SUPERVISOR
Behzad Rezaei,Ali asghar Ensafi
بهزاد رضائی (استاد راهنما) علی اصغر انصافی (استاد مشاور)
STUDENT
Ahmad Reza TaghipourJahromi
احمدرضا تقی پورجهرمی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392
TITLE
Synthesis of 2D and 3D reduced graphene oxide new nanocomposites with low cost transition metals, characterization and application in fuel cells and supercapacitors
In this thesis, at the first a one-step wet chemical method was used to synthesis of reduced graphene oxide nanoflakes (2D RGONF) from graphite by a thermal reduction at low temperature. This method is simple and avoids the usage of harmful chemical reductants. Then, a new electrocatalyst consist of Ni-Co-Se nanoparticles were deposited on RGONF ( Ni-Co-Se@RGONF ) by solvothermaly method. The average size of nanoparticles which deposited on RGONF was about 80 nm. Then, a glassy carbon electrode (GCE) was modified with Ni-Co-Se@RGONF and was used as an electrocatalyst for hydrogen evolution reaction (HER) in 0.50 mol L-1 sulfuric acid. The results show that the RGONF/Ni-Co-Se has an excellent catalytic activity toward HER with overpotential ,Tafel slope and stability about 5 mV (vs. RHE) , 30±3 mV decade-1 and at least 20days in sulfuric acid, respectively. These results are comparable with C/Pt(20%) as a commercial electrocatalyst for HER. At the second study, a new hybrid material consisting Co(OH)2 magnetic nanoflake (MNF-Co(OH)2) grown on reduced graphene oxide nanoflake (MNF-Co(OH)2@RGONF) was synthesized by a facile and inexpensive technique. Then the MNF-Co(OH)2@RGONF/GCE was used as a bi-functional electrocatalyst for the OER and ORR in alkaline media. The onset potential, current density at 2.025 V (vs. RHE), and Tafel slope of OER in 1.0 mol L-1 KOH for MNF-Co(OH)2@RGONF modified glassy carbon electrode (MNF-Co(OH)2@RGONF/GCE) were about 1.505 mV (vs. RHE), 227 mA cm-2 and 63 mV dec-1, respectively. So that the current density and Tafel slope of this electrocatalyst are better than commercial IrO2. Furthermore, it was concluded that MNF-Co(OH)2@RGONF/GCE due to four-electron transfer mechanism, better durability and stronger resistance rather than Pt/C (20%) at 0.436 V in KOH 0.10 mol L-1 (with the addition of methanol to electrochemical cell), has a high catalytic activity for ORR. At the 3th study, a new synthesis of Co(OH)2@RGONF nanohybrid via a facile hydrothermal procedure for feasible operation as a supercapacitor compound and OER electrocatalyst in alkaline media. The Co(OH)2@RGONF/GCE as a supercapacitor electrode with potential windows of 0.35 V, exhibits a powerful specific capacitance (235.20 F g?1 at 0.1 A g?1 current density), energy density, stability (about 90% of the initial capacitance value maintain after 2000 cycles at 1.0 A g?1) and fast charge/discharge ability. Furthermore, the modified electrode displays a good electrocatalytic activity for oxygen evolution reaction with a current density of 10.0 mA cm-2 at 1.647 V, small Tafel slope of 56.5 mV dec-1, good onset potential of 1.521 V vs. RHE and suitable durability. At the 4th study, the porous magnetic iron manganese oxide nanoparticles (PMFMO) with hollow structure (the pore sizes on the surface of cubes are about 10 nm) were created from metal organic frame work and deposited on the RGONF by a thermal method. After that, the modified GCE were investigated with PMFMO@RGONF nanocomposite as a low-cost electrocatalyst for HER (in acidic media) and ORR (in alkaline media). The Tafel slope of PMFMO@RGONF nanocomposite is about 107 mV dec-1 in the 0.5 mol L-1 H2SO4 solution and suggests the Volmer–Heyrovsky mechanism for HER. The results show that this electrocatalyst has an excellent stability (at least 10000 cycles) in the sulfuric acid solution. Hence, The LSV curve shows that the Pt(20%)/C has a better onset-potential than present electrocatalyst for HER but PMFMO@RGONF nanocomposite produces current density (j) of 300 mA cm-2 at overpotential (?) of -721 mV (?300 = -721 mV(vs. Ag/AgCl)) which is smaller than Pt(20%)/C (?300 = -802 mV). The PMFMO@RGONF nanocomposite as an electrocatalyst follows four electrons mechanism for ORR in 0.10 mol. L-1 KOH. As an important result, after addition of methanol into the electrolyte, this electrocatalyst is stable for a long time (at least 10000s) while the catalytic activity of Pt (20%)/C is quickly lost in the presence of methanol. At the final study, the 3D graphene (3D-G) is synthesized with a single flake of GO and Iron (???) chloride. This method is simple and inexpensive. The TEM result show that the Iron nanoparticles with an average size of 8 nm deposited on 3D-G. Then, the GCE which modified by 3D-G is used as an electrocatalyst for HER in acidic and alkaline media. The results show that excellent catalytic activities, Tafel slope, onset potential and stability for this nanocomposite. According to the results, this nanocomposite as an inexpensive electrocatalyst can be used as a substitute for carbon-platinum commercial electrocatalyst in HER.
در این رساله، ابتدا نانو صفحات گرافن اکسید کاهش یافته در یک مرحله به صورت مستقیم از گرافیت سنتز شد. این روش علاوه بر ساده بودن نسبت به روش¬های دیگر سنتز گرافن دو بعدی، ماده شیمیایی کمتری را نیز مصرف می-کند. سپس نانو ذرات نیکل-کبالت- سلنیوم به روش گرمایی و با اندازه تقریبی 80 نانو متر بر روی نانوصفحات گرافن اکسید کاهش یافته قرار داده شد. در انتها، الکترود کربن شیشه¬ای بهبود یافته با نانو صفحات گرافن اکسید کاهش یافته حاوی نانو ذرات نیکل-کبالت- سلنیوم به عنوان الکترود کار در واکنش آزادسازی هیدروژن در محیط اسیدی به کار برده شد. نتایج بدست آمده فعالیت الکتروکاتالیستی بسیارمناسبی شامل پتانسیل آغازین 5 میلی ولت نسبت به RHE، شیب منحنی تافل 3±30 mV dec-1 و پایداری عالی بمدت حداقل 20 روز در محیط اسیدی را برای نانوکامپوزیت سنتزی نشان می¬دهند که قابل مقایسه با ترکیب کربن پلاتین تجاری می¬باشد. در پژوهش دوم، با استفاده از یک روش ساده و ارزان نانو صفحات مغناطیسی کبالت هیدروکسید سنتز و بر روی نانوصفحات گرافن اکسید کاهش یافته قرار گرفت. سپس الکترود کربن شیشه¬ای بهبود یافته با نانو کامپوزیت سنتزی به عنوان الکترود کار در واکنش آزاد سازی و کاهش اکسیژن در محیط بازی به کار برده شد. نتایج بدست آمده نشان دادند که نانو کامپوزیت سنتزی به عنوان یک الکتروکاتالیست ارزان قیمت در واکنش آزادسازی اکسیژن دارای پتانسیل آغازین 505/1 میلی ولت نسبت به RHE و دانسیته جریان 227 میلی آمپر بر سانتیمتر و شیب منحنی تافل 63 mV dec-1 است. نتایج بدست آمده نشان میدهند که شدت جریان و شیب منحنی تافل نانوکامپوزیت تولید شده بهتر از ترکیب ایریدیوم اکساید تجاری می¬باشد. علاوه براین، نتایج بدست آمده نشان میدهند که نانو کامپوزیت سنتزی به عنوان الکتروکاتالیست واکنش آزادسازی اکسیژن، واکنش را از مکانیسم چهار الکترونی پیش می¬برود و اضافه ولتاژ آن برابر 775 میلی ولت نسبت به RHE است. واکنش آزادسازی اکسیژن بر روی سطح این الکتروکاتالیست دارای شیب تافل 45 mV dec-1 است. این الکتروکاتالیست در محیط بازی دارای پایداری بهتر نسبت به ترکیب پلاتین کربن تجاری و مقاوم نسبت به ترکیب متانول اضافه شده به سل الکتروشیمیایی می¬باشد. در پژوهش سوم، با استفاده از یک روش سنتز جدید نانو ذرات کبالت هیدروکسید با سایز 50 نانومتر سنتز و با استفاده از روش حرارتی بر روی نانوصفحات گرافن اکسید کاهش یافته قرار گرفت. این نانو کامپوزیت به عنوان ماده الکترو فعال در ابرخازن و واکنش آزاد سازی اکسیژن در پتاسیم هیدروکسید 0/2 مولار مورد بررسی قرار گرفت. الکترود کربن شیشه¬ای اصلاح شده با نانوصفحات گرافن اکسید کاهش یافته حاوی نانو ذرات کبالت هیدروکسید سنتزی به عنوان ابرخازن دارای ظرفیت 235.2 فاراد برگرم در جریان 0.1 آمپر بر گرم، پایداری 90 درصد بعد از 2000 سیکل و سرعت شارژ-دشارژ بسیار مناسبی در پنجره پتاسیل بسیار کم (35/0 ولت) می-باشد. علاوه بر این، نتایج بدست آمده نشان می¬دهند که این نانو کامپوزیت با شیب تافل 56.5 mV dec-1 و دانسیته جریان 10 میلی آمپر بر سانتیمتر در پتانسیل 647/1 ولت نسبت به RHE و پایداری خوب در محیط بازی یک الکتروکاتالیست فوق العاده مناسب در واکنش آزاد سازی اکسیژن است. در پژوهش چهارم، نانو مکعب¬های مغناطیسی اکسیدآهن- منگنز حاوی نانو حفرات با اندازه 10 نانومتر، از چهارچوب فلزی- آلی تحت شرایط گرمایی سنتز و بر روی نانو صفحات گرافن اکسید کاهش یافته قرار داده شدند. سپس، الکترود کربن شیشه¬ای اصلاح شده با نانوصفحات گرافن اکسید کاهش یافته حاوی نانومکعب¬های مغناطیسی متخلخل اکسیدآهن- منگنز به عنوان یک الکتروکاتالیست ارزان قیمت در واکنش آزاد سازی هیدروژن (محیط اسیدی) و کاهش اکسیژن (محیط بازی) مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان می¬دهند که شیب منحنی تافل واکنش آزادسازی هیدروژن در محیط اسیدی بر روی این الکتروکاتالیست برابر mV dec-1 117 است که در نتیجه واکنش از مکانسیم والمر-هیروسکی پیش میرود. علاوه بر آن این الکتروکاتالیست دارای پایداری حداقل 10000 سیکل در محیط سولفوریک اسید 50/0 مولار می¬باشد. این نانو کامپوزیت واکنش آزادسازی اکسیژن را در محیط بازی از مکانیسم 4 الکترونی پیش میبرد و دارای پایداری بسیار زیاد در حضور متانول تا 10000 ثانیه میباشد و هرگز مسموم نمیشود.در پژوهش آخر از این رساله، گرافن سه بعدی با استفاده از آهن (???) کلرید و تک صفحه¬های گرافن اکسید سنتز شد. این روش سنتز ساده و بسیار ارزان قیمت می¬باشد. تصویرهای میکروسکپ عبوری نشان می¬دهند که نانو ذرات آهن با اندازه کمتر از ده نانومتر بر روی صفحات گرافن سه بعدی قرار گرفته¬اند. سپس الکترودکربن شیشه¬ای اصلاح شده با گرافن سه بعدی به عنوان الکتروکاتالیست واکنش آزادسازی هیدروژن در محیط اسیدی و قلیایی مورد بررسی قرار گرفت. نتایج بدست آمده نشان می¬دهند که گرافن سه بعدی سنتز شده، با پتانسیل آغازین، پایداری و شیب تافل بسیار مناسب، یک کاتالیست فوق العاده برای واکنش آزاد سازی هیدروژن در محیط اسیدی و بازی می¬باشد. بنابراین مطابق نتایج بدست آمده در این بخش می توان از نانوکومپوزیت سنتز شده به عنوان یک کاتالیست ارزان قیمت و جایگزین برای کربن-پلاتین تجاری در واکنش آزاد سازی هیدروژن استفاده کرد.