پایان نامه به کارگیری N-گرافن دوپه شده با نانوذرات پلاتین و نانو کامپوزیت Pt-Fe در سنجش های الکتروشیمیایی و تبدیلات انرژی

1-2 الکترود………………………………………………………. 4
1-2-1 الکترودهای کربن……………………………………….. 4
1-2-1-1 الکترود کربن شیشه ای…………………………….. 5
1-2-1-2 الکترودهای فیبرکربنی………………………………. 6
1-2-1-3 الکترودهای خمیرکربن………………………………. 6
1-2-2 فعالسازی سطح الکترود و انواع آن…………………… 7
1-2-2-1 پولیش دادن………………………………………….. 7
1-2-2-2 فعالسازی حرارتی…………………………………… 7
1-2-2-3 فعالسازی لیزری…………………………………….. 8
1-2-2-4 فعالسازی با امواج صوتی– رادیویی……………….. 7
1-2-2-5 فعالسازی با حلال…………………………………… 8
1-3 الکترودهای اصلاحشده…………………………………… 8
1-3-1الكترودهای اصلاحشده شیمیایی(CME) ……………..8
1-3-2 تهیه الکترودهای اصلاح شده…………………………. 10
1-3-3 انواع روشهای شیمیایی اصلاح سطح الکترودها ……10
1-3-3-1اصلاح الکترود توسط ترکیبات نانوساختار …………..10
1-3-3-2 اصلاح الکترودها توسط تک لایه های خود انباشته…10
1-3-3-3 اصلاح سطح الکترودها توسط روش سل- ژل……… 12
1-3-3-4 اصلاح الکترودها توسط مواد پلیمری……………….. 12
1-4 فناوری نانو…………………………………………………. 14
1-5 نانوساختارها………………………………………………. 14
1-5-1 نانوذرات………………………………………………….. 14
1-5-2 عملکرد نانوذرات در الکتروشیمی…………………….. 15
1-5-2-1 تثبیت زیستمولکول ها در سطح الکترود………….. 16
1-5-2-2 کاتالیز واکنشهای الکتروشیمیایی…………………. 16
1-5-2-3 تسریع انتقال الکترون……………………………….. 16
1-5-2-4 نشانه‌گذاری زیستمولکولها …………………………16
1-5-2-5 نانوذرات به عنوان واکنشگر عمل می کنند…………. 16
1-5-3 سیستم دوفلزی-آلیاژی نانوذرات……………………. 18
1-6 حسگرها………………………………………………….. 19
1-6-1 حسگرهای الکتروشیمیایی………………………….. 20
1-6-2 خصوصیات حسگرها …………………………………..21
1-7 گرافن………………………………………………………. 21
1-7-1 گرافن تقویت شده ……………………………………..23
1-8 پلاتین……………………………………………………… 23
1-8-1الکتروکاتالیست آلیاژی پلاتین…………………………. 24
1-9 پیل سوختی………………………………………………. 25
1-9-1 مزایای پیل سوختی…………………………………… 27
1-9-2 انواع پیل های سوختی……………………………….. 27
1-9-3 غشاهای تبادل پروتون بری کاربرد در پیل سوختی…..29
1-10 اهداف پروژه حاضر……………………………………….. 31
فصل دوم: مواد و تجهیزات مورد استفاده، سنتز و شناسایی نانوکامپوزیتها و جزئیات روشها وآزمایشهای انجام شده
2-1 مواد شیمیایی مورد استفاده……………………………. 33
2-2- دستگاههای مورد استفاده……………………………… 34
2-3- سنتز Pt/N-Gr…………………………………………….
2-4- روش تهیه الکترودهای کربن شیشه ای اصلاحشده با گرافن دوپهشده با نیتروژن و پلاتین (Pt/N-Gr)…36
2-4-1- آماده سازی الکترود…………………………………… 36
2-4-2- اصلاح الکترود GC با گرافن……………………………. 36
2-5- سنتزنانوذرات دوتایی Pt-Fe……………………………..
2-5-1 اصلاح الکترود GC بانانوذرات Pt-Fe…………………….
فصل سوم: بحث و نتیجه گیری
3-1 بررسی رفتار الكتروشیمیایی هیدرازین روی الکترود کربن شیشهای اصلاحشده با گرافن دوپهشده با نیتروژن و پلاتین….40

3-1-1-مقدمه………………………………………………….. 40
3-1-2 بهبود پاسخ الکترود کربن شیشه ای توسط اصلاح با نانو کامپوزیت Pt/N-Gr…….
3-1-3 بررسی اثر غلظت هیدرازین در رفتار الکتروکاتالیزوری الکترود اصلاحشده با نانوکامپوزیت Pt/N-Gr……..
3-1-4 محاسبه حدتشخیص، حساسیت، و محدوده خطی الکترد اصلاحشده با بهره گرفتن ازروش آمپرومتری….43
3-1-5 بررسی میزان پایداری پاسخ الکتروکاتالیزوری الکترود GC-Pt/N-Gr برای اکسیداسیون هیدرازین…….46
3-1-6 بررسی اثر سرعت روبش پتانسیل………………. 47
3-1-7 بررسی انتخابپذیری الکترود اصلاحشده………….. 48
3-1-8 کاربرد تجزیهای الکترود………………………………. 49
3-1-9 نتیجه گیری…………………………………………… 52
بخش دوم: طراحی پیل زیست سوختی گلوکز/اکسیژن…53
3-2-1 اکسیداسیون الکتروشیمیایی گلوکز با بهره گرفتن از الکترود کربن شیشه ای اصلاحشده با نانوذراتFe-Pt
3-2-2 به کارگیری نانوکامپوزیت Pt/N-Gr برای احیای اکسیژن….53
3-2-3 به کارگیری الکترود کربن شیشه ای اصلاحشده با نانوذرات Fe-Pt به عنوان آند پیل زیستی سوختی…54
3-2-3-1 بهبود پاسخ الکترود کربن شیشه ای اصلاح با نانو ذرات Fe-Pt نسبت به الکترود کربن شیشه ای اصلاحشده با کربن-پلاتین تجاری برای اکسیداسیون گلوکز…………………54
3-2-3-2 بررسی اثر غلظت گلوکز در رفتار الکتروکاتالیزوری الکترود اصلاحشده با نانو ذراتFe-P……
3-2-3-3 محاسبه سطح فعال آند (الکترود کربن شیشه ای اصلاحشده با نانوذرات Fe-Pt)….56
3-2-3-4 بررسی پایداری الکترود اصلاحشده با نانوذرات Fe-Pt…….
3-2-3-5 بررسی اثر مزاحمت اکسیژن برای اندازه گیری گلوکز در آند……58
3-2-4 به کارگیری الکترود کربن شیشه ای اصلاحشده با/N-Gr Pt به عنوان کاتد پیل زیست سوختی…..58
3-2-4-1 بهبود پاسخ الکترود کربن شیشه ای اصلاحشده با نانو کامپوزیت Pt/N-Gr نسبت به الکترود کربن شیشه ای اصلاحشده با کربن-پلاتین تجاری برای احیای اکسیژن………58
3-2-4-2 محاسبه سطح فعال کاتد (الکترود کربن شیشه ای اصلاحشده با Pt/N-Gr)…..60
3-2-4-3 بررسی مکانیسم احیای الکتروکاتالیزوری اکسیژن به روش ولتامتری هیدرودینامیک….61
3-2-4-4 بررسی پایداری الکترود اصلاحشده با Pt/N-Gr………….
3-2-5کاربرد آند و کاتد طراحی شده جهت ساخت پیل زیستسوختی گلوکز/ اکسیژن…..63
3-2-5-2 آماده سازی غشای نافیونی……………………….. 64
3-2-5-3 نتایج حاصل از بستن پیل گلوکز/ اکسیژن……….. 64
3-2-5-4 نتیجه گیری……………………………………………67
چکیده:
از میان روشهای متنوعی که برای تعیین کمی آنالیتها توسعه داده شده اند روشهای الکتروشیمیایی به دلیل سادگی و حساسیت بالا دارای کاربردهای بسیار زیادی هستند اما اغلب واکنش اکسیداسیون و احیای مستقیم آنالیت در سطح الکترود معمولی، برگشتناپذیر بوده و نیاز به اضافه ولتاژ بالایی دارند. نانومواد به عنوان گزینه های بسیار عالی برای اصلاح الکترودها معرفی شده اند، بنابراین در این کار نانوکامپوزیتهای جدیدی ساخته شد و از آنها برای ساخت حسگرهای الکتروشیمیایی استفاده شد.
در قسمت اول کار برای اولین بار الکترود اصلاحشده با نانو کامپوزیت Pt/N-Gr به طور موفقیت آمیز برای اندازه گیری هیدرازین در پتانسیلهای کاهش یافته بکار گرفته شد. الکترود کربن شیشه ای اصلاحشده با Pt/N-Gr فعالیت الکتروکاتالیزوری بسیار خوبی نسبت به اکسیداسیون هیدرازین در اضافه پتانسیل کاهش یافته نشان میدهد(4/0- ولت نسبت به الکترود مرجع Ag/AgCl در محلول بافر فسفات با pH 9 ). فعالیت الکتروکاتالیزی الکترود اصلاحشده در برابر هیدرازین به وسیله ولتامتری چرخهای ارزیابی شد. برای دستیابی به بهترین پارامترهای کاتالیتیکی مانند حد تشخیص و گستره دینامیک خطی تکنیک آمپرومتری هیدرودینامیک مورد استفاده قرار گرفت و گسترهی دینامیکی 1/0 تا 555 میکرومولار با حدتشخیص 66 نانومولار و حساسیت694/0 برای هیدرازین در الکترود اصلاحشده با نانوکامپوزیت Pt/N-Gr بهدست آمد. سپس، انتخابپذیری الکترود اصلاحشده، در حضور گونه های خارجی مختلف موجود در محلول آنالیت، آزمایش شد. نتایجِ حاصل، نشان دهنده انتخابپذیری قابل قبول برای این الکترود میباشد. در ضمن از آنجا که هیدرازین یکی از سوختهای بکار رفته در طراحی پیلهای سوختی است، این الکترود می تواند به عنوان آند در پیلهای سوختی بکار گرفته شود. در نهایت، کاربرد موفقیتآمیز الکترود در نمونه حقیقی (آب بویلر) مورد بررسی قرار گرفت و صحت قابل قبولی بهدست آمد.
در قسمت دوم این پروژه، از الکتروکاتالیست نانوذرات آلیاژی Fe-Pt استفاده شد که قابلیت کاتالیزوری آن برای اکسیداسیون گلوکز در محلول بافر فسفات با 7=pH بسیار زیاد است و به طور قابل توجهی شدت جریان اکسیداسیون را افزایش داد.
الکترود کربن شیشه ای اصلاحشده باPt/N-Gr فعالیت الکتروکاتالیزوری خوبی برای احیای اکسیژن نشان داد. بنابراین پیل زیستی گلوکز/اکسیژن را با بکارگیری الکترود کربن شیشه ای اصلاحشده با نانوکامپوزیت Pt/N-Gr به عنوان کاتد و الکترود کربن شیشه ای اصلاحشده با نانوذرات آلیاژی Fe-Pt به عنوان آند طراحی شد.
پتانسیل پیل فوق mV700 ، دانسیته جریان mA.cm-2 31/0و توان خروجیmW.cm-2 85 به دست آمد.
فصل اول: مقدمه و تئوری
1-1- الکتروشیمی تجزیه
الکتروشیمی تجزیهای، شاخهای از مجموعه وسیع شیمی تجزیه است که راههای تجزیهای مبتنی بر فرایندهای الکتروشیمیایی را مورد بررسی قرار میدهد. برگزیدگی واکنشهای الکتروشیمیایی و دقت بالایی که با آن میتوان پارامترهای مرتبط با این واکنشها را اندازه گرفت، روشهای الکتروشیمیایی تجزیه را در ردیف حساسترین و انتخابیترین روشهای تجزیهای تشخیص و تعیین مقدار قرار میدهد.
یکی از ویژگیهای کمنظیر روشهای الکتروشیمیایی تجزیهای، گسترش دامنه کارایی آنهاست، به طوریکه علاوه بر امکان کاربرد آنها به صورت روشهای مستقل، میتوان از آنها برای آشکارسازی نتایج بسیاری از پدیدههای فیزیکی و شیمیایی استفاده کرد. در حال حاضر، محدوده الکتروشیمی تجزیه از معدود روشهای کلاسیک نظیر پتانسیومتری، آمپرومتری، پلاروگرافی، هدایتسنجی و ترسیب الکتریکی فراتر رفته و روشهای جدیدتری که ثمره تلفیق اطلاعات الکتروشیمیایی با تکنولوژی مدرن الکترونیک است، به میان آمدهاند [1]. از نظر تاریخی کار در زمینه ولتامتری با کشف پلاروگرافی توسط شیمیدان اهل چکاسلواکی، ژروسلاو هیروسکی [1] در اوایل دهه 1920 آغاز شد. وی با انجام ولتامتری تجزیهای درسطح الکترود جیوه)پلاروگرافی) در این زمینه جایزه نوبل را دریافت کرد [2]. در سال 1964 طبقه بندی جالبی توسط نیکولسن[2] و شاین[3] با بهره گرفتن از نتایج حاصل از ولتامتری چرخهای[4] ( (CVو روبش خطی[5] (LSV) روی واکنشهای الکترودی صورت گرفت، به علاوه آنها ولتامتری چرخهای را شبیهسازی[6] کردند[3]. در سال1950 ولتامتری به صورت یک روش کاملا پیشرفته به نظر میآمد. به هر حال دهه 1955 تا 1965 شاهد بروز چندین روش اصلاحی اساسی از روش اولیه بود که به کمک آنها بر بسیاری از محدودیتهای روشهای اولیه غلبه شد. تقویتکننده های عملیاتی با قیمت کم، ابداع دستگاههای تجاری نسبتا ارزان را ممکن ساخت، که از این اصلاحات مهم بهره میگرفتند.
1-1-1- اهمیت و مزایای روش های الکتروشیمیایی
روشهای الکتروشیمیایی در مقایسه با روشهای شیمیایی دارای مزیتهای ویژهای هستند که در زیر برخی از این مزایا بیان شده است:
1. یک روش الکتروشیمیایی می تواند انتخابی باشد، در انجام فرایند الکترولیز با اعمال یک مقدار پتانسیل معین به الکترود مورد نظر میتوان واکنش اکسیداسیون و احیا را تا مرحله مورد نظر پیش برد. این در حالی است که در واکنشهای شیمیایی، یافتن یک اکسیدکننده و یاکاهنده خاصی که دارای نقش انتخابی باشد و بتواند واکنش اکسیداسیون و احیا را تا مرحله خاصی پیش ببرد مشکل است. به عنوان مثال با اعمال ﭘﺘﺎﻧﺴﯿﻞ 52/0– =‪ در محیط اسیدی و در سطح الکترود جیوه میتوان نیتروبنزن را به فنیل هیدروکسیل آمین تبدیل کرد. .
حال آنکه اگر کاهش نیتروبنزن به طریق شیمیایی عملی شود، محصول واکنش آنیلین میباشد.

محصولات واکنشهای الکتروشیمیایی اغلب خالصترند و بنابراین نیاز کمتری به انجام مراحل خالصسازی دارند.
انتخاب یک محیط مناسب برای انجام الکترولیز خیلی آسانتر از روشهای شیمیایی است. به دلیل اینکه با بهره گرفتن از اکسید کنندهها و یا کاهندهها به عنوان معرف در روشهای شیمیایی مسئله انحلال این مواد در محیط نیز مطرح می شود.
از نظر زیست محیطی، واکنشهای الکتروشیمیایی تحت شرایط ملایم نظیر دمای اتاق و فشار اتمسفر با بهره گرفتن از جریان الکتریکی انجام میشوند.

در مقایسه با روشهای طیفسنجی، دستگاههای مورد استفاده در الکتروشیمی ارزانتر هستند. یک آنالیز طیفسنجی تنها در مورد ملکولهایی می تواند انجام شود که دارای گروههای رنگساز باشند، در غیر این صورت باید مراحل زمانبر و پیچیده مشتقسازی آنالیت را طی کرد. برخلاف روشهای طیفسنجی که اغلب در محلولهای همگن انجام می شود، واکنشهای الکتروشیمیایی در حد فاصل الکترود-محلول انجام میشوند. در اغلب روشهای طیفسنجی نیاز به تهیه محلولهای شفاف و همگن است درحالی که روشهای الکتروشیمیایی در محلولهای کدر نیز قابل اجرا هستند.
روشهای الکتروشیمی تجزیهای، تاثیر متقابل شیمی و الکتریسیته، یعنی اندازه گیری کمیتهای الکتریکی مانند پتانسیل، جریان، بار و ارتباط آنها را با پارامترهای شیمیایی شامل میشوند. چنین استفادهای از اندازه گیریهای الکتریکی برای اهداف تجزیهای، گستره وسیعی از کاربردها را به وجود میآورد که بررسیهای زیستمحیطی، کنترل کیفیت صنعتی و تجزیههای زیست پزشکی را در بر میگیرد.
در دهه های اخیر روشهای الكتروشیمیایی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این روشها در شیمی تجزیه كاربردهای فراوانی دارند از جمله:

موضوعات: بدون موضوع لینک ثابت

فرم در حال بارگذاری ...

فید نظر برای این مطلب