توصيفگر ها :
عنصر‌هاي واسطه , ابرخازن , واكنش اكسايش الكتروشيميايي اتانول , حسگر الكتروشيميايي , چارچوب فلز-آلي , گرافن‌اكسيد , مورفين , كدئين , متوتركسات
چكيده فارسي :
در بخش اول، به منظور ايجاد اثر هم‌افزايي در سطح الكترود و تهيه ماده الكتروفعال مناسب براي افزايش ظرفيت ويژه، چگالي جريان، توان و انرژي بالا، بستر نانوسيم كبالت اكسيد به صورت درجا بر روي فوم نيكل سنتز و سپس هيدروكسيد‌هاي دولايه‌اي موليبدن-كبالت بر روي كبالت اكسيد تشكيل شدند. تركيب نانوكامپوزيت‌هاي سنتز شده و بستر اصلاح شده منجر به بهبود ويژگي‌هاي الكتروشيميايي شد كه از آن به عنوان ماده الكترودي ابرخازن‌ها با عملكرد بالا استفاده گرديد. ساختار هيدروكسيد‌هاي دولايه‌اي با گذشت زمان دچار چسبندگي مي‌شود و اين امر منجر به كاهش بازده و كاهش مساحت سطح آن‌ها مي‌شود. به همين منظور، در اين رساله ساختار مورد نظر بر روي سطح فوم نيكل اصلاح شده با كبالت اكسيد سنتز شد. بر اساس نتايج به‌دست آمده الكترود Co3O4-MoCo-LDHs/NF در چگالي جريان
A g-1 0/1 ظرفيت ويژه برابر F g-1 2677 و عمرچرخه‌اي 6/94 درصد بعد 3000 چرخه متوالي دارد. همچنين در پيكربندي نامتقارن چگالي‌هاي انرژي Wh kg-1 1/81 و Wh kg-1 9/36 به ترتيب در چگالي‌هاي توان W kg-1 2/829 و W kg-1 9/13378 به دست آمد كه گوياي توان بالاي الكترود ساخته شده در سيستم‌هاي ذخيره انرژي است.
در بخش دوم، هيدروژل گرافن اكسيد دوپه شده با فسفر (PrGO) سنتز، سپس از آن كامپوزيتي با Ni/Co-Hemin (NCH)/MOF تهيه شد و با روش‌هاي FT-IR، TEM، FE-SEM، XPS و XRD مشخصه‌يابي شد. كارايي اين الكترود با روش‌هاي ولتامتري چرخه‌اي و شارژ-دشارژ گالوانواستاتيك بررسي شد. بر اساس نتايج به دست آمده، الكترود حاصل داراي حداكثر ظرفيت C g-1 963 در چگالي جريان
A g-1 0/1 است، همچنين قادر به حفظ 2/68% ظرفيت اوليه در چگالي جريان 20 برابري است. الكترود سنتز شده قادر به حفظ 2/89 درصد از ظرفيت اوليه خود بعد از 3000 چرخه‌ي متوالي شارژ-دشارژ است كه پايداري مناسب اين الكترود را نشان مي‌دهد. به علاوه، در پيكربندي نامتقارن چگالي انرژي Wh kg-1 3/70 در چگالي‌هاي توان W kg-1 0/900 به دست آمد. نتايج اين بخش قابليت استفاده ليگاند هيمين در سيستم‌هاي ذخيره انرژي را نشان مي‌دهد.
در بخش سوم، ابتدا با يك روش سريع و آسان نانوذره‌هاي پالاديوم بر روي بستر جديد Hemin-rGO سنتز شد. سپس كاتاليست سنتز شده با روش‌هاي UV-Vis، XPS، FE-SEM، EDS، HRTEM و AFM شناسايي شد. در مرحله‌ي بعدي، رفتار الكتروشيميايي اين الكتروكاتاليست در واكنش اكسايش الكتروشيميايي اتانول در محيط قليايي و آزادسازي هيدروژن در محيط اسيدي مورد بررسي قرار گرفت. Pd/Hemin-rGO پتانسيل قله و چگالي جريان، mV 210- و A mg-1Pd 95/1 را در 1/0 مولار اتانول و 1/0 مولار سود نشان داد. نسبت چگالي جريان روبش رفت به روبش برگشت كاتاليست نهايي با پالاديوم خالص به منظور بررسي اثر ضد سميت Hemin-rGO در برابر حدواسط‌هاي كربني مطالعه شد. در ادامه اين پژوهش، كاتاليست سنتز شده شيب تافل mV dec-1 26 و اضافه پتانسيل mV 47 و 131 را به ترتيب در چگالي جريان‌هاي mA cm-2 10 و 100 در 5/0 مولار H2SO4 براي واكنش آزاد سازي هيدروژن نشان داد.
در بخش چهارم، كاتاليست الكتروفعال Cu-Hemin/MOF (CHM)@MWCNTs سنتز و با روش‌هاي FT-IR، UV-Vis، XRD،
FE-SEM، و همچنين EDS و نقشه‌هاي عنصري، شناسايي و مورفولوژي آن بررسي شد. با طيف نگاري امپدانس الكتروشيميايي و ولتامتري چرخه‌اي نيز كارآمد بودن اين كاتاليست تاييد شد. براي دسترسي به حساسيت و گزينش‌پذيري بالاتر از ولتامتري پالس تفاضلي براي اندازه‌گيري همزمان دو گونه مورفين و كدئين استفاده شد. همچنين پارامتر‌هاي موثر مانند pH، مقدار كاتاليست، پارامتر‌هاي دستگاهي بهينه و با ولتامتري چرخه‌اي، اثر سرعت روبش بر روي اكسايش و كاهش گونه بر سطح الكترود بررسي شدند كه نشانگر اين واقعيت هستند كه واكنش تحت كنترل جذب است. در نتيجه، پتانسيل و زمان پيش تغليظ به مقدار 00/0 ولت و 120 ثانيه بهينه شد. سپس با رابطه لاويرون مقادير ضريب انتقال الكترون و ثابت سرعت انتقال محاسبه شد. دامنه خطي حسگر براي هر دو گونه مورفين و كدئين در محدوده غلظت 09/0 تا 0/30 ميكرومولار ، حد تشخيص 2/9 نانومولار براي مورفين و 2/11 نانومولار براي كدئين، تكرار پذيري 5/3 درصد و تكثرپذيري 4/5 درصد محاسبه شد و پايداري مطلوب به دست آمد. اندازه‌گيري همزمان مورفين و كدئين در حضور هفده گونه مزاحم موجود در ادرار انجام شد كه مويد آن بود كه اين حسگر از گزينش‌پذيري بالايي برخوردار است. حسگر الكتروشيميايي طراحي شده به طور موفقيت آميزي براي اندازه‌گيري همزمان مورفين و كدئين در نمونه ادرار به كاربرده شد.
چكيده انگليسي :
Abstract
Recent research has focused on energy storage systems such as supercapacitors with a high power density, good operational safety, and durable cycling life. Hence, structure design effectively promotes the excellent performance of pseudocapacitive materials as an electrode in a supercapacitor. In the first study, Co3O4/MoCo/LDH is prepared and fabricated as a binder-free electrode on nickel foam. The Co3O4 nanowires (NWs) and MoCo LDHs are synthesized via a hydrothermal pathway with a combination of calcination processes and characterized by various techniques, including ATR-IR, FESEM, XPS, TGA, and XRD. This electrode enlarges active sites and enhances the rates of ion/electron diffusion. As a result, the Co3O4/MoCo/LDH/NF electrode demonstrates a superb specific capacitance of 2677 F g-1 at 1.0 A g-1, great cycling stability after 5000 cycles (93.2% of its initial capacitance maintained) at 9.0 A g-1, and an excellent capacity retention rate of 62.86% at 15 A g–1, that show better performance than MoCo LDH/NF and Co3O4 NWs/NF electrodes. Furthermore, an asymmetric supercapacitor is fabricated by Co3O4/MoCo/LDH and activated carbon; the Co3O4/MoCo/LDH/NF//AC ASC exhibits a specific capacitance of 190.2 F g-1 at 1.0 A g-1 and outstanding energy density of 67.62 Wh kg-1 at a high power density of 800 W kg-1. So, it is a promising electrode for energy storage applications.
The nanocomposites based on a metal-organic framework and graphene are promising active materials to enhance supercapacitor performance due to their enriched active sites, large specific surface area, high chemical stability, tunable porosity, and environmental compatibility. In the second study, bimetallic metal-organic framework (Ni/Co-Hemin MOF) nanosheet arrays were directly synthesized on phosphorous doped reduced graphene oxide (PrGO) and applied as an active material for high-performance asymmetrical supercapacitors. Hemin, a non-toxic and low-cost iron-containing porphyrin, was successfully used as the ligand for the synthesis of MOF in the morphology of nanosheet array on PrGO, offering a large specific surface area and increased active sites. Such nanocomposites were subsequently used as supercapacitor active materials, demonstrating an attractive specific capacitance of 963 C g-1 at 1.0 A g-1 with a high rate capability of 68.3% and superior cycling stability. The systematic characterizations and control experiments suggested that the bimetallic synergistic effect, the nanosheet array morphology, and the effect of phosphorous on the pseudo-capacitance behavior of GO should contribute to the significantly enhanced supercapacitor performance. Furthermore, an asymmetric supercapacitor (ASC) was fabricated by Ni/Co-Hemin/PrGO/Nickel foam (NF) and activated carbon/NF, which exhibited a specific capacitance of 281 C g-1 at 1.0 A g-1 at an operating voltage of 1.80 V and an outstanding energy density of 70.3 Wh kg-1 at a high power density of 0.9 kW kg-1. Two ASC devices connected in series were demonstrated to run a clock for about 42 mins. These results suggest the potential application of Hemin-based MOFs for advanced supercapacitor applications.
