سنتز و شناسایی نانوکامپوزیت¬های سیلیکون متخلخل اصلاح شده با نانوذرات فلزی و کاربرد آن¬ها درحسگرهای الکتروشیمیایی و باتری¬های لیتیوم-یونی

STUDENT

DEGREE

YEAR

This thesis, containing two main parts. In the first part which is contains four sections, porous silicon was synthesized by chemical etching method and characterized by different techniques. Then, different metal nanoparticles (including Cu, Pt, Pt-Pd and Pt-Cu) were loaded on the surface of porous silicon. Finally, the prepared nanocomposites were used for construction of new electrochemical sensors. In the first section, Cu@PSi was used for electrocatalytic detection of glucose and hydrogen peroxide by carbon paste electrode. The results indicate that Cu@PSi/CPE is a promising candidate for routine analysis of glucose and hydrogen peroxide in real samples.Glucose could be measured in the range of 1.0 –2300 µmol L –1 and with detection limit of 200 nmol L –1 , whereas hydrogen peroxide could be measured in the range of 0.5 –3780 µmol L –1 with detection limit of 300 nmol L –1 using chronoamperometry technique.In the second section, Pt@PSi containing ionic liquid modified carbon paste electrode was used for voltammetric determination of morphine and codeine. The results showed that the combination of antifouling properties of porous silicon and the electrocatalytic activity of Pt nanoparticles provide a new sensing surface for simultaneous determination of morphine and codeine with wide linear ranges and low detection limits.Under the optimum conditions, the oxidation current responses of morphine and codeine were linear in the concentration range of 0.1–25.0 µmol L –1 . The detection limits of 30.0 and 20.0 nmol L –1 were achieved for morphine and codeine, respectively.In the third section, simultaneous determination of purine bases of DNA were examined by Pt-Pd@PSi carbon nanotube paste electrode. The proposed sensor showed the linear range of 0.1–10.0 µmol L –1 for both analytes. The detection limits of 30.0 and 20.0 nmol L –1 were achived for adenine and guanine respectively. The proposed sensor was successfully applied for the determination of adenine and guanine in salmon sperm dsDNA with satisfactory results. In the last section of first part of the thesis, Pt-Cu nanoalloy was deposited on the porous silicon support. Then, the electrocatalytic activity of Pt-Cu@PSi toward hydrazine oxidation and hydrogen peroxide reduction was investigated and compared with Pt@PSi and Cu@PSi. The results showed that Pt-Cu@PSi has higher electrocatalytic for both of the analytes. To have better behavior of the electrocatalyst for the detection of hydrazine and hydrogen peroxide, Pt-Cu@PSi modified carbon ionic liquid electrode was fabricated. Hydrogen peroxide could be measured in the range of 0.5 –1280 µmol L –1 and with detection limit of 100 nmol L –1 , whereas hydrazine could be measured in the range of 0.20 –1680 µmol L –1 with detection limit of 50 nmol L –1 using chronoamperometry technique. In the second part (containing two sections), porous silicon was synthesized by metal assisted chemical etching method with specific surface area of 83.69 m 2 /g. Then, Ni@PSi and Bi@PSi nanocomposites were prepared using a simple galvanic reaction in fluoride ions solution without using any reducing agent. The charge storage properties of both nanocomposites were investigated using galvanostatic chronopotentiometry. The results showed that Ni@PSi and Bi@PSi exhibitedexcellent charge storage capacity of 1540 and 1880 mAh/g respectivelyin the current density of 0.8 C. Also, the proposed anode materials showed the high colombic effieciency as well asgood long-term cycling stability. These results indicate that Ni@PSi and Bi@PSi are good candidates for anode material in lithium ion battery.

در این رساله، سیلیکون متخلخل توسط دو روش شیمیایی و شیمیایی یاری شده با فلز سنتز شد و سپس توسط روش های مختلف مورد مشخصه یابی قرار گرفت. سپس نانوذرات فلزی مختلف با یک روش سریع و آسان و بدون نیاز به عامل احیا کننده بر روی بستر سیلیکون متخلخل تثبیت شدند. نانوکامپوزیت های حاصل توسط روشهای مختلف مورد مشخصه یابی قرار گرفتند و در زمینه های حسگرهای الکتروشیمیایی و آند باتری های لیتیومی مورد استفاده قرار گرفتند. در بخش اول که خود از چهار قسمت تشکیل شده است، سیلیکون متخلخل تهیه شده به روش شیمیایی به عنوان بستر جهت سنتز نانوکامپوزیت های مس-سیلیکون متخلخل، پلاتین- سیلیکون متخلخل، پلاتین/پالادیوم- سیلیکون متخلخل و پلاتین/مس- سیلیکون متخلخل استفاده شد. در ادامه این نانوکامپوزیت ها در ساخت حسگرهای الکتروشیمیایی مورد استفاده قرار گرفتند. در قسمت اول پس از مشخصه یابی نانوکامپوزیت مس-سیلیکون متخلخل با کمک تکنیک های مختلف، اثر الکتروکاتالیزوری این نانوکامپوزیت بر روی ترکیب های گلوکز و هیدروژن پروکسید مورد بررسی قرار گرفت. متغییر های مختلف مورد بهینه سازی قرار گرفت. به کمک تکنیک کرونوآمپرومتری، دامنه خطی 0/2300-0/1 میکرومولار برای گلوکز و 0/3780-5/0 میکرومولار برای هیدروژن پروکسید بدست آمد. همچنین حسگر ساخته شده جهت اندازه گیری گلوکز و هیدروژن پروکسید در نمونه های حقیقی مورد استفاده قرار گرفت. در قسمت دوم اثر مایع یونی و نانوکامپوزیت پلاتین-سیلیکون متخلخل بر روی سیگنال اکسایش مورفین و کدئین مورد بررسی قرار گرفت. پس از بهینه سازی متغیرهای مختلف، حسگر تهیه شده از نانوکامپوزیت پلاتین-سیلیکون متخلخل و مایع یونی برای اندازه گیری همزمان مورفین و کدئین با تکنیک ولتامتری پالس تفاضلی مورد استفاده قرار گرفت. منحنی کالیبراسیون، دامنه خطی 0/25-1/0 میکرومولار برای هر دو گونه ی کدئین و مورفین نشان داد. حد تشخیص بدست آمده برای مورفین 0/30 نانومولار و برای کدئین 0/20 نانومولار بود. در قسمت سوم نانوذرات پلاتین-پالادیوم بر روی سطح سیلیکون متخلخل تثبیت شد. این نانوکامپوزیت به کمک روشهای پراش پرتو ایکس، طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس و میکروسکوپ الکترونی مورد مشخصه یابی قرار گرفت. اثر هم افزایی پلاتین، پالادیوم و نانولوله های کربنی بر روی سیگنال اکسایش آدنین و گوانین مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که حضور نانوذرات پلاتین/پالادیوم و نانولوله های کربنی در ساختار حسگر پیشنهادی امکان اندازه گیری همزمان آدنین و گوانین را با تکنیک ولتامتری پالس تفاضلی در محدوده خطی 0/25-1/0 میکرومولار فراهم می کند. در قسمت آخر از بخش اول، گونه های هیدرازین و هیدروژن پروکسید توسط حسگر تهیه شده با مایع یونی و نانوکامپوزیت پلاتین/مس-سیلیکون متخلخل مورد آنالیز قرار گرفتند. بدین منظور، نانوکامپوزیت هایی با نسبت های مختلف پلاتین/مس تهیه شدند. نتایج نشان داد که نانوکامپوزیت حاوی نسبت برابر از پلاتین/مس بیشترین سیگنال اکسایش هیدرازین و کاهش هیدروژن پروکسید را نشان می دهد. پس از بهینه سازی پارامترهای الکتروشیمیایی، این دو گونه به کمک تکنیک کرونوآمپرومتری با حسگر پیشنهادی مورد اندازه گیری قرار گرفتند. دامنه خطی 0/1680-2/0 میکرومولار با حد تشخیص 0/50 نانومولار برای هیدرازین و دامنه خطی 0/1280-5/0 میکرومولار با حد تشخیص 0/100 نانومولار برای هیدروژن پروکسید بدست آمد. در بخش دوم که شامل دو قسمت می باشد ابتدا سیلیکون متخلخل به روش شیمیایی یاری شده با فلز تهیه گردید. بررسی ها نشان داد که سطح ویژه ی سیلیکون متخلخل تهیه شده به این روش 69/83 مترمربع بر گرم می باشد. سپس کاربرد آن به عنوان آند باتری های لیتیوم- یونی مورد ارزیابی قرار گرفت. بدین منظور از تکنیک پتانسیومتری با جریان ثابت استفاده شد. نتایج نشان داد ظرفیت ذخیره بار الکتریکی آند تهیه شده از پودر سیلیکون متخلخل (1218 میلی آمپرساعت بر گرم) تقریبا دوبرابر پودر سیلیکون تجاری (658 میلی آمپرساعت بر گرم) می باشد. به منظور بهبود هرچه بیشتر ظرفیت و پایداری سیلیکون متخلخل به عنوان آند باتری لیتیوم- یونی، نانوذرات نیکل و بیسموت بر روی سیلیکون متخلخل تثبیت شدند. نانوذرات نیکل و بیسموت تثبیت شده بر روی سیلیکون متخلخل با کمک تکنیک های پراش پرتو ایکس، طیف سنجی تفکیک انرژی اشعه ایکس و میکروسکوپ الکترونی مورد مشخصه یابی قرار گرفتند. نتایج نشان داد که تثبیت نانوذرات نیکل و بیسموت بر روی سطح سیلیکون متخلخل باعث بهبود چشمگیر در ظرفیت ذخیره بار الکتریکی و پایداری آندهای تهیه شده می شوند. مقدار ظرفیت آند تهیه شده از نانوکامپوزیت نیکل-سیلیکون متخلخل برابر با1540 میلی آمپرساعت بر گرم و مقدار ظرفیت آند تهیه شده از نانوکامپوزیت بیسموت-سیلیکون متخلخل برابر با 1880میلی آمپرساعت بر گرم می باشد. همچنین بازده کلمبی برای آندهای تهیه شده از دو نانوکامپوزیت نیکل-سیلیکون متخلخل و بیسموت-سیلیکون متخلخل بعد از 100 چرخه متوالی شارژ و دشارژ برابر با 99 درصد بدست آمد که نشان از کارایی مناسب آندهای پیشنهادی در این پایان نامه دارد.