Skip to main content
SUPERVISOR
Behzad Rezaei,Ali asghar Ensafi
بهزاد رضائی (استاد مشاور) علی اصغر انصافی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Najmeh Ahmadi
نجمه احمدی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391

TITLE

Synthesis and Charachterization of Metal, Metal Oxide and Conductive Polymer Based Nanocomposites and Their Application in Supercapacitors and Electrochemical Sensors
This thesis, containing two main parts. In the first part which is contains three sections, different new nanocomposite were synthesiszed and characterized by different techniques. The potential application of the prepared nanocomposites as an electrode material of supercapacitors were investigated using cyclic voltammetry, galvanostatic chronopotentiometry and electrochemical impedance spectroscopy. In the first section, copper-bismuth mixed oxide (CuBi2O4) nanoparticles were supported on nanoporous stainless steel by a simple electrochemical deposition method and then was employed as a binder-free electrode for supercapacitor application. The results showed that the proposed electrode exhibited a maximum specific capacitance of 144 mAh g-1 or 647 F g-1 at a current density of 1.0 A g-1 in 6.0 mol L-1 KOH with excellent long-term cycling stability (80% capacitance remained after 500 charge-discharge cycles). In the second section polypyrrole/nickel-cobalt hexacyanoferrate (PPy/NiCoHCF) nanocomposite was synthesized using a fast and facile electrochemical approach on a low cost stainless steel substrate. The capacitive behavior of the nanocomposite was investigated in aqueous and non-aqueous electrolytes. The results show that incorporation of NiCoHCF improves the capacitance properties of PPy in both aqueous and non-aqueous media. Maximum capacitance of 529 F g–1 and 668 F g–1 at the current density of 1.0 Ag?1 are achieved for the proposed nanocomposite in aqueous and non-aqueous electrolytes, respectively using galvanostatic charge-discharge technique. Moreover, the nanocomposite shows high specific power density (5600 W kg–1) and high specific energy density (87 Wh kg–1) at a current density of 10 Ag–1. In the last section, a quaternary nanohybrid of graphene/polyaniline-benzimidazole grafted graphene/MnO2 was performed as an electrochemical supercapacitors anode. Combination of high surface area of graphene, the high electrical conductivity of polyaniline and good charge storage capacity of MnO2 lead to a new electrode material for supercapacitor application. The prepared nano hybrid electrode material exhibits surpassing electrochemical performance than graphene/polyaniline and graphene/MnO2 nanocomposites, including a high specific capacitance of 675 F g?1 or 150 mAh g?1 at a discharge current of 50 A g?1. The nanocomposite showed excellent rate capability (over 80% retention at 50 A g?1) and high cycling stability with less than 13% of capacitance fading after 2000 cycles of galvanostatic charge-discharge as well as a high columbic efficiency of 96% at a high discharge current of 50 A g?1. The obtained results reveal that the proposed nanocomposites would be good candidates for electrode materials of supercapacitors with high charge storage capacity, good stability and high columbic efficiency in the future. In the second part (containing two sections), porous silicon was synthesized by chemical etching method and characterized by different techniques. Then, Pd@PSi and Ni@PSi nanocomposites were prepared using a simple galvanic loading of Pd and Ni nanoparticles on the surface of porous silicon in fluoride ions solution. Finally, the prepared nanocomposites were used for construction of new electrochemical sensors. In the first section, Pd@PSi containing carbon nanotube modified carbon paste electrode was used for voltammetric determination of acetaminophen and codeine. The results showed that the combination of the electrocatalytic activity of Pd nanoparticles, high conductivity of carbon nanotubes and high surface area of porous silicon provide a new sensing surface for simultaneous determination of acetaminophen and codeine with wide linear ranges and good selectivity. Under the optimum conditions, the oxidation current responses of acetaminophen and codeine were linear in the concentration range of 1.0–700.0 µmol L–1. The detection limits of 0.4 and 0.3 µmol L–1 were achieved for acetaminophen and codeine, respectively. In the second section, Ni@PSi was used for electrocatalytic detection of glucose by carbon paste electrode. The results indicate that Ni@PSi/CPE is a promising candidate for routine analysis of glucose in real samples. Glucose could be measured in the range of 2.0–5000 µmol L–1 and with detection limit of 200 nmol L–1 using chronoamperometry technique. The excellent applicability of the proposed method for determination of glucose in human blood serum with good accuracy and reproducibility made Ni@PSi nanocomposite promising for the development of effective electrochemical non-enzymatic glucose sensor.
در این رساله، نانوکامپوزیت های پایه فلزی و اکسید فلزی و همچنین نانوکامپوزیت های حاوی پلی مرهای هادی به روش های مختلف سنتز شدند. در ادامه کاربرد این نانوکامپوزیت ها در ابرخازن ها و حسگرهای الکتروشیمیایی مورد بررسی قرار گرفت. در بخش اول که خود از سه قسمت تشکیل شده است از نانوکامپوزیت های پایه اکسید فلزی و پلی مرهادی در ساخت الکترودهای ابرخازن های الکتروشیمیایی استفاده شد. از روش های ولتامتری چرخه ای، کرونوپتانسیومتری و طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی برای ارزیابی ظرفیت ذخیره بار الکتریکی الکترودهای تهیه شده استفاده شد. در قسمت اول از این بخش، نانوذرات CuBi 2 O 4 به روش الکتروشیمیایی بر روی بستر استیل زنگ نزن نانومتخلخل تثبیت شد. نانوکامپوزیت تهیه شده به کمک روش های مختلف (شامل میکروسکوپ الکترونی، پراش پرتو ایکس و ...) مورد مشخصه یابی قرار گرفت. ظرفیت ذخیره بار الکتریکی الکترود تهیه شده در الکترولیت های مختلف مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که این الکترود در الکترولیت M 6 KOH و در چگالی جریان A g -1 ظرفیت ویژه ّ F g -1 647 را ارائه می دهد. در قسمت دوم نانوکامپوزیتی از پلی پایرول و نیکل-کبالت هگزاسیانوفرات به روش الکتروشیمیایی تهیه شد و با روش های مختلف مورد مشخصه یابی قرار گرفت. کاربرد این نانوکامپوزیت به عنوان ماده الکتروفعال در ابرخازن های الکتروشیمیایی در الکترولیت های آبی و غیرآبی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که این الکترود در الکترولیت آلی( M 5/0 LiClO 4 در اتیلن کربنات/دی متیل کربنات) ظرفیت ویژه بیشتری (F g -1 668) را نسبت به الکترولیت آبی M 5/0 K 2 SO 4 (F g -1 529) نشان می دهد. در قمست سوم نانوهیبریدی از گرافن، پلی آنیلین و منگنز دی اکسید تهیه شد. این نانو کامپوزیت به روش های مختلف طیف سنجی رامان، طیف سنجی فوتوالکترون اشعه ایکس، آنالیز حرارتی، پراش پرتو ایکس و میکروسکوپ الکترونی پیمایشی و عبوری مورد ارزیابی قرار گرفت. خاصیت ابرخازنی الکترود تهیه شده از این نانوهیبرید در محلول M 0/1 H 2 SO 4 مورد بررسی قرار گرفت. با استفاده از روش ولتامتری چرخه ای در سرعت روبش mV S- 1 10 ظرفیت وِیژه F g -1 746 و با استفاده از روش کرونوپتانسیومتری در چگالی جریان A g -1 5 ظرفیت ویژه F g -1 712 بدست آمد. تمامی الکترو های تهیه شده در بخش اول این رساله ظرفیت ذخیره بار بالا، پایداری قابل قبول و بازده کولمبی مناسبی را در طی چرخه های متوالی شارژ و دشارژ ارائه می دهند که قابلیت کاریرد آنها را در ابرخازن های تجاری نشان می دهد. در بخش دوم از این رساله نانوکامپوزیت های پالادیوم- سیلیکون متخلخل و نیکل- سیلیکون متخلخل جهت ساخت حسگر های الکتروشیمیایی به منظور اندازه گیری گونه های مختلف مورد استفاده قرار گرفتند. در این راستا، سیلیکون متخلخل به عنوان یک بستر جهت تهیه سریع و آسان نانوذرات پالادیوم و نیکل بدون نیاز به عامل احیا کننده استفاده شد. در قسمت اول پس از مشخصه یابی نانوکامپوزیت پالادیوم-سیلیکون متخلخل با کمک روش های مختلف، الکنرود خمیر کربن تهیه شده از این نانوکامپوزیت جهت اندازه گیری هم زمان داروهای استامینوفن و کدئین استفاده شد. پس از بهینه سازی متغیرهای مختلف، منحنی کالیبراسیونی با روش ولتامتری پالس تفاضلی رسم گردید. دامنه خطی 0/700-0/1 میکرومولار برای هر دو گونه ی استامینوفن و کدئین و حد تشخیص 4/0 میکرومولار برای استامینوفن و 3/0 میکرومولار برای کدئین بدست آمد. از حسگر تهیه شده جهت اندازه گیری استامینوفن و کدئین در نمونه های حقیقی استفاده شد. در قسمت دوم نانوکامپوزیت نیکل- سیلیکون متخلخل سنتز شد و به کمک روش های مختلف مورد مشخصه یابی قرار گرفت. اثر الکتروکاتالیزوری این نانوکامپوزیت بر روی اکسایش گلوکز مورد بررسی قرار گرفت. متغییر های مختلف شامل pH، غلظت الکترولیت، پتانسیل اعمالی به الکترود و ... مورد بهینه سازی قرار گرفت. کمک روش کرونوآمپرومتری، دامنه خطی 0/5000-0/2 میکرومولار برای گلوکز بدست آمد. از حسگر تهیه شده جهت اندازه گیری قند خون در نمونه های پلاسما استفاده شد. مقایسه نتایج بدست آمده با نتایج حاصل از حسگر تجاری بیمارستانی نشان دهنده قابلیت استفاده از این حسگر در انجام اندازه گیری های روزانه قند خون در مراکز پزشکی می باشد.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی