[16]</DisplayText><record><rec-number>18</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062457">18</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Sakharov, A.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Lebedev Physics Institute Report</secondary-title></titles><periodical><full-title>Lebedev Physics Institute Report</full-title></periodical><dates><year>1948</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[16].
به دلیل اینکه تشکیل مولکول‌های میون‌دار در اثر فرایندهای برخوردی چند مرحله‌ای صورت می‌گیرد، بازده همجوشی کاتالیزور میونی، به شرایط ماکروسکوپی از قبیل دما، چگالی محیط و کسر غلظت‌های هیدروژن مایع و ضریب چسبندگی میونی وابسته است و می‌تواند به کمک تئوری سینتیکی که اساس آن آهنگ‌های برخوردی میکروسکوپی و سطح مقطع‌ها می‌باشد بهینه گردد. در سال‌های اخیر برای افزایش چرخه میونی، مخلوط سه تایی H/D/T پیشنهاد شده، که گزارشات و مقالات متناقضی در مورد افزایش یا کاهش ضریب تکثیر میونی گزارش شده است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Eskandari</Author><Year>1998</Year><RecNum>19</RecNum><DisplayText>[17-19]</DisplayText><record><rec-number>19</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062505">19</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Eskandari, M. R.; and Deilami S.;</author></authors></contributors><titles><title>Stability studies of D/T/H sys-- using Hurwitz method</title><secondary-title>IPAC, Kerman</secondary-title></titles><periodical><full-title>IPAC, Kerman</full-title></periodical><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Markushin</Author><Year>1991</Year><RecNum>20</RecNum><record><rec-number>20</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062559">20</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Markushin, V. E.; et al.;</author></authors></contributors><titles><title> Kinetics of muon catalyzed fusion in the triple H2-D2-T2 mixture atlow deuterium and tritium concentrations</title><secondary-title> Technical Report PSI-PR-41-92, Preprint from Paul Scherrer Institute, Villigen</secondary-title></titles><dates><year>1991</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Eskandari</Author><Year>1999</Year><RecNum>22</RecNum><record><rec-number>22</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062767">22</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Eskandari, M. R.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title> Journal of Nuclear Science</secondary-title></titles><volume>36</volume><number>1</number><dates><year>1999</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[17-19].
1-5-3- محصورسازی مغناطیسی (MCF) در محصورسازی مغناطیسی از میدان‌های مغناطیسی و الکترونیکی برای گرما دادن و فشردن پلاسمای هیدروژن در راکتور ITER استفاده میشود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite ExcludeYear="1"><Author>Wagner</Author><RecNum>23</RecNum><DisplayText>[20]</DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062841">23</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wagner, F.;</author></authors></contributors><titles><title> ThePhysics Basis of ITER Confinement</title><secondary-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</secondary-title></titles><periodical><full-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</full-title></periodical><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20].
راکتورهای همجوشی هستهای که در آنها پلاسما به روش مغناطیسی محصورشده است براین اساس که میدان مغناطیسی تمام یا قسمتی از سطح پلاسما را بپوشاند، به دو گروه زیر تقسیم شدهاند:
چنبرهای
انتها باز
از معروفترین ماشین‌های پینچ می‌توان از تتا پینچ و Z پینچ نام برد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Polsgrove</Author><Year>2011</Year><RecNum>24</RecNum><DisplayText>[21]</DisplayText><record><rec-number>24</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062899">24</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Polsgrove, T.; Robert, S.F.; Adams ,B;</author></authors></contributors><titles><title>Design of Z-pinch and Dense Plasma Focus Powered Vehicles</title><secondary-title>49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition</secondary-title></titles><periodical><full-title>49th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition</full-title></periodical><dates><year>2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[21]. این سیستم‌ها آرایش استوانه‌ای دارند. در تتا پینچ جریانی از یک سیم‌پیچ استوانه‌ای پلاسما را دور می‌زند، و میدان حاصل از آن منجر به محصورسازی آن می‌شود. در Z پینچ توسط الکترودهایی که در قاعده‌ها قرار دارد جریانی در جهت محوری تولید می‌شود میدان ناشی از آن، پلاسما را گرم و متراکم می‌کند.
پینچ معکوس نوعی پینچ است که در آن جریانی در خلاف جهت جریان پلاسما اعمال می‌شود. در این دستگاه برهم‌کنش میدان قطبی ناشی از جریان رسانای داخلی، با جریان پلاسما منجر به حرکت پلاسما به سمت خارج می‌شود. در این دستگاه از دو استوانه هم محور به عنوان الکترود استفاده می‌شود. با تخلیه‌ی شعاعی میان دو الکترود میدان مغناطیسی قطبی القا می‌شود که پلاسما را گرم و متراکم می‌کند.
در سیستم‌های آینه‌ای پلاسما، از یک سیم‌پیچ ین-یانگ استفاده می‌شود پلاسما در این آرایش در ناحیه‌ای که از حداقل میدان مغناطیسی برخوردار است، محصور می‌شود. این نوع دستگاه‌ها عملکرد پایا دارند اما در آنها پلاسما از انتهای باز میدان خارج و تلف می‌شود، بنابراین باید از روش‌های کنترل انرژی خروجی استفاده کرد.
از جمله آزمایش‌های آینه‌ای در جهان عبارتند از: GDT و GoL-3-II در روسیه، Qt-UP و Gamma-10 در ژاپن. در حال حاضر با توجه به نتایج عملی و تجربی به دست آمده بیشتر آزمایش‌های مغناطیسی بر توکامک متمرکز شده‌اند. در شکل 1-5 یک راکتور از نوع آینه‌ای نشان داده شده است.

شکل1-5- راکتور آینهای ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Stacy</Author><Year>2010</Year><RecNum>25</RecNum><DisplayText>[22]</DisplayText><record><rec-number>25</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063009">25</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Stacy, M. Stacey;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion An Introduction to tHe physics and technology of magnetic confinement fusion</title><secondary-title>Second, completely Revsed and enlarged Edition</secondary-title></titles><periodical><full-title>Second, completely Revsed and enlarged Edition</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[22]
همچنین بنابر نوع عملکرد راکتورها، آنها را میتوان به انواع زیر نیز تقسیم بندی کرد (از مهمترین آنها می‎توان به دستگاههای چنبره‎ای مانند توکامک، استلاراتور، چنبره برآمده ، اسفرومک، اسفراتور، تورساترون و دستگاههای انتها بازی چون آینه‎های مغناطیسی، پینچها و پلاسمای کانونی اشاره کرد.):
پایا: در این نوع راکتور واکنش‌های همجوشی به صورت مداوم انجام میگیرند.
تپی: این راکتور به طور مرتب قطع و وصل میگردد. زمان همجوشی تقریبا با زمان محصور بودن پلاسما برابر است.
شبه پایا: در مقایسه با انواع نامبرده، یک راکتور متوسط محسوب میگردد . زمان همجوشی آن اندکی بیشتر از زمان محصور شدن پلاسما است. اما در هر حال زمان محدودی است. (توکامک نمونهای از این نوع راکتور است.)
طبقه بندی انواع راکتور ها برحسب روش محصور کردن پلاسمادر دستگاه چنبره‎ای، پلاسما توسط میدان‌ مغناطیسی محصور می‎گردد. میدان اصلی در توکامک میدان چنبره‎ای است که بطور نمادین در شکل(1-6) نشان داده شده است. در جدول (1-2) نیز خلاصهای از انواع راکتورها برحسب روش محصور کردن پلاسما و نوع عملکرد آنها آورده شده است.
جدول1-2- انواع راکتورها برحسب روش محصور کردن پلاسماآرایش میدان مغناطیسی دستگاه نوع عملکرد
چنبره ای توکامک شبه پایا
تنگش میدان وارونه شبه پایا
استلاراتور پایا
هلیوترون پایا
تنگش چنبره ای تپی
انتها باز آیینه ای پایا
تنگش مستقیم تپی
پلاسمای کانونی تپی
شکل 1-6- نمایی از دستگاه چنبرهای پلاسما ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Glasstone</Author><Year>1980</Year><RecNum>27</RecNum><DisplayText>[23, 24]</DisplayText><record><rec-number>27</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063252">27</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Glasstone, S.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion Energy</title><secondary-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</secondary-title></titles><periodical><full-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</full-title></periodical><dates><year>1980</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Emrich</Author><Year>2001</Year><RecNum>26</RecNum><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063119">26</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Emrich, W. J.;</author></authors></contributors><titles><title>Field-Reversed Magnetic Mirrors for Confinement of Plasmas</title><secondary-title>NASA Tech Briefs</secondary-title></titles><periodical><full-title>NASA Tech Briefs</full-title></periodical><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[23, 24]
1-6-1- راکتور توکامکتوکاماک یکی از انواع رآکتورهای همجوشی هستهای است که عمل محصورسازی را به خوبی انجام میدهد. طرح توکاماک در دهه پنجاه میلادی توسط روس‌ها پیشنهاد شد. کلمه توکاماک از کلمات "toroidalnaya", "kamera", and "magnitnaya" به معنی " اتاقک مغناطیسی چنبره‌ای" گرفته شده است. این سیستمها حاوی پلاسمای سوخت هستند که توسط دو سری میدان مغناطیسی نگهداری میشوند، و شکلی مانند چنبره تشکیل می‌دهند. ITER اسم مجموعهایست که اولین رآکتور همجوشی جهان از نوع توکاماک را ساخته است. این مجموعه متشکل از کشورهای روسیه، اروپا، ژاپن، کانادا، چین، ایالات متحده و جمهوری کره می‌باشد. آنها در این راه از فوق هادیها برای قسمتهای مغناطیسی رآکتور استفاده کرده و توان خروجی این توکاماک 410 مگا وات می‌باشد.
1-6-2- قسمتهای اصلی راکتور توکاماک ITERنمایی از راکتور توکامک ایتر در شکل(1-7) و (1-8) آورده شده است که شامل قسمتهای متفاوتی برای انجام فرایند محصورسازی پلاسما به روش مغناطیسی می‌باشد. این اجزا به همراه فرایندی که در آن انجام می‌گیرد بصورت خلاصه و در حد لزوم در زیر آمده است:
لوله خلأ: پلاسما را نگه داشته و از محفظه فعل و انفعال محافظت میکند
انژکتور پرتو خنثی(سیکلوترون یون): ذرات پرتو را از شتاب دهنده به پلاسما تزریق میکند تا به پلاسما برای رسیدن به دمای بحرانی کمک نماید.
میدان مغناطیسی مارپیچ: رفتار مغناطیسی بسیار قوی که شکل و محتوای پلاسمای استفاده شده در میدان مغناطیسی را محدود میکند.
ترانسفورماتور/ سولنوئید مرکزی: الکتریسیته را برای میدان مغناطیسی مارپیچ تامین میکند.
سیستم خنک کننده: آهنربا را خنک میکند.
سیستم عایق: ساخته شده از لیتیم است؛ گرما و انرژی بالای نوترون را از راکتور همجوشی هسته‌ای جذب میکند.
دایورتور: خروج محصولات هلیم از راکتور همجوشی

شکل 1-7- راکتور توکاماک ایتر ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wagner</Author><Year>2012</Year><RecNum>28</RecNum><DisplayText>[25]</DisplayText><record><rec-number>28</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063339">28</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wagner, F.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion Energy by Magnetic Confinement</title><secondary-title> Research Laboratory for Advanced Tokamak Physics, St. Petersburg Polytechnical State</secondary-title></titles><dates><year>2012</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[25]

شکل 1-8- سطح مقطع ایتر با پلاسمای بیضی ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite ExcludeYear="1"><Author>Wagner</Author><Year>2009</Year><RecNum>23</RecNum><DisplayText>[20]</DisplayText><record><rec-number>23</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062841">23</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wagner, F.;</author></authors></contributors><titles><title> ThePhysics Basis of ITER Confinement</title><secondary-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</secondary-title></titles><periodical><full-title>Max-Planck-Institut für Plasmaphysik EURATOM Association</full-title></periodical><dates><year>2009</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[20]
1-6-3- راکتور اسفرومکاسفرومک نوع دیگری از راکتورهای همجوشی است که بر خلاف توکامک که شکل چنبرهای دارد، بصورت کروی است. در مرکز اسفرومک هیچ مادهای وجود ندارد. اسفرومک از ترانسفورماتور (مانند آنچه که در توکامک بکار رفته) برای تولید سطوح پیچیده شار به شکل دوقطبی مورد نیاز برای محبوس سازی استفاده نمیکند بلکه پلاسمای بسیار داغ را در یک سیستم میدان مغناطیسی ساده و فشرده که فقط از یک سری ساده از کویلهای کوچک پایدار کننده استفاده می‌کند، بوجود می‌آورد. میدان‌های مغناطیسی قوی لازم درون پلاسما با چیزی که دینام مغناطیسی نامیده می‌شود تولید می‌شوند. در اسفرومک شعاع اصلی با شعاع فرعی برابر است یعنی پلاسما مطابق شکل در سیستمی کروی محصور می‎شود.
1-6-4- سایر راکتورهای محصورسازی مغناطیسیغیر از توکامک و اسفرومک دستگاه‌های دیگری برای محصورسازی مغناطیسی وجود دارد ، که تفاوت آنها در نوع آرایش میدان مغناطیسی و شکل آنهاست. برخی از این دستگاهها، تنگش میدان- وارونه، استلاراتور (شکل1-9) و هلیوترون،چنبره فشرده، دستگاه تنگش-تتا، دستگاه تنگش-Z ، پلاسمای کانونی می‌باشد.
استلاراتور وسیله‌ای برای حبس پلاسمای داغ به وسیله میدان مغناطیسی به منظور حفظ یک واکنش همجوشی کنترل شده است و یکی از ابتدایی‌ترین ابزارهای کنترل شده همجوشی بوده که اولین بار توسط لیمان اسپیتزر در سال 1950 اختراع شد. این اختراع تغییر در هندسه دستگاه‌های همجوشی قبلی بود.

شکل1-9- شماتیک هندسی راکتور استلاتور ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Emrich</Author><Year>2001</Year><RecNum>26</RecNum><DisplayText>[23, 24]</DisplayText><record><rec-number>26</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063119">26</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Emrich, W. J.;</author></authors></contributors><titles><title>Field-Reversed Magnetic Mirrors for Confinement of Plasmas</title><secondary-title>NASA Tech Briefs</secondary-title></titles><periodical><full-title>NASA Tech Briefs</full-title></periodical><dates><year>2001</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Glasstone</Author><Year>1980</Year><RecNum>27</RecNum><record><rec-number>27</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063252">27</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Glasstone, S.;</author></authors></contributors><titles><title>Fusion Energy</title><secondary-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</secondary-title></titles><periodical><full-title>U.S. Department of Energy, Technical Information Center</full-title></periodical><dates><year>1980</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[23, 24]
از مزایای استلاراتورها می‌توان عدم احتیاج به جریان چنبره‌ای (در نتیجه افزایش احتمال فعالیت مداوم) و ثبات سیستم بیشتر را نام برد.
فصل دوم
سینیتیک همجوشی پلاسمای دوتریوم – هلیوم 3
فصل دوم: سینیتیک همجوشی پلاسمای دوتریوم–هلیوم 3سوخت‌های جدید و خواص آنهامشکلات مربوط به پسمان همجوشی را می‌توان با انتخاب یک سوخت بهتر کاهش داد. کاندیداهای مختلفی برای سوخت‌های همجوشی وجود دارند که سوخت‌های پیشرفته نامیده می‌شوند و تعداد نوترون‌های تولید شده در آن ها نسبت به همجوشی D-T بسیار کمتر است و بنا براین مشکلات مربوط به رادیواکتیویته و ایمنی و زیست محیطی ندارند. به طور کلی، همجوشی غیر نوترونی به هر شکلی از همجوشی اطلاق می‌شود که در آن کمتر از یک در صد از انرژی آزاد شده توسط نوترون‌ها حمل شود، ولی شرایط لازم برای کنترل همجوشی غیر نوترونی بسیار دشوارتر از شرایط لازم برای چرخه سوخت متداول دوتریم-تریتیم است و هنوز به طور تجربی حاصل نشده است.
دلایل اصلی اهمیت مطالعه برای یافتن چرخه‌های سوخت پیشرفته عبارتند از ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Nakai</Author><Year>1990</Year><RecNum>13</RecNum><DisplayText>[13, 14]</DisplayText><record><rec-number>13</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423061968">13</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Nakai, S.; et al.; </author></authors></contributors><titles><title>Inertial Confinement</title><secondary-title>Nuclear Fusion</secondary-title></titles><periodical><full-title>Nuclear Fusion</full-title></periodical><pages>1779-1797</pages><volume>30</volume><number>9</number><dates><year>1990</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Blanc</Author><Year>2010</Year><RecNum>15</RecNum><record><rec-number>15</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423062093">15</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Blanc, X.; Despres, B.;</author></authors></contributors><titles><title>Numerical Methods for inertial confinement fusion</title><secondary-title>Laboratoire Jacques-Louis Lions</secondary-title></titles><periodical><full-title>laboratoire Jacques-Louis Lions</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[13, 14]:
حذف تریتیوم از چرخه سوخت به منظور ساده سازی چرخه سوخت (عدم نیاز به زایش تریتیوم) و افزایش ذخیره سوخت همجوشی (ذخیره لیتیم زمین مقدار کل تریتیمی را که قابل تولید با پوشش‌های زاینده هست محدود می‌کند.)
(حذف و یا کاهش فوق العاده) تولید نوترون در رآکتورهای همجوشی به منظور اجتناب از (یا تا حد ممکن کاهش دادن) فعالسازی اجزای راکتورها و تخریب ناشی از نوترون‌ها.
دو چرخه مهم سوخت پیشرفته p-11B و D-3He می‌باشد، چرخه سوخت D-3He، تعداد خیلی کمتری نوترون نسبت به چرخه سوخت D-T تولید می‌کند و انرژی این نوترون‌ها نیز خیلی کمتر است، بنابراین، میزان تخریب مواد کاهش خواهد یافت. مطالعات نشان داده‌اند که چرخه سوخت D-3He به میزان قابل توجهی مساله طول عمر اجزای راکتور را با کاهش تخریب نوترونی حل می‌کند در حالی که مشکل فعال سازی نوترونی و تولید پسماندهای مربوط به آن کماکان باقی می‌ماند. در این چرخه، تریتیم حذف شده است ولی ایزوتوپ نایاب هلیم 3 جایگزین آن شده است. بر روی زمین در حدود 400 کیلوگرم هلیم3 قابل حصول است که در حدود GW-year 8 انرژی همجوشی بدست می‌دهد و مقادیر بیشتر از این باید یا از طریق واکنش‌هایی که شامل نوترون هستند، تهیه شود (که مزیت بالقوه همجوشی غیر نوترونی را از بین می‌برد) و یا اینکه از منابع ماورای زمین تهیه شود. بر روی سطح ماه در حدود 109 کیلوگرم هلیم3 وجود دارد که معادل هزار سال مصرف انرژی فعلی جهان است. همچنین، در اتمسفر سیارات عظیم گازی در حدود 1023 کیلوگرم هلیوم 3 وجود دارد که قادر است در حدود 1017 سال مصرف فعلی انرژی جهان را تولید کند، یعنی منابع هلیم 3 منظومه شمسی عملا پایان ناپذیرند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>2006</Year><RecNum>29</RecNum><DisplayText>[26]</DisplayText><record><rec-number>29</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063586">29</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J.;</author></authors></contributors><titles><title>A Strategy for D–3He Development</title><secondary-title>Fusion Technology Institute</secondary-title></titles><periodical><full-title>Fusion Technology Institute</full-title></periodical><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[26].
ولی استخراج هلیم 3 از این منابع و انتقال آن به زمین بسیار دشوار و پرهزینه خواهد بود و تنها در آینده‌های دور می‌توان به آن اندیشید ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>1998</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060467">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J. F.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of Fusion Energy</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Fusion Energy</full-title></periodical><pages>33-40</pages><volume>17</volume><number>1</number><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2].
چرخه سوخت D-3He نسبت به D-T برای احتراق، نیازمند شرایط محصورسازی بالاتری nτET=2.4×1023keV.s/m3) ) است و در فشار پلاسمای یکسان، چگالی توان همجوشی کمتری نسبت به همجوشی D-T بدست خواهد داد. همچنین گرچه واکنش اصلی 3He(D,p)αرا می‌توان غیر نوترونی دانست ولی تولید نوترون از طریق واکنش جانبی D(D,n)3He و واکنش ثانویه D(T,n)α اجتناب ناپذیر است.
واکنش همجوشی 11B-p ایمن‌ترین و بهترین واکنش هسته‌ای هست که وجود دارد، 11B به فراوانی در آب دریا و منابع دیگر یافت می‌شود و 80 درصد بور موجود بر روی زمین را شامل می‌شود و هیدروژن هم که فراوان ترین عنصر در عالم هستی است. بنابراین، مشکلی از نظر محدودیت منابع سوخت وجود ندارد. حاصل واکنش آن‌ها نیز گاز بی اثر هلیم است و هیچ نوترونی تولید نخواهد شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Bussard</Author><Year>2006</Year><RecNum>30</RecNum><DisplayText>[27, 28]</DisplayText><record><rec-number>30</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063640">30</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Bussard, W.; et al.;</author></authors></contributors><titles><title> The Advent of Clean Nuclear Fusion: Superperformance Space Power and Propulsion</title><secondary-title> 57th International Astronautical Congress(IAC), Valencia, Spain</secondary-title></titles><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite><Cite><Author>Soto</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063739">31</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Soto, L.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</secondary-title></titles><periodical><full-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</full-title></periodical><pages>361-381</pages><volume>47</volume><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[27, 28].
برای بهره برداری عملی از همجوشی، انرژی حاصل از همجوشی باید بیش از انرژی لازم برای گرمایش پلاسما باشد، بدین منظورشروط متعددی باید برآورده شوند که مهمترین آنها، دستیابی به مقادیر مناسب برای حاصل ضرب nτ و حاصل ضرب nTτ است که مجموع اینها معیار لاوسون نامیده می‌شود. یعنی باید پلاسما را با چگالی مناسب تا دمای مناسبی گرم کرد و این پلاسمای داغ و چگال را به مدت کافی محصور نمود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Wesson</Author><Year>2004</Year><RecNum>32</RecNum><DisplayText>[29]</DisplayText><record><rec-number>32</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063806">32</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Wesson, J.;</author></authors></contributors><titles><title> Tokamaks</title><secondary-title>Clarendon Press-Oxford</secondary-title></titles><periodical><full-title>Clarendon Press-Oxford</full-title></periodical><volume>third edition</volume><dates><year>2004</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[29].
مقدار عدد به دست آمده در معیار لاوسون برای سوخت دوتریم تریتیم ازسال 1969 تا سال 2000 حدود 500 هزار برابر افزایش یافته است. سوخت‌های جدید مورد نظر هنوز نیاز به یک تا دو مرتبه افزایش در بزرگی دارند. بررسی‌های نظری نشان داده‌اند که این کار شدنی است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>2006</Year><RecNum>33</RecNum><DisplayText>[30]</DisplayText><record><rec-number>33</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063863">33</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, F.;et al.;</author></authors></contributors><titles><title>Role of Advanced-Fuel and Innovative Concept Fusion in the Nuclear Renaissance</title><secondary-title>APS Division of Plasma Physics Meeting, Philadelphia</secondary-title></titles><periodical><full-title>APS Division of Plasma Physics Meeting, Philadelphia</full-title></periodical><volume>31</volume><dates><year>2006</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[30].
خواص دوتریومدوتریوم همان عنصر هیدروژن است که علاوه بر یک پروتون یک نوترون نیز درون هسته آن وجود دارد. اگرمولکول آب توسط دوتریوم تشکیل شود به آن آب سنگین () می‌گویند. در هر لیتر از آب دریا (۳۵) گرم دوتریوم وجود دارد. دوتریوم یکی از پایه‌های لازم برای همجوشی هسته‌ای است. در آب در کنار هر ۷۰۰۰ اتم هیدروژن ۱ اتم دوتریوم موجود است که جدا کردن آن با توجه به نزدیکی خواص آب سنگین و آب سبک بسیار سخت است. این دوتریومها باید تغلیظ و انبار شوند تا ابتدا به آب سنگین ۱۵٪ و سپس به آب ۹۹٪ تبدیل شود، جدا سازی آب سنگین از آب سبک بسیار سنگین ، پیچیده و سخت است. به دلیل آنکه گرمای تبخیر آب سنگین بشتر از آب معمولی می‌باشد، از آن در نیروگاههای اتمی جهت خنک کردن راکتورها استفاده میکنند.
دوتریوم را می توان به آسانی از آب استخراج کرد. هیدروژن موجود در زمین شامل دوتریوم به نسبت جرمی 1:5000 است. یک تریلی پر از دوتریوم انرژی معادل 2 میلیون تن زغال سنگ یا 1.3میلیون تن نفت (10میلیون بشکه)، یا 30 تن اکسید اورانیوم، آزاد خواهد کرد.


دوتریوم در واکنش‌های همجوشی زیر با آهنگ واکنش مساوی شرکت میکنند:
(2-1)
(2-2)
محیطى که به این درجه از گرما برسد، نمی‌تواند در یک جداره مادى بگنجد.
خواص هلیوم 3هلیوم 3 یکی از ایزوتوپ‌های غیر پرتوزای عنصر گازی هلیوم است که دارای ۲ پروتون و یک نوترون است. از این ماده به عنوان سوخت در تحقیقات مربوط به راکتورهای هسته‌ای، استفاده می‌شود. در زمین به ندرت یافت می‌شود و عموما در لایه‌های فوقانی سنگی کره ماه که طی بیش از میلیاردها سال توسط بادهای خورشیدی ایجاد شده است، به فراوانی موجود است. هلیون هسته اتم هلیوم 3 حاوی دو پروتون و تنها یک نوترون می‌باشد. این در حالی است که هلیوم معمولی حاوی دو نوترون می‌باشد. وجود فرضی آن اولین بار در 1934 پیشنهاد شد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Oliphant</Author><Year>1934</Year><RecNum>34</RecNum><DisplayText>[31]</DisplayText><record><rec-number>34</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063934">34</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Oliphant, M. L. E.; Harteck ,P.; Rutherford, E.;</author></authors></contributors><titles><title> Transmutation Effects Observed with Heavy Hydrogen</title><secondary-title>Proceedings of the Royal Society</secondary-title></titles><periodical><full-title>Proceedings of the Royal Society</full-title></periodical><pages>692-703</pages><volume>144</volume><number>853</number><dates><year>1934</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[31].
بخاطر جرم اتمی پایین‌ترش نسبت به هلیوم4 دارای خصوصیات فیزیکی متفاوتی نسبت به آن است. به سبب تعامل ضعیف ناشی از پیوندهای دو قطبی-دو قطبی بین اتم‌های هلیوم، خواص فیزیکی ماکروسکوپی آن عمدتا توسط نقطه صفر انرژی آن (انرژی جنبشی حداقل) تعیین می‌شود. همچنین خواص میکروسکوپی هلیوم 3 سبب می‌شود که نقطه صفر انرژی آن بالاتر از هلیوم 4 باشد. این نشان می‌دهد که هلیوم3 می‌تواند بر تعامل دو قطبی-دو قطبی با انرژی حرارتی کمتری نسبت به هلیوم-4، غلبه کند.
هلیوم 3 می‌تواند توسط یکی از دو واکنش زیر در واکنش‌های همجوشی شرکت کند:
2D + 3He →   4He +  1p + 18.3 MeV(2-3)
3He + 3He → 4He   + 2 1p+ 12.86 MeV(2-4)
که هدف در این مطالعه استفاده از دوتریوم و هلیوم 3 می‌باشد. سرعت‌های واکنش با دما متغیر است اما سرعت واکنش D-3He هرگز بالاتر از 56/3 برابر سرعت واکنش D-D نمی‌باشد. شکل 2-1 بیانگر حالت مقایسه‌ای بین انواع سوخت‌هاست.

شکل2-1- واکنش پذیری انواع سوخت‌ها ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Tang</Author><Year>2011</Year><RecNum>35</RecNum><DisplayText>[32]</DisplayText><record><rec-number>35</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063997">35</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Tang, R.;</author></authors></contributors><titles><title>Study of the G--ynamic Mirror (GDM) Propulsion Sys--</title><secondary-title> thesis (A dissertation submitted in partial fulfillment ofthe requirements for the degree of Doctor of Philosophy) in the University of Michigan</secondary-title></titles><dates><year>2011</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[32]
سرعت واکنش همجوشی به سرعت با دما افزایش می‌یابد تا اینکه به بیشینه مقداری رسیده و سپس به تدریج افت می‌کند. در مقایسه‌ای کلی جدول 2-1 را خواهیم داشت.
سوخت‌های پیشرفته، همجوشی سوخت‌های نسل دوم و سوم هستند که مقادیر بسیار کم یا اصلا هیچ نوترونی تابش نمی‌کنند و چرخه‌های سوخت نسل اول در آنها وجود ندارد. تعداد نوترون‌های تولید شده در واکنش‌های شامل هلیوم 3 بسیار کم است (در مورد واکنش 3He-3He عملا صفر و در مورد D-3He حدود 01/0 تا 05/0 همجوشی D-T و کمتر از 02/0 همجوشی D-D است.
محصول نسل سوم واکنش‌های همجوشی فقط ذرات باردار است و هر گونه واکنش جانبی نسبتا بی اهمیت است. در شرایط مناسب، فقط 1/0 درصد از انرژی حاصل از واکنش p-11B، توسط نوترون‌های تولید شده از واکنش‌های جانبی حمل می‌شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Santarius</Author><Year>1998</Year><RecNum>2</RecNum><DisplayText>[2]</DisplayText><record><rec-number>2</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423060467">2</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Santarius, J. F.; et al.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Journal of Fusion Energy</secondary-title></titles><periodical><full-title>Journal of Fusion Energy</full-title></periodical><pages>33-40</pages><volume>17</volume><number>1</number><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[2].
استفاده از سوخت‌های جدید نسبت به D-T با مسایل بیشتری مواجه است. به عنوان مثال در مورد D-3He باید:
دمای احتراق دست کم حدود 6 برابر افزایش یابد.
مقدار neτe حداقل حدود 8 برابر
حاصل ضرب nτT حداقل در حدود 50 برابر افزایش می‌یابد.
جدول2-1- نسل‌های مختلف سوخت‌های همجوشی PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5LaHZlc3l1azwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjIwMDI8L1llYXI+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ADDIN EN.CITE PEVuZE5vdGU+PENpdGU+PEF1dGhvcj5LaHZlc3l1azwvQXV0aG9yPjxZZWFyPjIwMDI8L1llYXI+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ADDIN EN.CITE.DATA [26, 33-37]
n/MeV بهره انرژی محصولات واکنش‌ها
سوخت‌های همجوشی نسل اول
0.306 3.268 MeV32He + 10n 21H + 21H (D-D)
0 4.032 MeV31H + 11p 21H + 21H (D-D)
0.057 17.571 MeV42He + 10n 21H + 31H (D-T)
سوخت‌های همجوشی نسل دوم
0 18.354 MeV42He + 11p 21H + 32He (D-3He)
سوخت‌های همجوشی نسل سوم
0 12.86 MeV42He+ 211p 32He + 32He
0 8.68 MeV3 42He115B + 11p
نتیجه کل سوختن دوتریوم(مجموع 4 سطر اول)
0.046 43.225 MeV2(4He + n + p) 6D
سوخت هسته‌ای در زمان حال
0.001 ~200 MeV2 FP+ 2.5n 235U + n
در استفاده از سوخت D-3He کاهش فوق العاده شار نوترونی باعث کاهش قابل ملاحظه تخریب تابشی می‌شود ودرنتیجه طول عمر دیواره اولیه و حفاظ تابشی افزایش می‌یابد و به حفاظ تابشی کوچک‌تری نیاز خواهد بود و تعمیرات و نگهداری راحت‌تر می‌شوند. افزایش شار ذرات باردار امکان تبدیل مستقیم انرژی همجوشی را با بازده بالا فراهم می سازد.
مشکلات عمده در استفاده از انرژی هسته‌ای در سالیان گذشته از سه مساله اصلی، احتمال پخش مواد رادیواکتیو، مشکلات مربوط به نگهداری پسماندهای هسته‌ای با عمر طولانی، احتمال استفاده از مواد حاصل برای کاربردهای تسلیحاتی می‌باشد. تمام این مشکلات مربوط به رآکتورهای هسته‌ای، مربوط است به:
سوخت رادیواکتیو
محصولات رادیواکتیو واکنش
نوترونها
همجوشی هسته‌ای تا حدودی از این مشکلات می‌کاهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Soto</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><DisplayText>[28]</DisplayText><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063739">31</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Soto, L.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</secondary-title></titles><periodical><full-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</full-title></periodical><pages>361-381</pages><volume>47</volume><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[28].
مزیت عمده سوخت‌های جدید همجوشی این است که سوخت و محصولات واکنش‌های نسل دوم و سوم همجوشی میزان پرتوزایی (تخریب حرارتی و وجود تریتیم) و نکات بالقوه مربوط به تکثیر تسلیحاتی و همینطور مشکلات مربوط به پسمانداری را تا حد زیادی کاهش داده یا حذف می‌کنند، ولی برای استفاده از آنها به پیشرفت فیزیکی و مهندسی زیادی نیاز است. از این سوخت‌های جدید می‌توان برای ساخت نیروگاه‌های برق ایمن، تمیز و اقتصادی، در سفینه‌های فضایی و موشک‌ها به عنوان سوخت و نیز برای کاربردهای پزشکی و غیره استفاده کرد. از مزایای دیگر آنها می‌توان از عدم نیاز به پوشش‌های زاینده تریتیم و حلقه‌های پیچیده سرمایش ثانویه و عدم نیاز به دستگاه‌های پیچیده تست نوترون و مدت زمان‌های بررسی طولانی نام برد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Soto</Author><Year>2005</Year><RecNum>31</RecNum><DisplayText>[28]</DisplayText><record><rec-number>31</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423063739">31</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Soto, L.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</secondary-title></titles><periodical><full-title>Plasma Physics and Controlled Fusion-IOPscience</full-title></periodical><pages>361-381</pages><volume>47</volume><dates><year>2005</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[28].
پارامترهای متعددی در استفاده از سوخت‌های مختلف دخیلند، از جمله: .
انرژی کل محصولات همجوشی : Efus
محصولات باردار همجوشی: Ech
عدد اتمی ذرات درگیر در واکنش: Z
میزان انرژی حمل شده توسط نوترون ها
اتلاف انرژی از طریق تابش ترمزی و....
در رابطه با همجوشی D-D و D-T اتلاف انرژی از طریق تابش ترمزی مشکل جدی و مهمی است که باید حل شود، برای سوخت‌های سنگین‌تر D-3He و p-11 B و 3He-3He میزان این اتلاف به قدری است که کار یک راکتور همجوشی بر اساس طرح‌های توکامک و همجوشی لیزری را ناممکن می‌سازد.
تابش سینکروترونی نیز نکته دیگری است که باید مورد توجه قرار گیرد. بررسی‌ها نشان داده‌اند که درمورد همجوشی D-T تابش سینکروترونی نقش چندانی در بالانس انرژی ندارد، در حالی که در مورد همجوشی 3He-D این اثر قابل توجه است. و این مشکل باید در طراحی رآکتورهای احتمالی3 He -D حل شود ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Lerner</Author><Year>2003</Year><RecNum>38</RecNum><DisplayText>[38]</DisplayText><record><rec-number>38</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066296">38</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Lerner, E.J.;</author></authors></contributors><titles><title>ProspectsFor p-11B Fusion With The Dense Plasma Focus: New Results</title><secondary-title>Conf. Current Trends in International Fusion Research, Washington, USA</secondary-title></titles><periodical><full-title>Conf. Current Trends in International Fusion Research, Washington, USA</full-title></periodical><dates><year>2003</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[38].
درصدی از انرژی کل واکنش که توسط نوترون‌ها حمل می‌شود، در مورد D-T حدود 80 درصد، در مورد D-D حدود 66 درصد و در مورد 3 He –D و p-11B بسیار ناچیز و نزدیک به صفر است که این امر مشکلات مختلف مربوط به نوترون‌ها از جمله تخریب تابشی، حفاظ‌گذاری بیولوژیکی، کنترل از دور، ایمنی و اتلاف توان همجوشی توسط آنها را کاهش می‌دهد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Sadowski</Author><Year>1998</Year><RecNum>39</RecNum><DisplayText>[39]</DisplayText><record><rec-number>39</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066348">39</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Sadowski, M.;</author></authors></contributors><titles><secondary-title>Special Suppl. School of Physics - Georgia Institute of Technology</secondary-title></titles><periodical><full-title>Special Suppl. School of Physics - Georgia Institute of Technology</full-title></periodical><pages>3-4</pages><volume>39</volume><dates><year>1998</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[39].
پلاسما حالت چهارم مادهپلاسما گازی یونیزه و داغ می‌باشد که حاوی تعداد تقریبا برابری از یونهای مثبت باردارشده و الکترونهای با بار منفی می‌باشد. مشخصات پلاسما کاملا با گازهای خنثی طبیعی متفاوت است (گازهای معمولی به سبب خنثی بودنشان از لحاظ بار الکتریکی توانایی عکس ‌العمل در مقابل مغناطیس و میدان وابسته به آن را ندارند.) از این روست که پلاسما به عنوان حالت چهارم ماده معرفی شده است. برای مثال، به این علت که پلاسماها ذرات باردار الکتریکی تولید میکنند، تا زمانی که گاز بطور خنثی نباشد، به شدت تحت تاثیر میدان‌های مغناطیسی و الکتریکی قرار می‌گیرد. مثالی از چنین تاثیری، به دام اندازی ذرات باردار پر انرژی در عرض خطوط میدان مغناطیسی زمین، به فرم کمربندهای تشعشی ون آلن است.
علاوه بر میدان‌های خارجی اعمال شده، مانند میدان مغناطیسی زمین و یا میدان مغناطیسی بین سیارهها، پلاسما براساس میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی ایجاد شده توسط خود پلاسما و از طریق تغییر غلظت بار محلی و جریان الکتریکی ایجاد شده عمل میکند، که در نتیجه حرکتهای متفاوت یونها و الکترونها ایجاد می‌شود. نیروهای اعمال شده توسط این میدان روی ذرات بارداری که عمل پلاسما را در طول فواصل طولانی ایجاد میکند، تاثیر گذاشته و سبب یکنواختی رفتار انتقالی ذرات و کیفیت بالایی میگردد که در گازهای خنثی دیده نمی‌شود. به رغم وجود غلظت بارهای محلی و پتانسیل های الکتریکی، پلاسما از نظر الکتریکی "شبه خنثی" است، زیرا بطور کل، تعداد تقریبا برابری از ذرات باردار مثبت و منفی طوری پراکنده شدهاند که تاثیر بارهای یکدیگر را از بین میبرند.
روشهای تولید پلاسماالف) تخلیه الکتریکی:
اگر میدان الکتریکی نیرومندی بر گازی معمولی اعمال کنیم ممکن است تعدادی از الکترونها، اتمهای خود را ترک کنند. هر اتم که به این ترتیب تحت تاثیر قرار بگیرد به طور مثبت باردار می‌شود و در این حالت میگوییم اتم به یون تبدیل شده است. الکترونهای جدا شده که بار منفی دارند آزادانه در دستگاه حرکت می‌کنند و از میدان الکتریکی انرژی میگیرند، با افزایش سرعت، به اتمهای دیگر برخورد میکنند و سبب آزاد شدن الکترونهای بیشتری میشوند. این کار به طور پیدرپی صورت می‌گیرد و تعداد الکترونهای آزاد شده مدام افزایش می‌یابد. این فرآیند به فرآیند آبشاری معروف است. در این میان تخلیه الکتریکی گسترش می‌یابد و جریان الکتریکی برقرار می‌شود. گاز قبل از تخلیه الکتریکی، نارسانا بود. در مواقعی که تخلیه الکتریکی بسیار قدرتمندی انجام می‌گیرد، ممکن است تمام اتمهای گاز به سبب فرآیند آبشاری یونیزه شوند و گاز به پلاسما تبدیل شود.
مخلوط همجوشی با فشار کم را در محفظه چنبرهاى شکل داخل کرده، به کمک یک سیستم اولیه متشکل از چند بوبین، یک میدان مغناطیسى معروف به چنبره‌اى، پدید میآید. سپس، به کمک هایپِرفرکانسها (فوق بسامدها)، محتوى محفظه چنبرهای، یونیزه گشته و در نهایت از طریق القا با افزایش تدریجى میدان مغناطیسى پدیدآمده بوسیله‌ی یک سیم لوله (سولونوئید( که در جهت محور سامانه قرار داده شده است، یک جریان پلاسما بوجود میآید.
ب) تولید پلاسما در درجه حرارت های بالا:
با رساندن دمای گاز به درجه حرارتهای بالا نیز میتوان پلاسما بوجود آورد. دمای لازم برای تولید این نوع پلاسما به روش یونیزاسیون حرارتی بسیار زیاد و از مرتبه دهها هزار درجه است و واقعیت این است که دانشمندان در مواقع بسیار نادر و ویژه از این روش برای تولید پلاسما استفاده میکنند.
پارامترهای بنیادی پلاسماهمه مقادیر در واحد گاووسی (cgs) بیان شده است. غیر از دما که در واحد الکترون ولت آورده شده است و جرم یون که بر حسب واحد جرم پروتون و بصورت μ=mimp می‌باشد. Z مقدار بار، k ثابت بولتزمن، K عدد موج، lnʌ لگاریتم کولن است ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Suryanarayana</Author><Year>2010</Year><RecNum>40</RecNum><DisplayText>[40]</DisplayText><record><rec-number>40</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066400">40</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Suryanarayana, N.S.; Kaur, J.; Dubey, V.;</author></authors></contributors><titles><title>Study of propagation of Ion Acoustic waves in plasma</title><secondary-title>Departman of physics,Govt.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Departman of physics,Govt.</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[40].
که برای الکترون: lnᴧ≈13.6
و برای یک یون: lnᴧ≈6.8
2-6-1- فرکانسها در پلاسمافرکانس زاویهای حرکت چرخشی الکترون در جهت عمود بر میدان مغناطیسی:
ωce=eB/mec=1.76×107 B--/s
فرکانس زاویهای حرکت چرخشی یون در جهت عمود بر میدان مغناطیسی:
ωci=ZeB/mic=9.58×103 Zμ-1 B--/s
فرکانس الکترونهایی که نوسان میکنند(نوسان پلاسما):
ωpe=(4πnee2/me)1/2=5.64×104 ne1/2 --/s
فرکانس پلاسمای یونی:
ωpi=(4πniZ2 e2/mi)1/2=1.32×103 Zμ-1/2 ni1/2 --/s
سرعت به دام اندازی الکترون:
????Te=(eKE/me)1/2=7.26×108 K1/2 E1/2 s-1
سرعت به دام اندازی یون:
????Ti=(ZeKE/mi)1/2=1.69×107 Z1/2 K1/2 E1/2μ-1/2 s-1
سرعت برخورد الکترون در پلاسمای کاملا یونیزه شده:
????e=2.91×10-6 ne lnᴧ Te-3/2 s-1
سرعت برخورد یون در پلاسمای کاملا یونیزه شده:
????i=4.80×10-8 Z4 μ-1/2 ni lnᴧ Ti-3/2 s-1
سرعت برخورد الکترون (یون) در پلاسمای کمی یونیزه شده: υe,i=Nσe,iυ=N0∞σ(υ)e,if(υ)υdυ
که <σν>e,i سطح مقطع برخورد الکترون (یون) در اتمهای (مولکولهای) گاز عامل، f(ν) تابع توزیع الکترون (یون) در پلاسما و N غلظت گاز عامل می‌باشد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Suryanarayana</Author><Year>2010</Year><RecNum>40</RecNum><DisplayText>[40]</DisplayText><record><rec-number>40</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066400">40</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Suryanarayana, N.S.; Kaur, J.; Dubey, V.;</author></authors></contributors><titles><title>Study of propagation of Ion Acoustic waves in plasma</title><secondary-title>Departman of physics,Govt.</secondary-title></titles><periodical><full-title>Departman of physics,Govt.</full-title></periodical><dates><year>2010</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[40].
2-6-2- سرعتها در پلاسماسرعت حرارتی الکترون: سرعت معمول یک الکترون در توزیع ماکسول-بولتزمن
????Te= (kTe/me)1/2=4.19×107 Te1/2 cm/s
سرعت حرارتی یون: سرعت معمول یک یون در توزیع ماکسول-بولتزمن
????Ti= (kTi/mi)1/2=9.79×105 μ-1/2 Ti1/2 cm/s
گرم کردن پلاسمایکی از مهمترین مسائل در طراحی راکتورها گرم کردن پلاسما برای ایجاد شرایط مورد نیاز همجوشی خوبخودی می‌باشد. حتی برای سادهترین واکنش‌های همجوشی که بطور معمول برای تولید الکتریسیته با صرفه اقتصادی، معمولا به حدود 100 میلیون درجه سانتیگراد دما نیاز است. این نیاز به دمای بالا به 4 روش تامین میگردد ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Harms</Author><Year>2002</Year><RecNum>41</RecNum><DisplayText>[41]</DisplayText><record><rec-number>41</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066441">41</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Harms, A.A.; Schoef ,K.F.; Miley G.H.; Kingdon ,D.R.;</author></authors></contributors><titles><title>principles of Fusion Energy</title><secondary-title>World scientific co.</secondary-title></titles><periodical><full-title>World scientific co.</full-title></periodical><dates><year>2002</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[41]:
گرم کردن مقاومتی
گرم کردن از طریق فشردن
گرم کردن توسط تاثیر میدان‌های الکترومغناطیسی
تزریق پرتو خنثی
2-7-1- گرمایش مقاومتیگرم کردن از طریق سیم فلزی حامل جریان صورت می‌گیرد. ولتاژ مناسب برای لوازم خانگیV220 می‌باشد و اگر جریان بیش از حد بالا برای این ولتاژ خالص V220 اعمال شود جعبه فیوز خانگی از ذوب شدن سیمها جلوگیری میکند. وارد کردن مقدار ایمن و مناسبی از جریان نیز از تاثیرات دمایی بالا برای سیمها و شروع آتش سوزی جلوگیری میکند ADDIN EN.CITE <EndNote><Cite><Author>Harms</Author><Year>2002</Year><RecNum>41</RecNum><DisplayText>[41]</DisplayText><record><rec-number>41</rec-number><foreign-keys><key app="EN" db-id="zra5wxsd8z5v5ue95sg55axj9p0220s00xx5" timestamp="1423066441">41</key></foreign-keys><ref-type name="Journal Article">17</ref-type><contributors><authors><author>Harms, A.A.; Schoef ,K.F.; Miley G.H.; Kingdon ,D.R.;</author></authors></contributors><titles><title>principles of Fusion Energy</title><secondary-title>World scientific co.</secondary-title></titles><periodical><full-title>World scientific co.</full-title></periodical><dates><year>2002</year></dates><urls></urls></record></Cite></EndNote>[41].
به استثنای مواد ابر رسانا، هیچ محیط رسانایی، مانند سیمهای فلزی، وجود ندارد که در آن، الکترونها بتوانند از یک اتم به آسانی به اتم دیگر بپرند مگر اینکه بخشی از انرژی خود را بصورت گرما از دست بدهند که علت آن از دست دادن بخشی از اندازه حرکت الکترونها در برخورد با سایر ذرات طبق اصل پایستگی تکانه و تبدیل آن به گرما می‌باشد. پلاسما بسیار خوب است اما یک هادی ایدهآل نیست و مقاومت آن از مرتبه یک میلیونیوم اهم است. این مقدار مقاومت جزیی باعث گرم شدن پلاسماهایی با چگالی کم (مانند پلاسماهایی که در توکامک استفاده می‌شود) تا دماهایی از مرتبه میلیون درجه سانتیگراد میگردد و تا دماهای 10 میلیون درجه سانتیگرادموثر می‌باشد. در مقادیر دمایی فراتر، مقاومت پلاسما بیش از حد ضعیف شده و اثر بخشی روش را کاهش میدهد. گرمایش مقاومتی سبب ذخیره توانی در واحد حجم پلاسما، با معادله (2-5) داده می‌شود:

–318

2-2- تکنیکهای مورد استفاده31
2-3- ولتامتری32
2-3-1- ولتامتری با روبش خطی پتانسیل32
2-3-2- ولتامتری چرخه‏ای32
2-3-3- عوامل موثر در واکنشهای الکترودی در حین ولتامتری چرخهای33
2-3-4- نحوه عمل در ولتامتری چرخهای34
2-4- نمودارهای تافل35
2-5- روش طیف‏نگاری امپدانس الکتروشیمیایی36
2-6- مشخصهیابی سطح الکترود48
2-6-1- SEM38
2-6-2- EDS39
فصل سوم: بخش تجربی
3-1- مواد شیمیایی41
3-2- دستگاه‌های مورد استفاده41
3-3- الکترودهای بهکار گرفته شده در روشهای ولتامتری44
3-4- تهیه کاتالیست پلاتین/کربن44
3-5-تهیه جوهر کاتالیست44
3-6- آمادهسازی الکترود کربنشیشه45
فصل چهارم: بحث و نتیجهگیری
4-1- کلیات47
4-2- بررسی ریختشناسی و تجزیه عنصری47
4-3- ولتامتری چرخهایPt/C در محلول قلیایی49
4-4- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر محلول بازی متانول51
4-4-1- بررسی ولتاموگرام چرخهای الکترود Pt/C/GC در محلول بازی متانول51
4-4-2- بررسی منحنی‌های EIS و کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسایش متانول53
4-5- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر محلول قلیایی 2-پروپانول56
4-5-1- بررسی ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C در اکسیداسیون 2-پروپانول56
4-5-2- بررسی منحنی‌های نایکوئیست و کرونوآمپرومتری کاتالیست Pt/C در اکسایش 2-پروپانول59
4-6- بررسی فعالیت و پایداری کاتالیست Pt/Cدر اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال60
4-6-1- ولتامتری چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در محلول قلیایی 1و2-پروپان‌دی‌ال60
4-6-2-بررسی پایداری Pt/C اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال62
4-7- بررسی عملکرد کاتالیست پلاتین/کربن در اکسیداسیون سوخت‌های مختلف64
4-7-1- بررسی و مقایسه ولتاموگرام‌های چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون متانول، 2-پروپانول و 1و2-پروپان‌دی‌ال در محیط قلیایی65
4-7-2- مقایسه و بررسی نمودارهای ولتامتری روبش خطی Pt/C در اکسیداسیون الکلهای مختلف67
4-7-3- مقایسه و بررسی نمودارهای تافل کاتالیست Pt/C در اکسیداسیون الکل‌ها68
4-7-4- بررسی نمودارهای کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل‌های مختلف69
4-7-5- مطالعات اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی الکترود Pt/C/GCدر اکسیداسیون الکل‌های مختلف72
4-8-نتیجه گیری75
4-9-پیشنهادات76
4-10-منابع77
چکیده انگلیسی

فهرست اشکال
عنوان صفحه
شکل1-1- مقایسه تبدیلات انرژی در فرایند تولید انرژی از سوخت‌های فسیلی با روند تولید انرژی در پیل‌های سوختی3
شکل1-2- پیل سوختی اولیه ساخته شده توسط ویلیام گرو5
شکل1-3 منابع تأمین کننده هیدروژن و تقاضاهای استفاده از هیدروژن6
شکل1-4- کاربردهایی از پیل سوختی در سیستم حمل و نقل دریایی، زمینی، وسایل پرتابل و مصارف نیروگاهی6
شکل1-5- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی پلیمری9
شکل-1-6- نحوه‌ی عملکرد پیل سوختی متانولی مستقیم12
شکل1-7- مکانیسم اکسایش متانول و انواع حدواسطهای تولیدی21
شکل1-8- مکانیسم اکسیدسیون اتیلنگلیکول و گلیسرول روی الکتروکاتالیستهای فلزی24
شکل1-9- مکانیسم واکنش اکسیداسیون 2-پروپانول25
شکل1-10- مکانیسم پیشنهادی برای اکسیدسیون 1،2-پروپاندیال28


شکل1-11- شکل شماتیک مکانیسم اکسیدسیون 1و2-پروپاندیال در محیط قلیایی29
شکل2-1- مسیر کلی واکنش الکترودی34
شکل2-2- سیگنال تهییجی برای ولتامتری چرخه ای یک موج پتانسیلی با فرم مثلثی35
شکل2-3- تصویر شماتیک از نحوهی عملکردSEM 39
شکل3-1- شمای کلی دستگاه اندازه گیری الکتروشیمیایی43
شکل3-2. شمای کلی تهیه جوهر کاتالیست Pt/C45
شکل3-3- ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود کربن شیشه‌ای در 20 میلی‌لیتر محلول یک مولار متانول و یک مولار KOH در دمای اتاق با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه46
شکل4-1- طیف EDS از پلاتین/کربن. ضمیمه: دادههای تجزیه عنصری حاصل48
شکل4-2- تصاویر SEM از سطح پلاتین/کربن با بزرگ‌نماییهای متفاوت50
شکل4-3- نمودار ولتامتری چرخهای الکترود Pt/C در محلولKOH 1 مولار با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه51
شکل4-4- ولتاموگرام چرخهای کاتالیست Pt/C در محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلیولت بر ثانیه53
شکل4-5- مکانیسم کلی اکسایش متانول توسط کاتالیست Pt/C54
شکل4-6- نمودار نایکویست الکترود Pt/C/GCدر محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH در پتانسیل 4/0- ولت قبل و بعد از گرفتن CV بعد از 100 چرخه با دامنه پتانسیل 10 میلیولت55
شکل4-7- نمودار کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار متانول و 1 مولار KOH 56
شکل4-8- ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی‌‌ولت بر ثانیه57
شکل4-9- ولتاموگرام‌های چرخهای کاتالیست Pt/C در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه در 100 چرخه59
شکل4-10- منحنی‌های نایکوئیست اکسیداسیون 2-پروپانول روی الکترود Pt/C/GCقبل و بعد از گرفتن CV بعد از 100 چرخه60
شکل4-11- نمودار کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 2-پروپانول و 1 مولار KOH در پتانسیل 0.4- ولت64
شکل4-12- منحنی ولتاموگرام چرخه‌ای الکترود Pt/C/GC در الکترواکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال با سرعت روبش 50 میلی‌ولت بر ثانیه در محلول یک مولار 1و2-پروپان‌دی‌ال و یک مولار KOH62
شکل4-13- ولتاموگرام چرخهای الکترود Pt/C/GC در محلول 1 مولار 1و2-پروپان‌دی‌ال و 1 مولار KOH با سرعت روبش 50 میلیولت بر ثانیه در 100 چرخه64
شکل4-14 منحنیهای نایکوئیست اکسیداسیون 1و2-پروپان‌دی‌ال در پتانسیل 0.4- ولت قبل و بعد از گرفتن CV65
شکل4-15- منحنیهای کرونوآمپرومتری الکترود Pt/C/GC در اکسیداسیون قلیایی 1و2-پروپان‌دی‌ال در پتانسیل 0.4- ولت65
شکل4-16- ولتاموگرام‌های چرخه‌ای مربوط به اکسیداسیون الکلها روی Pt/C در محلول 1مولار الکل و 1مولار KOH با سرعت روبش 50 میلی ولت بر ثانیه67
شکل4-17- الف. مقایسه بین پتانسیل آغازی و ب. دانسیته جریان اکسیداسیون الکلهای مختلف روی الکترود Pt/C/GC67
شکل4-18- منحنی‌های ولتامتری روبش خطی کاتالیست Pt/C در محلول