اصلاح سطحی گرافن و گرافن اکسید با گلوکز و آمینواسیدها و کاربرد آن¬ها در سنتز بیو نانوکامپوزیت¬های بر پایه پلی(وینیل الکل)

STUDENT

DEGREE

YEAR

In this research, at the first project, graphene oxide nanosheets were functionalized with natural, nontoxic and biodegradable amino acids such as L-phenylalanine, L-alanine, L-isoleucine, L-leucine and S-valine, through coordination to Cu 2+ by green procedure, and different complexes of GO (GO-Cu-AA) were prepared. The amino acid functionalized graphene oxide layers were characterized by several techniques were investigated. Then, in order to evaluate the catalytic performance of GO-Cu-AA catalysts, the epoxidation reaction of norbornene. In the next project, L-alanine functionalized graphene oxide nanolayers were used as filler in the polymeric nanocomposite synthesis. In the next project, the preparation of poly(vinyl alcohol) (PVA) bionanocomposites with L-alanine functionalized graphene (f-graphene) using a simple water solution casting method is reported. The obtained PVA/f-graphene bionanocomposite membranes were smooth, uniform and flexible. The fabricated bionanocomposites were investigated and studied by different analytical methods like FT-IR, XRD, TGA, FE-SEM and TEM. The mechanical properties of the bionanocomposite membranes were also studied. The elastic modulus, tensile strength, and strain were obtained from this investigation. Efficient interaction was found between f-graphene and PVA matrix, which caused significant improvement in mechanical and thermal properties of the graphene oxide based bionanocomposite with homogeneous dispersion. In the third part, in order to develop electrical properties of graphene, functionalized graphene oxide nanosheets with different types of copper coordinated amino acids (GO-Cu-AA) were reduced in the presence of hydrazine hydrate (N 2 H 4 .H 2 O) as a reducing agent for the synthesis of reduced functionalized graphene oxide (R-GO-Cu-AA). Finally, in the forth project, a new method was reported for the synthesis of novel (PVA)/glucose functionalized reduced graphene oxide (PVA/GFRGO) nanocomposite (NC) films. To attain these goals, since most carbohydrates, specially glucose, cause GO reduction, at first, GO was converted into reduced graphene oxide (RGO) in the presence of hydrazine hydrate (N 2 H 4 .H 2 O) as a reducing agent. In the next step, as a safe and natural biomolecule, glucose was covalently attached to RGO sheets using nucleophilic addition reactions between hydroxyl groups of glucose and carboxylic acid groups located on the RGO edges in the presence of N,N ',-carbonyldiimidazole (CDI) as an activating reagent.

در این رساله، ابتدا صفحات گرافن اکسید از طریق فلز مس(II) به عنوان عامل کوئوردینه کننده توسط آمینو اسیدهای طبیعی، غیر سمی و زیست سازگار L-آلانین، S-والین، L-لوسین، L-ایزولوسین و L-فنیل آلانین عامل دار شدند و کمپلکس های مختلفی از گرافن اکسید سنتز شد. صفحات گرافن اکسید عامل دار شده با روش های شناسایی مختلف مانندFT-IR ، XRD،Raman ،XPS ، FE-SEM و TEM مورد بررسی و مطالعه قرار گرفتند. سپس، به منظور بررسی عملکرد کاتالیستی کمپلکس های گرافن اکسید سنتز شده، واکنش اپوکسیدشدن نوربورنن با استفاده از هیدروژن پراکسید (30%) در حلال استونیتریل در حضور این کمپلکس ها انجام شد. به منظور تعیین شرایط بهینه، کمپلکس GO-Cu-alanine انتخاب شد و اثر دما، زمان و میزان کاتالیست در واکنش اپوکسیدشدن نوربورنن مورد بررسی گرفت. سپس عملکرد کاتالیستی کمپلکس های مختلف در واکنش اپوکسیدشدن نوربورنن تحت شرایط بهینه بررسی شد. میزان درصد تبدیل نوربورنن در حضور 60 میلی گرم کمپلکس GO-Cu-phenylalanine و 20 میلی مول هیدروژن پراکسید (30%) در دمای رفلاکس و مدت زمان 12 ساعت بیشترین مقدار بود که می تواند مربوط به بارگیری بیشتر یون مس توسط این کمپلکس باشد. در قسمت دوم، از گرافن اکسید عامل دار شده با آمینو اسید آلانین به عنوان پرکننده برای تهیه ی نانوکامپوزیت های پلیمری استفاده شد. با توجه به اهمیت پلیمرهای سنتزی زیست تخریب پذیر، از پلی(وینیل الکل) به عنوان ماتریس پلیمری استفاده شد. فیلم های بیونانوکامپوزیت پلی(وینیل الکل) و گرافن عامل دار شده توسط آمینو اسید آلانین، طی روش قالب ریزی محلول و با استفاده از امواج فراصوت تهیه شدند. بیونانوکامپوزیت های تهیه شده با روش‌های شناسایی مانند FT-IR، XRD، FE-SEM و TEM مورد بررسی و مطالعه قرار گرفتند. خواص حرارتی و مکانیکی بیونانوکامپوزیت های تهیه شده نیز مورد بررسی قرار گرفت. اطلاعات بدست آمده از TGA نشان دادند که پایداری حرارتی بیونانوکامپوزیت ها با افزایش محتوای گرافن اکسید عامل دار شده افزایش پیدا کرده است. همچنین خواص مکانیکی فیلم های بیونانوکامپوزیت مطالعه شد و اطلاعاتی از جمله مدول الاستیسیته و تنش کششی از این مطالعه بدست آمد. نتایج نشان دادند که با افزایش درصد اندکی از گرافن اکسید عامل دار شده در بافت پلیمری، خواص مکانیکی بیونانوکامپوزیت های حاصل بهبود یافته است. در قسمت سوم، با توجه به اهمیت خواص الکتریکی گرافن و کاربرد آن در صنایع مختلف، لایه های گرافن اکسید عامل دار شده با آمینواسیدهای مختلف و کوئوردینه شده با فلز مس(II)، جهت بررسی افزایش هدایت الکتریکی و خواص الکتروشیمیایی صفحات گرافنی، با هیدرازین هیدرات در محیط آبی احیا شد و گرافن اکسید عامل دار احیا شده (R-GO-Cu-AA) سنتز گردید. صفحات گرافنی با استفاده از روش های مختلف مانندFT-IR ، XRD، FE-SEMو TEM مطالعه و رفتار الکتروشیمیایی نمونه های گرافنی با استفاده از ولتاموگرام چرخه ای ارزیابی شد. در پروژه ی دیگری، صفحات گرافنی با استفاده از کربوهیدرات های ساده مانند گلوکز عامل دار شدند. سپس صفحات گرافنی عامل دار شده به عنوان پرکننده در ماتریس پلی(وینیل الکل) استفاده شدند. بنابراین، سری جدیدی از فیلم های بیونانوکامپوزیت تهیه شدند و ساختار آن ها با استفاده از روش های مختلف FT-IR، XRD،TGA، FE-SEM و TEM مورد شناسایی و مطالعه قرار گرفت. اطلاعات بدست آمده از TGA نشان دادند که پایداری حرارتی بیو نانوکامپوزیت ها با افزایش محتوای صفحات گرافنی عامل دار شده در مقایسه با پلیمر خالص افزایش پیدا کرده است. همچنین تصاویر حاصل از FE-SEM و TEM توزیع یکنواختی از صفحات گرافنی عامل دار شده را در زمینه ی پلیمر نشان دادند. در ادامه خواص مکانیکی فیلم های بیونانوکامپوزیت مطالعه شد و اطلاعاتی از جمله مدول الاستیسیته و تنش کششی از این مطالعه بدست آمد. نتایج نشان دادند که با افزایش wt.% 5 از گرافن عامل دار شده در بافت پلیمری، استحکام کششی و مدول یانگ به ترتیب به میزان 52% و 47% افزایش یافته است.