عنوان

تهیه الکترودهای حاوی پوشش های اکسید فلزات نیمه رسانا و نانوکامپوزیتهای آن با پلی-پیرول اصلاح شده و مطالعه رفتار الکتروکاتالیتیکی آنها در واکنشهای اکسیداسیون متانول و آزادسازی هیدروژن,‮‭Preparation of electrodes containing semiconducting metal oxide films and their nanocomposites with modified polypyrrole and investigation of electrocatalytic behavior in methanol oxidation and hydrogen evolution reactions‬

شماره

‭۲۰۵۶۰پ‬

زبان متن نوشتاري يا گفتاري و مانند آن

per

عنوان اصلي

تهیه الکترودهای حاوی پوشش های اکسید فلزات نیمه رسانا و نانوکامپوزیتهای آن با پلی-پیرول اصلاح شده و مطالعه رفتار الکتروکاتالیتیکی آنها در واکنشهای اکسیداسیون متانول و آزادسازی هیدروژن

عنوان اصلي به زبان ديگر

‮‭Preparation of electrodes containing semiconducting metal oxide films and their nanocomposites with modified polypyrrole and investigation of electrocatalytic behavior in methanol oxidation and hydrogen evolution reactions‬

نام نخستين پديدآور

/بابک رضائی مقدم

نام ناشر، پخش کننده و غيره

: شیمی

تاریخ نشرو بخش و غیره

، ‮‭۱۳۹۶‬

نام توليد کننده

، میرزائی

نام خاص و کميت اثر

‮‭۱۶۰‬ص‬

متن يادداشت

چاپی - الکترونیکی

جزئيات پايان نامه و نوع درجه آن

دکتری

نظم درجات

شیمی گرایش شیمی فیزیک

زمان اعطا مدرک

‮‭۱۳۹۶/۰۲/۲۰‬

کسي که مدرک را اعطا کرده

تبریز

متن يادداشت

در کار پژوهشی حاضر، تهیه پوشش‌صهای نانوکامپوزیتی بر پایه پلیمر رسانای پلی‌صپیرول با دو هدف کلی اصلاح آند و کاتد پیل‌صهای سوختی در دستور کار قرار گرفت .به طور کلی بعد از طراحی، تهیه و شناسایی پوشش‌صها، مطالعه رفتار الکتروشیمیایی و قابلیت آن‌صها در اکسیداسیون سوخت رایجی چون متانول در فاز اول کار و احیای هیدروژن در بخش دوم مورد بررسی قرار گرفت .طراحی کاتالیست‌صها با استفاده از بررسی منابع علمی و همچنین انجام آزمایش-های اولیه صورت پذیرفت و درنهایت از بین اکسیدهای فلزات واسطه رایج، اکسید مس ‮‭(I)‬ برای فاز اول) اکسیداسیون متانول (و از بین کالکوژن‌صها سولفید کبالت و سولفید مس برای استفاده در فاز دوم) احیای هیدروژن (انتخاب شدند .بعلاوه نانوساختارهایی چون نانوالماس، نانولوله‌صهای کربنی چند دیواره و گرافن اکسید بسته به نیاز در پوشش‌صهای مختلف مورد استفاده قرار گرفت .از روش‌صهای مختلف شناسایی نظیر نشر میدانی میکروسکوپ الکترونی روبشی ،‮‭SEM-FE‬، میکروسکوپ الکترونی عبوری،‮‭TEM‬ ، آنالیز عنصری پراش اشعه ایکس،‮‭EDX‬، و طیف‌صسنجی مادون قرمز،‮‭IR‬، جهت شناسایی سطح و ساختار پوشش‌صهای سنتز شده استفاده شد .مطالعه و ارزیابی رفتار الکتروکاتالیستی و میزان پایداری عملکرد پوشش‌صهای تهیه شده از روش‌صهای الکتروشیمیایی نظیر ولتامتری چرخه‌صای،‮‭CV‬ ، روبش پتانسیل خطی،‮‭LSV‬ ، پلاریزاسیون تافلی، کرنوآمپرومتری و طیف‌صسنجی امپدانس الکتروشیمیایی،‮‭EIS‬ ، انجام شد .بعلاوه در بخش پایانی کار جهت مطالعه تحریک پذیری نوری و فوتوالکتروکاتالیستی پوشش های تهیه شده تستهای فوتوالکتروشیمیایی بکار گرفته شد .در بخش آغازین پوشش نانوکامپوزیتی پلی‌صپیرول به همراه نانوذرات الماس به روش سونوالکتروشیمیایی بر روی آلیاژ فولاد سنتز و در ادامه نانوذرات طلا و اکسید مس ‮‭(I)‬ به روش الکتروشیمیایی ترسیب و فعالیت الکتروکاتالیستی پوشش نانوکامپوزیتی نهایی در اکسیداسیون متانول مطالعه شد .نتایج مطالعات الکتروشیمیایی نشان از افزایش فعالیت الکتروکاتالیستی اکسید مس ‮‭(I)‬ برای فرایند اکسیداسیون متانول در حضور نانوذرات الماس در ماتریکس پلیمر و همچنین نانوساختارهای طلا داشت .به نظر می‌صرسد از یک طرف سونوالکتروپلیمریزاسیون پیرول بر روی نانوذرات الماس منجر به تشکیل ساختارهای سه بعدی از ماتریکس پلیمری شده است و از طرف دیگر نانوالماس می‌صتواند هسته زایی و رشد ذرات کاتالیزور را تحت تاثیر قرار داده و منجر به تشکیل صفحات کریستالی اکسید مس با سطح انرژی پایین‌صتر و با توانایی اکسیدکنندگی بیشتر شود .در بخش دوم از تهیه پوشش‌صهای مناسب برای بهبود الکترواکسیداسیون متانول، این بار تهیه کامپوزیتی لایه به لایه،‮‭LBL‬، از پلی‌صپیرول به همراه گرافن اکسید بعنوان نانوساختاری با قابلیت‌صهای ویژه همچون سطح موثر بالا مورد توجه قرار گرفت .در این قسمت سونوالکتروپلیمریزاسیون پیرول در حضور گرافن اکسید،‮‭GO‬، انجام و در ادامه لایه نشانی نانولوله های کربنی،‮‭MWCNTs‬، چند دیواره و اکسید مس ‮‭(I)‬انجام شد .نتایج الکتروشیمیایی حاکی از این است که در نتیجه مهندسی سطح و حضور همزمان ‮‭GO‬ و نانولوله‌صهای کربنی در ساختار الکترود ‮‭LBL‬ مورد مطالعه، شسته شدن نانوساختارهای اکسید مس در الکترولیت کاهش یافته و از اینرو، پایداری رفتار کاتالیزوری بهبود می یابد .در فاز دوم کار حاضر، طراحی و دستیابی الکتروکاتالیست‌صهای بر پایه پلی‌صپیرول موثر برای احیاء کاتالیتیکی و فوتوکاتالیتیکی هیدروژن در دستور کار قرار گرفته بود .بدین منظور در ابتدا نانوساختارهای سولفید کبالت و سولفید مس به روش هیدروترمال سنتز شدند .در بخش اول این قسمت، سنتز درجای نانوکامپوزیت پلی‌صپیرول-سولفید مس به همراه نانولوله‌صهای کربنی چند دیواره آراسته شده با پلاتین به روش سونوالکتروشیمیایی انجام شد .شایان ذکر است قبل از مرحله سنتز درجا، محلول الکتروپلیمریزاسیون تحت دو مرحله سونیزاسیون قرار گرفت و در نهایت پوشش نانوکامپوزیتی ‮‭Pt@MWCNTs/CoS۲‬ به همراه پلی پیرول برروی بستر مس آندایز شده تهیه شد .مطالعه فعالیت الکتروکاتالیستی برای آزادسازی هیدروژن نشان داد که حضور نانوذرات کبالت سولفید همراه با نانولوله های کربنی تزیین شده با نانوذرات پلاتین نقش قابل توجهی در افزایش احیاء پروتون به گاز هیدروژن ایفا کرده است .مکانیسم احتمالی موثر در فعالیت الکتروکاتالیستی توسط نانوکامپوزیت‌ص‍ مزبور نیز مورد بحث قرار گرفت .نتایج مطالعات الکتروشیمیایی نشان از کاهش اضافه ولتاژ و چگالی جریان بالا برای واکنش آزاد سازی هیدروژن بر روی الکتروکاتالیست با ساختار متخلخل پل مانند دارد .در واقع این افزایش فعالیت را می توان به افزایش سطح فعال الکتروشیمیایی ناشی از حضور نانولوله های کربنی، نانوساختارهای ‮‭CoS۲‬ قرار گرفته در ماتریکس متخلخل پلی-پیرول و همچنین نانوذرات پلاتین جای گرفته در پوشش نسبت داد .علاوه بر این، واکنش آزاد سازی هیدروژن به دلیل جذب قوی‌صتر هیدروژن بر روی آنیون‌صهای دی سولفید در نانوساختار ‮‭CoS۲‬ ، بیشتر بهبود یافته است .در بخش پایانی کار نیز پوشش نانوکامپوزیتی پلی‌صپیرول-سولفید مس بر روی نانوذرات اکسید مس ‮‭(I)‬ جهت مطالعه رفتار فوتوکالیستی واکنش آزادسازی هیدروژن تهیه و در ادامه جهت بهبود عملکرد فیلم کامپوزیتی در واکنش آزاد سازی هیدروژن تحت تابش نور، نانوساختار های گرافن اکسید عاملدار شده با نانوذرات پلاتین بکار گرفته شد .عملکرد فوتوالکتروکاتالیستی هتروساختار‮‭PPyCuS@GOPt‬ ، در محیط اسیدی تحت تابش نورمرئی بررسی و نتایج نشان از اضافه ولتاژ آغازین بسیار کوچک با چگالی جریان بالا برای واکنش فوتوکاتالیزوری تولید هیدرون داشت .در واقع فیلم نانوکامپوزیتی ‮‭PPyCuS @ GOPt‬ ، بر روی بستر مس آندایز تهیه شد و بررسی عملکرد فوتوالکتروکاتالیستی آن نشان داد که گرافن اکسید و پلاتین نیز به عنوان کمک کاتالیزور نقش موثری در افزایش تولید فتوکاتالیستی هیدروژن ایفا می‌صکنند .در واقع کار پژوهشی حاضر به ارائه یک مفهوم جدید برای توسعه کارآمد فوتوالکتروکاتالیست‌صهایی بر پایه ترکیبات اکسید فلز/پلیمر/سولفید فلز برای واکنش آزادسازی هیدروژن تحت تابش نور مرئی می‌صپردازد

متن يادداشت

In this study, preparation and modification of nanocomposite coatings based on conductive polymer, polypyrrole, with the aim of improvement in anode and cathode of fuel cell have been considered. In general, after design, preparation and characterization of coatings and prilimenary experiments, their capability to oxidation of fuels such as methanol has been studied in the first part of our work and hydrogen reduction reaction has been investigated in the second part. Catalyst design was performed using literaure review as well as initial preliminary tests, and finally nanostructures such as nanodiamonds, carbon nanotubes and graphene oxide were selected because of their special properties. The different physical characterization of the as-synthesized structures were recorded by field emission-scanning electron microscopy (FESEM), Transmission electron microscopy (TEM), powder X-ray diffraction (XRD), energy dispersive X-ray analysis (EDX) and Fourier transform infrared (FT-IR) spectra. The electrocatalytic performance and stability of the prepared coatings were studied by cyclic voltammetry (CV), linear sweep voltammetry (LSV), Tafel extrapolation and polarization, chrono-amperometry and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). In addition, at the end of work, in order to study the optical properties and the photoelectrochemical performance of prepared films, their behavior were investigated under visible light irradiation. The opening chapter presents the sonoelectrocemical preparation of the modified electrode, polypyrrole nanocomposite coatings which electrochemically doped by nanodiamond (ND), and electrochemicaly deposited of gold nanoparticles and cuprous oxide. Also, the corresponding electrocatalytic performance for the methanol oxidation reaction was studied. The results of electrochemical studies showed significantly enhanced catalytic performance of the prepared modified electrodes at the presence of nanodiamond which decorated with Au nanostructured and Cu2O for the oxidation of methanol. It seems that sonoelectropolymerization of pyrrole on diamond nanoparticles lead to the formation of the three-dimensional structures of polymeric matrix. On the other hand, nanodiamonds can affect on the nucleation and growth of the catalyst particles and lead to final copper oxide crystals with a lower energy level and further oxidation ability. In the next step by the aim of surface engineering, the preparation of layer by layer (LBL) nanocomposite of polypyrrole (PPy) with graphene oxide (GO) was considered as nanostructures to improve electrooxidation of methanol. The modified electrodes comprised of PPy and GO, MWCNTs and copper (I) oxide nanoparticles prepared through the successive LBL electro- chemical and sonoelectrochemical deposition process. The electrochemical results show that the by using surface engineering technique and the simultaneous presence of carbon nanotubes and graphen oxide in the structure of the LBL electrode leaching of copper oxide nanostructures in the electrolyte is reduced and therefore stability of catalytic behavior is improved. In the second part of this work, design and achievement in effective PPy based electrocatalyst for electro-catalytic and photoelectrocatalytic reduction of hydrogen have been studied. For this purpose, cobalt and copper sulfide nanostructures were synthesized by hydrothermal method. Also, insitu sonoelectrochemical synthesis method was employed to prepare PPy-CoS2 nanocomposites along with decorated Pt nanoparticles on MWCNTs. It is worth noting that before insitu synthesis stage, the electropolymerization solution was sonicateted in two stages. Finally, nanocomposite coating of Pt @ MWCNTs / CoS2 with polypyrrole was prepared on an anodized copper substrate. Studying on electrocatalytic activity revealed that the presence of CoS2 nanoparticles along with MWCNTs and Pt nanoparticles played a prominent role in enhancement of proton reduction to hydrogen gas. The possible mechanism of electrocatalytic activity by nanocomposite films is also discussed. The results of electrochemical studies show low over voltage and high current density for hydrogen release reaction on the electrocatalyst with porous bridge like nano structure. The activity enhancement can be attributed to the large active electrochemical surface area of MWCNTs and also porous structure of PPy provides excellent attachment of CoS2 and Pt nanostructures to the matrix. In addition, the HER is further improved due to stronger adsorption of hydrogen to the disulfide anions in CoS2 structures. At the end of our work, the hybrid electrode based on polypyrrole CuS composite, PPyCuS, is fabricated with the aim of achivement in photo-electrocatalyst for HER. To do this an in situ sonoelectrochemical method was employed to synthesis of PPyCuS@GOPt hetrostructure film on copper substrate. The photoelectrochemical performance was investigated in acidic solution under visible light irradiation and the results indicated that the prepared film on anodized copper substrate exhibite a much smaller onset overpotential with high current density for photo-HER. It was proven that GO, Pt can act as effective dual co-catalysts to enhance the photocatalytic H2 production activity of PPyCuS. The higher photoactivity are attributed to the fact that the photoinduced interfacial charge transfer in the heteronanostructures follow by further transfer in GO sheets. This work is expected to provide a new concept for development of highly efficient polymer-sulfide compounds photoelectrocatalysts for HER under simulated sunlight

عنوان اصلي به زبان ديگر

‮‭Preparation of electrodes containing semiconducting metal oxide films and their nanocomposites with modified polypyrrole and investigation of electrocatalytic behavior in methanol oxidation and hydrogen evolution reactions‬

مستند نام اشخاص تاييد نشده

رضائی مقدم، بابک

مستند نام اشخاص تاييد نشده

Rezaei-moghadam, Babak

مستند نام اشخاص تاييد نشده

اشعثی سرخابی، حبیب، استاد راهنما

مستند نام اشخاص تاييد نشده

تقی‌زاده، محمدتقی، استاد راهنما

مستند نام اشخاص تاييد نشده

اصغری، الناز، استاد مشاور

يادداشت عمومي

سیاه و سفید

وضعیت فهرست نویسی

نمایه‌سازی قبلی