سنتز، شناسایی، کاربرد و مطالعات تئوری نانوکامپوزیت های آلومینا/ بوریا و بورازین- ملامین پلیمر برای ذخیره هیدروژن

STUDENT

DEGREE

YEAR

اخیراً نانوکامپوزیت های هیبریدی آلی- معدنی کاربرد های زیادی در زمینه جداسازی، کاتالیزور، الکتروشیمی، حسگر و پیل های سوختی پیدا کرده اند. همچنین ذخیره هیدروژن یکی از چالش های بزرگ محققین در حوزه پیل سوختی می باشد. تمرکز اصلی این رساله ساخت و بررسی سیستم های نانوساختار نانوکامپوزیت های آلی-معدنی جدیدی برای ذخیره سازی هیدروژن می باشد. در بخش اول رساله، نانوکامپوزیت هایی شامل آلومینا، بوریا، رزین فنولی و کربن مزوپور سنتز وشناسایی شدند، سپس میزان ذخیره ی هیدروژن آن ها مورد بررسی قرار گرفت. برای ذخیره سازی هیدروژن به مواد نانوساختار متخلخل با مساحت سطح بالا نیاز است. این نانوکامپوزیت های سنتز شده دارای ساختاری متخلخل با مساحت سطح ویژه ی بالایی هستند و ما آن ها را به عنوان مواد جدیدی برای ذخیره ی هیدروژن معرفی می کنیم. جذب هیدروژن، مساحت سطح ویژه، حجم و سایز حفرات بر روی نمونه های مختلف نانوکامپوزیت ها مورد بررسی قرار گرفت. خواص ساختاری، بررسی نوع بافت، مورفولوژی، میزان بلورینگی یا کریستالینیتی، اندازه ذرات و سطح ویژه همه ی نانوکامپوزیت ها و نانوکاتالیست های تهیه شده با استفاده از تکنیک های مختلف اسپکتروسکوپی از جمله پراش اشعه ی ایکس (XRD)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، طیف سنجی مادون قرمز (FT-IR) و همچنین هم دمای جذب و واجذب گاز نیتروژن BET و BJH ارزیابی شد. پایداری گرمایی آن ها نیز با تکنیک های آنالیزهای حرارتی TGAو DSC تعیین گردید. نانوکامپوزیت های هیبریدی آلی-معدنی معرفی شده می توانند خواص خوبی به لحاظ فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی ایجاد نمایند. در بخش دوم این رساله نانوساختارهای مزوپور آلومینا و مخلوط اکسیدی آلومینا- بورات، سنتز شده با استفاده از فنول فرمالدهید رزین به عنوان عامل هدایت کننده ی ساختار، مورد مطالعه قرار گرفت و میزان بلورینگی، نوع فازها، مورفولوژی، مساحت سطح ویژه و میزان تخلخل آن ها بررسی شد. در ادامه از آن ها به عنوان نانوکاتالیست در واکنش حذفی الکل استفاده شد. در این پژوهش می توان عنوان کرد که یک روش نو و قابل تولید با بازده بالا برای تهیه نانوکاتالیست های آلومینایی با میزان تخلخل و حجم حفرات عالی و مساحت سطح ویژه بالا معرفی شده است. این تحقیق، اولین گزارش استفاده از رزین فنولی به عنوان عامل هدایت کننده ی ساختار در سنتز آلومینای مزوپور نانومیله ای و با مورفولوژی مشخص و تک فاز کریستالی گاما و در دمای تکلیس پایین با سطح ویژه‌ی بسیار بالا و سنتز آلومینا- بورات اکسید نانوساختار با سایز ذرات کمتر از 50 نانومتر می‌باشد. در بخش سوم دسته جدیدی از مواد نانو حفره هیبریدی آلی- معدنی به نام بورازین- ملامین پلیمر به منظور ذخیره سازی گاز طراحی، سنتز و شناسایی گردید. مشاهده شد این نوع پلیمر جدیدکلیه‌ فاکتورهای لازم برای ذخیره هیدروژن مثل سطح ویژه بالا، حجم حفرات مورد نیاز، آروماتیسیته و وزن سبک را دارا است. بورازین- ملامین پلیمرها بسیار شبیه به چارچوب های آلی-کووالانسی (COFs) عمل می‌کنند. در بخش محاسباتی این پروژه از روش های شیمی کوانتومی و شبیه سازی دینامیک مولکولی برای ارزیابی ظرفیت ذخیره ی هیدروژن ترکیب جدید بورازین- ملامین پلیمر مطرح شده استفاده شد. در کشور ما مبحث ذخیره ی هیدروژن حالت جامد جدید بوده و پیشرفت مطلوبی هم نداشته است. به همین دلیل انجام تحقیقاتی مشابه با این رساله باعث بدست آوردن تجربیات علمی و عملی مفیدی در این زمینه و گسترش آن در کشور خواهد شد.

Novel hybrid nanocomposites of alumina/phenol formaldehyde resin (Al-PFR), alumina/boria/phenol formaldehyde resin and alumina-borate oxide/mesoprous carbon were prepared by mixing of prepolymer of phenol formaldehyde resin and aluminum hydroxide gel and/or alumina/boria gel, which were first acquired using the sol-gel process from aluminum isopropoxide and boric acid. Hydrogen adsorption properties the considered organic-inorganic hybrid nanocomposites were also studied. They have been proposed as promising hydrogen storage materials. The chemical structures, surface morphology and thermal stability of these nanocomposites were characterized by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), X-ray diffraction (XRD), field emission scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), thermogravimetric analysis (TGA), Brunauer-Emmett-Teller (BET) and N 2 adsorption-desorption isotherm. The influence of phenol formaldehyde resin on the texture, morphology, reactivity and selectivity of alumina and alumina-borate oxid has been investigated. Evaluation of the catalytic activity and selectivity of Al-PFR composites and Mesoporous nano rod-like ?-alumina was carried out via elimination reaction of 2-octanol. The mesoporous nanostructures of alumina and mixed oxides of alumina-borate were studied which were synthesized using phenol–formaldehyde resin as a template and crystallinity, phase type, morphology, specific surface area and porosity of them was investigated. This study is the first report of use of phenolic resin as the structure directing agent in the synthesis of nanorod mesoporous alumina with characteristic morphology and gamma single crystal and low calcination temperature with very high specific surface area and the synthesis of nanostructured alumina borate oxide with particles sizes less than 50 nm. A new class of highly porous borazine-melamine polymer (BMP-F) has been synthesized utilizing melamine and boron triflouride. BMP-F exhibits high surface areas up to 590 m 2 g -1 and can store significant amounts of hydrogen (1.08 wt%). Ab initio calculations and molecular dynamic simulation were employed to study the interaction of molecular hydrogen with the borazine–melamine polymer (BMP-H) in order to explore its potential for hydrogen storage applications. It was found that the hydrogen storage capacity of the BMP is about 6.49 wt%, which is close to the values reported for the other selected materials for the hydrogen storage in the literature. The maximum number of hydrogen molecules, which were adsorbed by the BMP-H building block, is about ten. Molecular dynamic simulation was performed to assess the potential of BMP-H for hydrogen storage.