19277

2175 دكتري

دكتري

نانومواد

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

1402

ده، 111ص.: مصور (رنگي)، جدول ، نمودار

1402/12/14

كتابنامه

مهندسي فناوري نانو

مهندسي مواد

1402/12/15

23019043

به كارگيري ميكروسازواره‌هاي زنده فتوسنتزي در دستگاه¬هاي بيوفتوولتائيك به فناوري اميدواركننده¬اي براي توليد انرژي تجديدپذير تبديل شده است.كمپلكس فتوسنتزي فتوسيستم 1 (PSI) با دارا بودن ويژگي¬هايي همچون توانايي در جذب انرژي فوتوني، جداسازي بار و انتقال موثر الكترون¬ها، كانديد مناسبي براي استفاده به عنوان لايه فعال در دستگاه¬هاي بيوفتوولتائيك است. مهندسي شيمي سطح الكترودي كه كمپلكس¬هاي فتوسيستم 1 بر روي آن خودآرائي مي¬كنند، در جهت گيري آنها نقشي اساسي دارد. در پژوهش حاضر به كمك دو اتصالگر فنيل-61 C- بوتريك اسيد (PCBA) و پپتايد سفارشي IQAc بر روي الكترودهاي طلا با ساختار نانو، تأثير تك¬لايه¬هاي فتوسيستم 1 جهت¬گيري شده بر عملكرد دستگاه¬هاي بيوفتوولتائيك¬ مقايسه مي¬شوند. اندازه¬گيري¬¬ها به كمك دو روش غيرمخرب گاليم-ايندويوم يوتكتيك و ميكروسكوپ نيروي اتمي با پروب رسانا نشان دادند كه اتصالگر PCBA تأثير بسزايي در جهت¬گيري فتوسيستم 1 دارد. همچنين كاربرد اين دو اتصالگر در سامانه¬هاي ماكروفلوئيدي نشان داد كه دستگاه بيوفتوولتائيك با بهترين عملكرد ممكن ساخته شده با اتصالگر PCBA بازده 0043/0 % را نشان مي¬دهد، درحاليكه دستگاه بيوفتوولتائيك ساخته شده با پپتايد IQAc بازده 0027/0% را نشان مي¬دهد. علاوه بر اين، سامانه¬هاي مبتني بر PCBA در معرض تابش مداوم نور پايدارتر بودند و با تزريق مجدد فتوسيستم 1 تازه، مجدداً خودآرائي در سيستم انجام داده و شروع به فعاليت مي¬كنند. در پژوهش حاضر تركيبي از نيمه¬هادي¬هاي آلي مرسوم و مولكول¬هاي زيستي به عنوان رويكردي مناسب در استفاده در سلول¬هاي خورشيدي موجب عملكرد بهتر بيوفتوولتائيك¬هاي شد. در بخش ديگري از پژوهش حاضر، فتوسيستم 1 به عنوان ماده فعال در ساخت سلول¬هاي بيوفتوولتائيك حالت جامد استفاده شد. پلي تيروزين-پلي¬انيلين (PY-PANI) به عنوان لايه انتقال دهنده حفره بر روي الكترودهاي شفاف ITO لايه¬نشاني شد. لايه فتوسيستم 1 با استفاده از لايه انتقال دهنده الكترون متشكل از اكسيد گرافن احيا شده با نانوذرات طلا (rGO-Au) پوشانده شد. تركيب اكسيد گرافن كاهش‌يافته با نانوذرات طلا باعث مي‌شود تا ساختار الكترونيكي سطوح انرژي لايه¬هاي مختلف را تراز كند و در عين حال رسانايي الكتريكي دستگاه‌ها را نيز افزايش دهد. در سلول¬هاي خورشيدي حالت جامد مورد بررسي، بهترين عملكرد دستگاه به بازده تبديل توان خارجي 64/0 % رسيد. به علاوه در بخش ديگري از پژوهش حاضر، اتصالات تونل زني به كمك الكترود بالايي گاليم-اينديوم يوتكتيك با استفاده از دو كمپلكس مختلف پروتئين فتوسيستم1 استخراج شده از سيانوباكتري‌ها و برگ‌هاي اسفناج كه بر روي زيرلايه¬هاي مايكا خودآرائي شده¬اند، مقايسه شده است. اندازه‌گيري‌هاي پايداري كمپلكس¬هاي فتوسيستم1 استخراج شده از سيانوباكتري‌ها و كمپلكس¬هاي فتوسيستم 1 استخراج‌شده از برگ‌هاي اسفناج در دماي اتاق در مدت چهار ماه مقايسه شده است. علاوه بر اين، اندازه‌گيري‌هاي الكتريكي به كمك گاليم-اينديوم يوتكتيك، از دماي 130 كلوين تا نزديك به دماي دناتوره شدن پروتئين، رفتار انتقال الكتروني مستقل از دما را براي اتصالات PCBA//PSI نشان مي‌دهند. نتايج پژوهش¬هاي ما نشان داد كه در بخش اول فولروئيدها كه مواد شناخته شده پذيرنده الكترون در سيستم¬هاي فتوولتائيك آلي هستند، موجب تسهيل اسخراج الكترون از كمپلكس¬هاي پروتئيني مي¬شوند، بدون اينكه سبب تضعيف جهت¬گيري كمپلكس¬ها شوند. در بخش دوم، هم ترازي بين سطوح انرژي لايه‌هاي فتوسيستم 1 و لايه¬هاي انتقال دهنده الكترون و حفره در سلول‌هاي بيوفتوولتائيك حالت جامد، انتقال الكترون‌هاي توليد شده را در فرايند تبديل انرژي تسهيل مي‌كند و بنابراين بارها مي‌توانند به طور موثر در دستگاه‌هاي بيوفتوولتائيك عبور كنند. در بخش سوم، مقايسه اندازه¬گيري¬هاي الكتريكي بين اين اتصالات با استفاده از دو كمپلكس مختلف PSI نشان مي‌دهند كه نشتي جريان در اتصالات وجود ندارد، اين اتصالات اندازه‌گيري دما را تا 130 كلوين امكان‌پذير مي‌كنند، ويژگي‌هاي حفظ جريان عالي دارند و حداقل براي چهار ماه پايدار هستند.

Biophotovoltaics has emerged as a promising technology for generating renewable energy because it relies on living photosynthetic microorganisms as inexpensive, self-repair building blocks to produce electrical current from an abundant sunlight resource. Photosystem I (PSI) is a transmembrane, multi-subunit protein-chlorophyll complex, and its attractive features such as its ability to capture photonic energy, undergo charge separation, and transfer electrons efficiently make PSI an excellent candidate for utilizing PSI as an active layer in biophotovoltaic devices. The results presented in this thesis have demonstrated the versatility of PSI, a naturally abundant and highly functional photoactive protein complex for integration into biophotovoltaic devices. Biophotovoltaic devices fabricated with the C61 fulleroid exhibit significantly improved performance and reproducibility compared to those utilizing the peptide. By using PCBA and custom peptide linkers, we could control the orientation of the protein complexes. Moreover, the unique architecture of BPV devices enables self-regeneration; by circulating fresh photosystem complexes through the devices, inactive complexes are replaced by active complexes via self-assembly, which we demonstrate by measuring the photocurrent generation over a period of two weeks. In other work, PSI was incorporated into solid-state biophotovoltaic cells. PSI was used as the photoactive component and was immobilized on polytyrosine-polyaniline as a hole extraction layer on ITO electrodes. The PSI monolayer was covered with an electron-extraction layer of reduced graphene oxide with gold nanoparticles (rGO-Au). The unique band alignment between PSI, electron, and hole transfer layers in solidstate biophotovoltaic cells facilitates the extraction of photo-generated electrons without sacrificing other parts of the power conversion process and therefore charges could efficiently pass through the BPV devices. The combination of reduced graphene oxide with gold nanoparticles caused to tailor the electronic structure and aligns the energy levels while also increasing the electrical conductivity of the devices. The best-performing device reached an external power conversion efficiency of 0.64 %. This work establishes a foundation for utilizing the unique properties of graphene-based materials decorated with metal nanoparticles in future biophotovoltaic devices. In chapter 5, we compared large-area SAM-based tunneling junctions of PSI which are self-assembled on the surface of mica substrates via PCBA linkers using two different PSI protein complexes extracted from cyanobacteria and spinach leaves. The stability measurements of the PSI complexes from the cyanobacteria to PSI complexes extracted from spinach leaves over room temperature are compared. Moreover, EGaIn measurements, from 130 K up to close to the protein’s denaturation temperature, all show temperature-independent electron transport behavior for PCBA//PSI junctions. The comparison between these junctions using two different PSI complexes show that they do not suffer from leakage currents, enable temperature variable measurements down to 130 K, have excellent current retention characteristics, and are stable for at least 4 months.

احمد كرمانپور , علي اشرفي , رايان چكي , رمكو هونيس

مهشيد خرازيهاي اصفهاني , مجيد مقدم , ادريس فيض آبادي