SUPERVISOR
Ali asghar Ensafi,S.Hassan Ghaziaskar,Behzad Rezaei
علی اصغر انصافی (استاد مشاور) سیدحسن قاضی عسگر (استاد راهنما) بهزاد رضائی (استاد راهنما)
STUDENT
Reihaneh Fazel Zarandi
ریحانه فاضل زرندی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1393
TITLE
Electrochemical reduction of CO2 by metal and modified graphene electrocatalysts and evaluation of supercapacitor behaviour of the synthesized graphene/polymer nanocomposite
In this dissertation, the main purpose is efficient electrochemical CO 2 reduction to produce value added compounds using metal and graphene based electrocatalysts. Also it covers the synthesis of a graphene-based polymeric nanocomposite using in supercapacitor applications. In the first part, an electrochemical system, based on copper nanofoam accompanied by 1-butyl-3-methyl-imidazolium bromide (BMIMB) as the homogeneous co-catalyst for the electrochemical conversion of CO 2 at ambient pressure and temperature was developed. Although, there have been some efforts for utilization of copper nanofoam or imidazolium-based catalysts toward the electro-reduction of CO 2 , evaluation of both catalysts to take advantage of the potential synergic effect of their combination would be an interesting aspect. The electroreduction of CO 2 in a CO 2 saturated electrolyte was optimized based on the highest CO 2 conversion efficiency in various conditions. The results show that the copper nanoporous foam, with the contribution of BMIMB would effectively reduce CO 2 and demonstrate a high CO 2 faradaic efficiency i.e. more than 46% improvement, compared to similar previously reported experiment. The results confirm the applicability of this experiment as a developed method for efficient CO 2 reduction. In the second part, an electrocatalyst consisting of platinum nanoparticles on histamine-reduced graphene oxide plates (Pt@His-rGO) supported by a glassy carbon substrate for the conversion of CO 2 to methanol has been developed. The nanocomposite was optimized in applied pH, potential, CO 2 purging time and platinum loading, for the highest current densities and faradaic efficiencies toward methanol production. The faradaic efficiency of 37% was obtained for methanol production. The remarkable activity toward alcohol production due to the application of a low potential to limit gaseous products and high CO 2 intermediates stabilization of presented electrocatalyst may make this nanocomposite a promising mean for fuel production to address environment and climate change challenges. In the third part, a modified carbonaceous nanocomposite was prepared using Nile blue functionalized reduced graphene oxide (rGO) decorated by copper nanoparticles (Cu@NB-rGO). This unique graphene oxide (GO)-based electrocatalyst was cast on a copper plate electrode and employed for efficient conversion of CO 2 to valuable products via electrochemical reduction in term of energy saving. The application of the represented electro-catalyst increased the electroactivity of the substrate toward the production of multi-carbon species with higher selectivity. The Cu@NB-rGO nanocomposite was optimized for rGO, Nile blue, and Cu nanoparticle- compositions as well as the applied potential for the highest CO 2 electro-reduction faradaic efficiency. The modified electrocatalyst was able to reduce CO 2 to value-added products (ethanol, acetic acid, formic acid, CO, and methane) with a total faradaic efficiency of about 86%. The evaluation of gas and liquid products was carried out by gas analyzer- gas chromatography, chemical oxygen demand (COD), and gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) techniques. The best results were observed at the potential of -1.0 V versus Ag/AgCl, rGO amount of 0.5 mg mL -1 , Nile blue and a copper concentration of 15 and 10 mM, respectively. In the last part, a quite simple method has been represented for the fabrication of polymeric crosslinked graphene nanocomposite and examined for supercapacitance properties. Since most of the azo dyes display the conjugated structures, their contribution to enhance the conductivity and capacitance of carbon containing compounds such as graphene could be an interesting area. Therefore, in the present work, chrysoidine (CHRYS) was polymerized in the presence of graphene oxide (GO) in which the produced polychrysoidine (PCHRYS) acted as a cross linker for GO nanosheets. The optimized components ratio of GO:PCHRYS forms the efficient porous graphene oxide-polychrysoidine (GO-PCHRYS) nanocomposite which easily stores charge and represents a rather high specific capacitance of 1129.73 F g -1 at the current density of 0.5 A g -1 . The electrode stability was determined after 10000 cycles via comparing initial and final capacitance and the results indicated that 89.8% of the initial capacitance had been maintained
هدف کلی این رساله، کاهش الکتروشیمیایی کربن دی اکسید (CO 2 ) و تبدیل پر بازده آن به ترکیبات با ارزش افزوده با استفاده ازالکتروکاتالیست های فلزی و گرافن عامل دار شده و همچنین سنتز نانوکامپوزیت پلیمری بر پایه گرافن و بررسی عملکرد آن در ابرخازن ها می باشد. در نخستین پژوهش ، اثر هم افزایی مایع یونی1-بوتیل 3-متیل ایمیدازولیوم برومید (BMIMB) و نانوفوم مس در کاهش الکتروشیمیایی CO 2 مورد بررسی قرار گرفت. گرچه تحقیقات متعددی در زمینه استفاده از نانوفوم مس یا کاتالیست های بر پایه ایمیدازولیوم در کاهش الکتروشیمیایی CO 2 انجام شده است ولی در پژوهش حاضر، بررسی هر دو کاتالیست در کنار هم به لحاظ اثر بالقوه هم افزایی آن ها نتایج مهمی را در پی داشت. در این بررسی مشاهده شد که تخلخل بالای نانوفوم مس و اثر پایدارکنندگی BMIMB در جذب و کاهش مؤثر CO 2 نقش بسزایی را ایفا می کنند، به طوری که در شرایط بهینه با استفاده از نانوفوم مس لایه نشانی شده به مدت 45 ثانیه و الکترولیت 1/0 مولار KHCO 3 حاوی 40 میلی مولار BMIMB و در پتانسیل1/6- ولت نسبت به الکترود Ag/AgCl (KCl sat ) ، بازده کاهش کربن دی اکسید 46% نسبت به مطالعه قبلی که در آن تنها از نانوفوم مس استفاده شده بود، ارتقاء یافت و محصول شاخص به دست آمده اتانول با بازده فاراده ای 49% بود. در تحقیق دوم از الکترود کربن شیشه ای اصلاح شده با گرافن اکساید کاهش یافته (rGO) عامل دار شده با هیستامین و تزئین شده با نانوذرات پلاتین الکترولایه نشانی شده /GCE(Pt@rGO-His)، جهت کاهش الکتروشیمیایی کربن دی اکسید استفاده شد. عامل دار کردن rGO با ترکیبات هتروسیکلیک حاوی نیتروژن تاثیر بسزایی در جذب و پایدار نمودن کربن دی اکسید بر روی سطح الکتروکاتالیست دارد، چنانکه این گاز فرصت کافی برای دریافت الکترون مورد نیاز جهت تبدیل به محصولاتی به Ag/AgCl (KCl sat ) و مقدار پیچیده تر از متان و کربن مونو اکسید خواهد داشت. در این پژوهش در شرایط بهینه pH برابر با 2، پتانسیل اعمالی0/3- ولت نسبت نانوذرات پلاتین لایه نشانی شدهmol cm 2 5/17 *10-7 ، محصول الکترولیز کربن دی اکسید به طور عمده متانول با بازده فاراده ای 37% بود و تولید محصولات گازی به علت اعمال پتانسیل پایین به شدت کاهش یافت. در سومین پژوهش همانند تحقیق دوم از فرایند عامل دار کردن rGO در اصلاح ساختار آن جهت الکترولیز موثر CO 2 استفاده شد. به همین منظور ، ترکیب نایل بلو (Nile blue) که عضوی از خانواده ترکیبات نیتروژنی هتروسیکلیک رنگی است مورد استفاده قرار گرفت. الکترود استفاده شده شامل بستری از مس خالص با مساحتcm 2 1 بودکه بر روی آن rGO اصلاح شده با نایل بلو حامل نانو ذرات مس(Cu@rGO-NB) نشانده شده بود. حضور نایل بلو در ساختار rGO باعث افزایش جذب CO 2 بر روی بستر کاتالیستی و بهبود فعالیت rGO می شود و نانوذرات مس نیز علاوه بر فراهم آوردن مساحت سطح بالا، شرایط مناسبی را برای تولید ترکیبات هیدرو کربنی و اکسیژن دار فراهم می سازند.. در شرایط بهینه بازده فاراده ای کل برای تولید محصولات مایع و گازی به ترتیب برابردر با 70% و 16% بود. در پژوهش چهارم کاربرد یک ترکیب پلیمری هتروسیکلیک بر پایه گرافن در ساختار ابر خازنها مورد بررسی قرار گرفت. بدین سبب از روش ساده پلیمریزاسیون اکسایشی استفاده شد و ترکیب نیتروژن دار کنژوگه کریسویدین (Chrysoidine) در حضور GO به نانوکامپوزیت پلیمری گرافن اکساید- پلی کریسویدین (GO-PCHRYS) تبدیل شد. سپس عملکرد ابر خازنی نانوکامپوزیت تهیه شده مورد بررسی قرار گرفت و نتایج نشان داد که جزء پلیمری نانوکامپوزیت نقش بسزایی می گردد. نانوکامپوزیت GO-PCHRYS ظرفیت در افزایش هدایت الکتریکی و خواص ابر خازنی ترکیب گرافنی دارد. در ساختار نانوکامپوزیت وجود تجمع های پلیمری کنژوگه در بین صفحات GO مشاهده می شود که باعث اتصال این صفحات و افزایش فعالیت و هدایت الکتریکی خازنF g -1 3/715 ، چگالی توان و انرژی W kg -1 5/792 و Wh kg -1 67/22را ارائه می دهد که در مقایسه با سایر ابرخازن های گرافنی گزارش شده این نتایج کاملاً قابل قبول هستند. !--[if !supportFootnotes]-- !--[endif]--