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

متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته : مهندسی شیمی

گرایش : تجزیه

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

دانشگاه‌ کردستان

دانشکده علوم پایه

گروه شیمی

پایان نامه کارشناسی‌ ارشد رشته شیمی گرایش تجزیه

عنوان:

به کارگیری N-گرافن دوپه شده با نانوذرات پلاتین و نانو کامپوزیت Pt-Fe در سنجش­های الکتروشیمیایی و تبدیلات انرژی

استاد راهنما:

پروفسورعبدالله سلیمی

استاد مشاور:

دکتر دکتر رحمان حلاج

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی شود

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب:

فصل اول : مقدمه و تئوری

1-1 الکتروشیمی تجزیه……………………………………….. 1

1-1-1 اهمیت و مزایای روشهای الکتروشیمیایی…………… 2

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

1-3-1الکترودهای 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 می­کنند…………. 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 شیشه­ای 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 الکتروشیمیایی 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 شیشه­ای 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 استفاده 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 استفاده از الکترود کربن شیشه­ای اصلاح­شده با نانوذراتFe-Pt

3-2-2 به کارگیری نانوکامپوزیت Pt/N-Gr برای احیای اکسیژن….53

3-2-3 به کارگیری الکترود کربن شیشه­ای اصلاح­شده با نانوذرات Fe-Pt به عنوان آند پیل زیستی سوختی…54

3-2-3-1 بهبود پاسخ الکترود کربن شیشه­ای اصلاح با نانو ذرات  Fe-Pt نسبت به الکترود کربن شیشه­ای 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 شیشه­ای 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 به­کارگیری الکترود کربن شیشه­ای اصلاح­شده با/N-Gr  Pt به عنوان کاتد پیل  زیست­ سوختی…..58

3-2-4-1 بهبود پاسخ الکترود کربن شیشه­ای اصلاح­شده با نانو کامپوزیت  Pt/N-Gr نسبت به الکترود کربن شیشه­ای اصلاح­شده با کربن-پلاتین تجاری برای احیای اکسیژن………58

3-2-4-2 محاسبه سطح فعال کاتد (الکترود کربن شیشه­ای 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 شده­اند 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 گزینه­های بسیار عالی برای اصلاح الکترودها معرفی شده­اند، 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 اندازه­گیری هیدرازین در پتانسیل­های کاهش یافته بکار گرفته شد. الکترود کربن شیشه­ای 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 گونه­های خارجی مختلف موجود در محلول آنالیت، آزمایش شد. نتایجِ حاصل، نشان دهنده­ی 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 می­تواند 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 شیشه­ای اصلاح­شده باPt/N-Gr  فعالیت الکتروکاتالیزوری خوبی برای احیای اکسیژن نشان داد. بنابراین پیل زیستی گلوکز/اکسیژن را با بکارگیری الکترود کربن شیشه­ای اصلاح­شده با نانوکامپوزیت  Pt/N-Gr  به عنوان کاتد و الکترود کربن شیشه­ای 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 فرآیندهای 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 طبقه­بندی جالبی توسط نیکولسن[2] و شاین[3] با استفاده 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 دهه­ی 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. تقویت­کننده­های 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 می­تواند انتخابی باشد، در انجام فرآیند الکترولیز با اعمال یک مقدار پتانسیل معین به الکترود مورد نظر می­توان واکنش اکسیداسیون و احیا را تا مرحله­ی 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 مرحله­ی 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.

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

در مقایسه با روش­های طیف­سنجی، دستگاه­های مورد استفاده در الکتروشیمی ارزان­تر هستند. یک آنالیز طیف­سنجی تنها در مورد ملکول­هایی می­تواند 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 می­شود، 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 اندازه­گیری کمیت­های الکتریکی مانند پتانسیل، جریان، بار و ارتباط آن­ها را با پارامترهای شیمیایی شامل می­شوند. چنین استفاده­ای از اندازه­گیری­های 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 الکتروشیمیایی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این روش­ها در شیمی تجزیه کاربرد­های فراوانی دارند از جمله:

1- تعیین مقادیر ناچیز مواد زیست­محیطی

2- جداسازی و خالص­سازی ترکیبات

3- تعیین ثابت­های سینتیکی و ترمودینامیکی

الکترود به عنوان واسطه انتقال الکترون در واکنش­های الکتروشیمیایی ایفای نقش می­کند. موفقیت یک حسگر الکتروشیمیایی، به انتخاب مناسب الکترودها بستگی دارد. یک الکترود ایده­ال بایستی دارای ویژگی­هایی هم­چون پایداری مکانیکی، غیرفعال بودن شیمیایی، محدوده­ی وسیع پتانسیل کاری و سطح تکرار­پذیر باشد.

استفاده از الکترودهای جامد بدون اصلاحگر[1] به تدریج باعث تغییراتی در سطح الکترود به علت جذب گونه­های موجود در محلول و یا محصولات تولید شده از واکنش­های الکتروشیمیایی می­گردد. این امر به تدریج موجب غیر فعال شدن سطح الکترود می­شود که آن نیز به نوبه خود منجر به کاهش حساسیت و تکرارپذیری به علت ممانعت از انتقال بار می­گردد. یکی از راه­های فایق آمدن بر مشکلات مذکور استفاده از الکترودهای اصلاح­شده می­باشد.

[1] Modifier

1Herovsky

[2] Nicholson

[3] Shain

[4] Cyclic voltametry

[5] Linear sweep voltametry

[6] Simulation

تعداد صفحه : 96

قیمت : 14000تومان

بلافاصله پس از پرداخت ، لینک دانلود پایان نامه به شما نشان داده می شود

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        09199970560        info@arshadha.ir

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.

شماره کارت :  6037997263131360 بانک ملی به نام محمد علی رودسرابی

11

مطالب مشابه را هم ببینید

فایل مورد نظر خودتان را پیدا نکردید ؟ نگران نباشید . این صفحه را نبندید ! سایت ما حاوی حجم عظیمی از پایان نامه های دانشگاهی است. مطالب مشابه را هم ببینید. برای یافتن فایل مورد نظر کافیست از قسمت جستجو استفاده کنید. یا از منوی بالای سایت رشته مورد نظر خود را انتخاب کنید و همه فایل های رشته خودتان را ببینید