شماره مدرك
21175
شماره راهنما
2502 دكتري
پديد آورنده
اسماعيلي چرمهيني، مرضيه
عنوان
اصلاح سطح بسترهاي كربني بهمنظور حذف فلزات سنگين و ذخيرهسازي انرژي و بررسي نظري توليد هيدروژن از متيل سيكلوهگزان
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
آلي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
چهارده، 128 ص.: مصور، جدول، نمودار
توصيفگر ها
نانولولههاي كربني , پلي دوپامين , جاذب مغناطيسي , فلزات سنگين , نمد فيبر كربني , چارچوب فلز - آلي , ابرخازن هيبريدي , حامل هيدروژن آلي مايع , نظريه تابع چگالي , متيل سيكلوهگزان
تاريخ ورود اطلاعات
1405/04/28
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
شيمي
دانشكده
شيمي
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/04/29
كد ايرانداك
23235972
چكيده فارسي
اين رساله دكتري، بر روي راهكارهاي علمي و پايدار براي مواجهه با چالشهاي كليدي محيطزيست و انرژي جهاني، بر مهندسي مولكولي و سطحي تركيبات و بسترهاي كربني/آلي پيشرفته تمركز دارد. پژوهش اول، تهيه يك جاذب مغناطيسي باقابليت استفاده مجدد از طريق عاملدار كردن دوپامين با اتيلنديآمينتترااستيك انيدريد و پليمريزاسيون آن بر سطح نانولولههاي كربني مغناطيسي (EDTA@PD-CNT/Fe3O4) را نشان ميدهد. جاذب سنتز شده با استفاده از تكنيكهاي XRD، FT-IR، پتانسيل زتا، FE-SEM، EDS، BET، TGA، DTA و VSM مورد بررسي قرار گرفت. جاذب سنتز شده براي حذف يونهاي سرب و كادميوم از محلول آبي مورداستفاده قرار گرفت. فرايند جذب از طريق بهينهسازي پارامترهاي كليدي نظير pH، مقدار جاذب، زمان تماس و غلظت يون بهبود يافت. براي هر دو يون، دادههاي ترموديناميكي فرايندها و سينتيك جذب بررسي شد. بررسي دادههاي تجربي نشان داد كه ايزوترم لانگموير مناسبترين مدل است و بررسي سينتيك جذب، مطابقت با معادله شبهمرتبه دوم را آشكار ساخت. بر اساس دادههاي ترموديناميكي، فرايند جذب توسط جاذب EDTA@PD-CNT/Fe3O4 خودبهخودي و گرماگير است؛ همچنين، بالاترين ظرفيتهاي جذب براي Cd2+ و Pb2+ به ترتيب 45/204 و 48/376 ميليگرم بر گرم گزارش شد.
در پروژه دوم ابتدا با استفاده از KOH و روش حكاكي شيميايي مساحت سطح ويژه نمد فيبر كربني (CF) از حدود 2 سانتي متر مربع بر گرم به 675 سانتي متر مربع بر گرم افزايش داده شد. سپس با استفاده از روش هيدروترمال و به صورت همزماني MIL(101)-Fe-NH2 (چارچوب فلز - آلي مبتني بر آهن) روي سطح نمد فيبر كربني فعال شده (ACF) سنتز شد. الكترود سنتز شده با استفاده از تكنيكهاي XRD، FT-IR، FE-SEM، EDS، BET، TGA، DTA و رامان مورد بررسي قرار گرفت. عملكرد الكترود ACF@MIL-NH2 بهعنوان الكترود كار در يك سيستم سهالكترودي با استفاده از تكنيكهاي الكتروشيميايي شامل ولتامتري چرخهاي (CV) و شارژ/دشارژ گالوانواستاتيك (GCD)، بررسي شد. در اين سيستم، از كالومل به عنوان الكترود مرجع، پلاتين به عنوان الكترود كمكي و از محلول آبي پتاسيم هيدروكسيد (1 مولار) به عنوان الكتروليت استفاده شد. نتايج اوليه نشان داد كه اين الكترود ظرفيت خازني تا06/3 فاراد بر سانتيمتر مكعب را در چگالي جريان 7/0 ميليآمپر بر سانتيمتر مكعب و در الكتروليت آبي پتاسيم هيدروكسيد 1 مولار ارائه ميدهد.
حاملهاي هيدروژن آلي مايع (LOHCs) سيستمهاي نويدبخشي براي ذخيرهسازي هيدروژن به شمار ميروند و متيل سيكلوهگزان (MCH) به دليل محتواي بالاي هيدروژن معمولاً بهعنوان مدل استفاده ميشود. پژوهش سوم با استفاده از نظريه تابعي چگالي (DFT)، به بررسي تأثير دو گروه عاملي -NH2 و -NO2 در موقعيت 4 متيل سيكلوهگزان در واكنش هيدروژنزدايي اين تركيب روي خوشه Pt13 تمركز دارد. نتايج اين بررسي، مطلوبيت بهبود يافتهاي را براي هر دو تركيب 4-متيل سيكلوهگزيل آمين (MCA) و 1-متيل-4-نيترو سيكلوهگزان (MNC) نسبت به MCH از نظر ترموديناميكي نشان داد و روندهاي مشابهي براي تغييرات آنتالپي مشاهده شد. با اين حال، تجزيه و تحليل سينتيكي، انرژيهاي فعالسازي (Eₐ) بالاتري را براي MCA و MCH نسبت به MNC نشان داد كه به اثرات الكترونيكي و تغيير پيكربنديهاي جذب نسبت داده ميشود و در نتيجه سرعت واكنش كندتر است. بررسي مختصات واكنش، مرحله دوم را به عنوان مرحله تعيينكننده سرعت براي MCH و MCA شناسايي كرد، در حالي كه مرحله سوم براي MNC به عنوان مرحله تعيينكننده سرعت انتخاب شد.
چكيده انگليسي
This doctoral dissertation, with the aim of providing scientific and sustainable solutions to address key global environmental and energy challenges, focuses on the molecular and surface engineering of advanced carbon/organic compounds and substrates. The first study demonstrates the preparation of a reusable magnetic adsorbent through dopamine functionalization with ethylenediaminetetraacetic anhydride and its polymerization on the surface of magnetic carbon nanotubes (EDTA@PD-CNT/Fe3O4). The synthesized adsorbent was characterized using XRD, FT-IR, zeta potential, FE-SEM, EDS, BET, TGA, DTA, and VSM techniques. The adsorbent was employed for the removal of lead and cadmium ions from aqueous solutions. The adsorption process was optimized by tuning key parameters such as pH, adsorbent dosage, contact time, and initial ion concentration. Thermodynamic parameters and adsorption kinetics were investigated for both ions. Experimental data analysis revealed that the Langmuir isotherm provided the best fit, while the adsorption kinetics followed a pseudo-second-order model. Thermodynamic data indicated that the adsorption process on EDTA@PD-CNT/Fe3O4 is spontaneous and endothermic; the maximum adsorption capacities for Cd2+ and Pb2+ were 204.45 mg/g and 376.48 mg/g, respectively.
In the second project, the specific surface area of carbon fiber felt (CF) was first increased from approximately 2 m2/g to 675 m2/g using KOH and chemical etching. Subsequently, MIL-101(Fe)-NH2 was synthesized in situ on the activated carbon fiber felt (ACF) via a hydrothermal method without the use of binders. The synthesized electrode was characterized using XRD, FT-IR, FE-SEM, EDS, BET, TGA, DTA, and Raman techniques. The performance of the ACF@MIL-NH2 electrode as the working electrode in a three-electrode system was evaluated using electrochemical techniques, including cyclic voltammetry (CV) and galvanostatic charge/discharge (GCD). A calomel electrode served as the reference, platinum as the counter electrode, and 1 M aqueous potassium hydroxide as the electrolyte. Preliminary results showed that this electrode delivers a volumetric capacitance of up to 2.79 F/cm3 in 1 M aqueous KOH electrolyte.
Liquid organic hydrogen carriers (LOHCs) are promising systems for hydrogen storage, and methylcyclohexane (MCH) is commonly used as a model compound due to its high hydrogen content. The third study, using density functional theory (DFT), investigates the effect of -NH2 and -NO2 functional groups at the 4-position of methylcyclohexane on the dehydrogenation reaction over a Pt13 cluster. The results showed that thermodynamic analysis indicates improved favorability for both 4-methylcyclohexylamine (MCA) and 1-methyl-4-nitrocyclohexane (MNC) compared to MCH, with similar trends observed for enthalpy changes. However, kinetic analysis revealed higher activation energies (Ea) for MCA and MCH than for MNC, attributed to electronic effects and changes in adsorption configurations, resulting in slower reaction rates. Reaction coordinate analysis identified the second step as the rate-determining step for MCH and MCA, whereas the third step was rate-determining for MNC.
استاد راهنما
عليرضا نجفي چرمهيني , مهران غياثي
استاد داور
محمد ديناري , حسين فرخ پور , عباس رحمتي