15092

15092

بررسي تاثير مايعات يوني بر ابرخازن هاي بر پايه نانولوله هاي كربني

دكتري

شيمي فيزيك

شهريورماه 1394

شهريورماه 1394

دكتر بهشته سهرابي نظري

دكتر محمدصفي رحماني فر

شيمي

چكيده اخيراً ابرخازن ها، به واسطة عملكرد ايمن، سرعت بالاي شارژ/دشارژ، عمر چرخه اي طولاني، و دانسيتة توان بالا توجهات زيادي را به خود جلب كرده اند. در سال هاي اخير، نانولوله هاي كربني به دليل هدايت الكتريكي بالا و مساحت سطح ويژه قابل توجه شان، به عنوان يكي از مواد الكترودي نويد بخش براي ساخت ابرخازن ها مطرح شده اند. اما هرگاه از اين دسته از مواد در ساخت الكترودها استفاده شود، تجمعات ناشي از برهم كنش هاي π-π ميان نانولوله هاي كربني، باعث محدود شدن ظرفيت عملي آنها مي شود. اين مسئله مستقيماً بر روي دسترسي پذيري يون هاي الكتروليت به سطح الكترود، تاثير مي گذارد. تلاش در جهت حداكثر كردن مساحت سطح ويژة مواد فعال الكترود (به واسطة غلبه بر اين برهم كنش هاي π-π ميان نانولوله هاي كربني) و نيز افزايش هدايت الكتريكي نانولوله هاي كربني (با ايجاد نقص در شبكة منظم نانولوله هاي كربني) مهم ترين اهداف اين رساله هستند. يكي از پارامترهاي سهيم در مقاومت الكترودهاي به كار برده شده در ساخت ابرخازن ها، حذف مقاومت اتصال ناشي از اتصال دهنده هاي پليمري است. در اين رساله، نانولوله هاي كربني به طور مستقيم و با دو روش نشست الكتروفورتيك و نشست بخار شيميايي بر زير لاية مورد نظر نشانده شدند. از سوي ديگر، براي بهبود عملكرد ظرفيتي الكترودهاي بر پاية نانولوله هاي كربني، از مايعات يوني استفاده شد. در بخش نخست، به منظور افزايش مساحت سطح ويژه وهدايت الكتريكي نانولوله هاي كربني، از مايعات يوني براي اصلاح نانولوله هاي كربني، استفاده شد. در بخش دوم، تاثير مايعات يوني به عنوان الكتروليت بر عملكرد الكترودهاي تهيه شده به روش نشست بخار شيميايي بررسي شد. عملكرد الكتروشيميايي ابرخازن هاي مذكور با الكترودهايي كه به روش متداول، يعني با استفاده از اتصال دهندة پليمري پلي وينيليدين فلورايد در الكتروليت آبي مقايسه شدند. در اين رساله، تاثير طول زنجيرة آبگريز در مايعات يوني 1-متيل-3-آلكيل ايميدازوليوم برمايد با طول زنجيرة هيدروكربني 12، 14، 16، و 18كربني، در اصلاح نانولوله هاي كربني و نيز عملكرد ظرفيتي الكترودهاي برپاية نانولوله هاي كربني اصلاح شده، نيز ارزيابي شد. نتايج حاصل به خوبي نشان دادند كه علي رغم توانايي بيشينة 1-متيل-3-اُكتادسيل ايميدازوليوم برمايد در اصلاح نانولوله هاي كربني، الكترود اصلاح شده با 1-متيل-3-تترادسيل ايميدازوليوم برمايد، بهترين عمكرد ظرفيتي در ساخت ابرخازن ها را از خود نشان داد. الكترودهاي اصلاح شده با تترادسيل ايميدازوليوم برمايد، به روش نشست الكتروفورتيك بر زير لاية فوم نيكل تهيه شدند.الكترودهاي مذكور، در مقايسه با الكترودهاي تهيه شده با استفاده از اتصال دهندة پليمري، داراي مقاومت كمتر (Ω85/1 در برابر Ω9/29) و پنجرة پتانسيل گسترده تري (V6/1 در برابرV8/0) هستند، كه نويدبخش عملكرد ظرفيتي بسيار بهتر الكترودهاي اصلاح شده با مايعات يوني است( F/g56 در مقابل F/g13). با توجه به افزايش دسترسي پذيري يون هاي الكتروليت به سطح الكترود به دنبال بهبود نظم ساختاري نانولوله هاي كربني، از روش نشست الكتروفورتيك براي تثبيت نانولوله هاي كربني به صورت كاملاً عمودي بر زير لاية اكسيد آلومينيوم آندي استفاده شد. نتايج آزمون هاي الكتروشيميايي نشان دهندة بهبود دسترسي پذيري يون هاي الكتروليت بر سطح الكترود و افزايش هدايت الكتريكي نانولوله هاي كربني اصلاح شده، مي باشند. الكترودهاي بر پايه نانولوله هاي كربني به صورت عمودي مرتب شده، داراي مقاومت كمتر و در نتيجه عملكرد ظرفيتي بهتري هستند. در اين رساله از مايعات يوني به عنوان الكتروليت در ساخت ابرخازن هاي برپاية نانولوله هاي كربني تهيه شده به روش نشست بخار شيميايي استفاده شد. عملكرد الكترودهاي مذكور در دو الكتروليت آبي و مايع يوني، ارزيابي شد. نتايج به دست آمده شاهدي بر گسترش پنجرة پتانسيلV6/3 (در مقايسه با V8/1)، به دنبال استفاده از مايعات يوني به عنوان الكتروليت است. اين در حالي است كه با افزايش اندازة يون هاي الكتروليت در مايع يوني، مقاومت الكترود افزايش مي يابد (Ω4/26 در مقايسه با Ω8/1). از آنچه گفته شد، مي توان نتيجه گرفت كه استفاده از مايعات يوني به عنوان الكتروليت، سبب افزايش دانسيته انرژي (Wh/kg198 در مقايسه باWh/kg5/31) و كاهش دانسيته توان (kW/kg3/12 در برابرkW/kg2/23) مي شود. در اين رساله، با ايجاد نقص هاي استون-والس در شبكه منظم شش ضلعي نانولوله هاي كربني، هدايت الكتريكي بهبود قابل توجهي پيدا كرد. اين دسته از نانولوله هاي كربني، كه به عنوان نانولوله هاي كربني پيچ خورده شناخته مي شوند، داراي ظرفيت ويژة قابل توجه (F/g 203) و با توجه به مقاومت اندك و پنجرة پتانسيل نسبتاً گسترده، داراي دانسيته انرژي (Wh/kg 5/134) و دانسيته توان (kW/kg 42) قابل توجه مي باشند. در اين رساله، ميكروسكوپ الكتروني روبشي (SEM)، ميكروسكوپ نيروي اتمي (AFM)، طيف سنجي رامان، پراش اشعة ايكس (XRD)، اندازه گيري پتانسيل زتا،تجزيه وزن سنجي حرارتي (TGA)، و اندازه گيري مساحت سطح ويژه (BET) براي ارزيابي ساختار مواد الكترودي مورد استفاده واقع شدند. ولتامتري چرخه اي (CV)، شارژ/دشارژ گالوانواستاتيك، و طيف سنجي امپدانس الكتروشيميايي نيز براي ارزيابي رفتار خازني الكترودهاي تهيه شده به كار برده شدند. از نتايج به دست آمده مي توان نتيجه گرفت كه مايعات يوني به واسطة خواص فيزيكو-شيميايي منحصر به فردشان، دارايتوانايي قابل توجهي در بهبود عملكرد الكترودهاي بر پاية نانولوله هاي كربني هستند. واژه‌هاي كليدي:نانولوله‌ي كربني، ، قالباكسيدآلومينيوم آندي، نانوسيم هاي نيكل ، مايعات يوني، نشست الكتروفورتيك، نشست بخار شيميايي، ابرخازن.