26027

محاسبات كوانتومي ظرفيت گرافن عامل دار شده با هدف كاربرد در ابرخازن هاي الكتروشيميايي

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي - فرايندهاي جداسازي

1396

1400/6/29

سوسن روشن ضمير

مهندسي شيمي، نفت و گاز

در سال¬هاي اخير ابرخازن¬ها كه به عنوان خازن¬هاي الكتروشيميايي نيز از آن¬ها نام برده مي¬شود در حوزه¬ي فناوري¬هاي ذخيره انرژي بسيار مورد توجه قرار گرفته¬اند. با توجه به تحقيقات انجام شده، مواد گرافني براي استفاده در الكترود ابرخازن¬ها بسيار مناسب مي¬باشند. در كنار مزاياي متعدد اين مواد ظرفيت ويژه پايين آن¬ها يك عامل محدود كننده بزرگ در مسير صنعتي شدن مي¬باشد. تحقيقات نشان مي¬دهد كه عامل محدود كننده ظرفيت كل الكترودهاي بر پايه گرافن، ظرفيت كوانتومي پايين اين مواد مي¬باشد. در نتيجه بهبود در ظرفيت كوانتومي اين مواد ظرفيت كل الكترودها را نيز بهبود مي¬بخشد. تحقيق و بررسي ظرفيت كوانتومي با روش¬هاي آزمايشگاهي و محاسبات كوانتومي امكان¬پذير مي¬باشد. اين در حاليست كه بررسي ظرفيت كوانتومي با روش¬هاي آزمايشگاهي بسيار پر هزينه است در حالي كه محاسبات كوانتومي بسيار كم هزينه¬تر و دقيق¬تر مي¬باشند. روش¬هاي محاسباتي همچنين باعث سرعت بخشيدن به تحقيقات و كاهش هزينه كارهاي آزمايشگاهي نيز مي¬شوند. اين امر به دليل قدرت پيش¬بيني خواص تركيبات جديد ايجاد شده در نرم¬افزار امكان¬پذير مي¬باشد. در اين بررسي تلاش كرده¬ايم با استفاده از محاسبات كوانتومي كارايي گرافن عامل¬دار شده با سه گروه عاملي پليمري پلي¬آنيلين، پلي¬پيرول و پلي¬تيوفن در سه حالت تك، دو و سه مونومر را در بخش ظرفيت كوانتومي و توانايي ذخيره بار الكتريكي مورد بررسي قرار دهيم. اين تلاش به منظور طراحي و پيشنهاد مواد جديد بر پايه گرافن به منظور استفاده در الكترود ابرخازن¬ها در نرم¬افزار متريال استوديو و با استفاده از ماژول DMol3 كه بر پايه انجام محاسبات كوانتومي با روش نظريه تابعي چگالي مي¬باشد، انجام شده است . با توجه به محاسبات انجام شده در اين تحقيق با نه حالت مختلف از پليمرهاي نام برده شده با طول زنجيره پليمري متفاوت مي¬توان گفت كه هم نوع پليمرها و هم طول زنجيره پليمري آن¬ها روي ظرفيت كوانتومي گرافن تاثيرگذار است. در مورد پلي¬آنيلين و پلي¬پيرول بهبود ظرفيت كوانتومي در ولتاژهاي پايين بسيار چشمگير بود و همينطور با افزايش طول زنجيره پليمري بهبود بيشتري در ظرفيت كوانتومي مشاهده شد. به طور مثال در پنجره پتانسيل عملكردي الكتروليت آبي اين دو پليمر در بهترين حالت باعث بهبود ظرفيت كوانتومي تا حدود 600 F/g در ولتاژهاي مثبت شدند. اما در مورد پلي¬تيوفن علي¬رغم تاثير مثبت اين پليمر روي ظرفيت كوانتومي، مشاهده شد كه در ولتاژهاي كمتر از 3/0 ولت زنجيره¬هاي پليمري با طول كمتر عملكرد بهتري را در ظرفيت كوانتومي و ذخيره بار الكتريكي نشان مي¬دهند. در بين پليمرهاي مورد بررسي پلي¬پيرول به بالاترين ظرفيت كوانتومي دست پيدا كرد. همينطور مي¬توان گفت هر سه پليمر بيشترين تاثير روي ظرفيت كوانتومي را در ولتاژهاي پايين نشان مي¬دهند و براي استفاده در كنار الكتروليت¬هاي آبي مناسب مي¬باشند. هر سه پليمر مورد بررسي تاثير قابل توجهي روي ظرفيت كوانتومي و توانايي ذخيره¬سازي بار الكتريكي الكترودهاي مبتني بر گرافن از خود نشان دادند و براي عامل¬دار كردن گرافن به منظور استفاده در الكترود ابرخازن¬ها مواد مناسبي به شمار مي¬روند.

1400/11/18

Quantum calculations of functionalized graphene capacity for use in electrochemical supercapacitors

9/20/2022 12:00:00 AM

In recent years, supercapacitors, also known as electrochemical capacitors, have received a great deal of attention in the field of energy storage technologies. According to research, graphene materials are very suitable for use in supercapacitor electrodes. In addition to the many advantages of these materials, their low specific capacity is a major limiting factor in the path of industrialization. Research shows that the limiting factor for the total capacity of graphene-based electrodes is the low quantum capacity of these materials. As a result, the improvement in the quantum capacity of these materials also improves the total capacity of the electrodes. Quantum capacity research is possible with laboratory methods and quantum calculations. This is while examining quantum capacity with Laboratory methods are very expensive, while quantum computing is much less expensive and more accurate. Computational methods also speed up research and reduce the cost of laboratory work. This is possible due to the ability to predict the properties of new compounds created in the software. In this study, using quantum calculations, we have tried to quantify the efficiency of graphene functionalized with three functional groups of polymeric polyaniline, polypyrrole and polythiophene in three states of single, double and triple monomers in terms of quantum capacity and ability. Examine the electric charge storage. This effort was made to design and propose new graphene-based materials for use in supercapacitors electrodes in studio material software using the DMol3 module, which is based on quantum calculations using the density functional theory method. . According to the calculations performed in this study with nine different modes of the mentioned polymers with different polymer chain lengths, it can be said that both the type of polymers and their polymer chain length affect the quantum capacity of graphene. In the case of polyaniline and polypyrrole, the improvement of quantum capacity at low voltages was very significant and also with increasing the length of the polymer chain, a further improvement in quantum capacity was observed. For example, in the aqueous electrolyte functional potential window, these two polymers at best improved the quantum capacity to about 600 F / g at positive voltages. However, in the case of polyethylene, despite the positive effect of this polymer on quantum capacity, it was observed that at voltages below 0.3 V, polymer chains with shorter lengths show better performance in quantum capacity and electrical charge storage. Among the polymers studied, polypyrrole achieved the highest quantum capacity. It can also be said that all three polymers have the greatest effect on quantum capacity at low voltages and are suitable for use with aqueous electrolytes. All three polymers studied had a significant effect on the quantum capacity and ability to store the electric charge of graphene-based electrodes and are suitable materials for functionalizing graphene for use in supercapacitor electrodes.

ابرخازن , گرافن , ظرفيت كوانتومي , نظريه تابعي چگالي , پليمرهاي رسانا

Supercapacitor , Graphene , Quantum Capacity , Density Functional Theory , Conductive Polymers