شماره ركورد
34792
پديد آورنده
فيروزه سليميان
عنوان
مطالعه تجربي تاثير نانو ذرههاي اكسيد فلزي قلع و روي و كامپوزيت آنها در جذب وحسگري دياكسيدكربن به روش هدايتسنجي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي شيمي
سال تحصيل
1402
تاريخ دفاع
1404/12/23
استاد راهنما
دكتر عليرضا همتي
استاد مشاور
دكتر احد قائمي
دانشكده
مهندسي شيمي
چكيده
در اين تحقيق، نانواكسيد قلع (SnO₂)، نانواكسيد روي (ZnO) و نانوكامپوزيت آنها براي جذب و حسگري گاز CO₂ مورد بررسي قرار گرفتند. تحليلهاي ساختاري با استفاده از تكنيكهاي XRD، FTIR و SEM نشان داد كه نانوكامپوزيتها داراي ساختار مناسب و سطح ويژه بالايي براي جذب CO₂ هستند. ظرفيت جذب نانوكامپوزيت با نسبت SnO2 75%/ZnO 25% برابر با mmol/gr 3.6 در شرايط bar 1 و دماي C 25°به دست آمد كه نسبت به ZnO خالص (mmol/gr2.2) و SnO₂ خالص (mmol/gr2.7 ) افزايش قابل توجهي نشان داد. براي بهينهسازي شرايط جذب از روش سطح پاسخ (RSM) با طراحي مركب مركزي استفاده شد و نتايج نشان داد دما، فشار و تشكيل نانوكامپوزيت تأثير معناداري بر ظرفيت جذب دارند. در شرايط بهينه (C25°، فشار bar9 و بارگذاري نانوكامپوزيتSnO2 75%/ZnO 25%) ظرفيت جذب به mmol/gr 7.741 رسيد. مدل ايزوترم لانگموير بهترين برازش را با دادههاي تجربي داشت و نشان داد جذب CO₂ بر روي نانوكامپوزيت عمدتاً فيزيكي است. نتايج سينتيكي نيز بيانگر تطابق بهتر مدل شبه مرتبه دوم با دادههاي تجربي بود، هرچند بررسي پارامترهاي ترموديناميكي نشان داد فرايند جذب ماهيتي فيزيكي، تكلايه و برگشتپذير دارد. تحليل ترموديناميكي نيز گرمازا و خودبهخودي بودن فرايند جذب را تأييد كرد. در آزمون احياي چرخهاي، نانوكامپوزيت ZnO/SnO₂ پس از پنج چرخه جذب و احيا حدود 90% از ظرفيت اوليه خود را حفظ كرد كه بيانگر پايداري و تكرارپذيري مناسب آن در شرايط عملياتي است. در بخش حسگري گاز CO₂، حسگرهاي مبتني بر ZnO/SnO₂ با تركيب SnO₂75% وZnO %25 عملكرد بهتري نسبت به حسگرهاي خالص نشان دادند. اين بهبود به دليل افزايش سايتهاي فعال سطحي، ايجاد مرزهاي ناهمگن ميان فازها و بهبود رسانايي الكتريكي است. بررسي عملكرد سنسورهاي مقاومتي شيميايي مبتني بر SnO₂، ZnO و نانوكامپوزيت SnO₂–ZnO نشان داد نمونه نانوكامپوزيتي داراي بيشترين پاسخ ولتاژي (ΔV)، كوتاهترين زمان پاسخ و بازيابي و بيشترين درصد كاهش ولتاژ است. در دماي C250° و حالت ناپيوسته، پاسخ نانوكامپوزيت به 1.4 ولت رسيد و زمان پاسخ آن حدود 20–30 ثانيه و زمان بازيابي 25–35 ثانيه ثبت شد كه نشاندهنده رفتار ديناميكي سريعتر نسبت به SnO₂ و ZnO خالص است. در مجموع، تركيب بهينه نانوكامپوزيتSnO2 75%/ZnO 25% موجب افزايش حساسيت، سرعت پاسخ و پايداري سنسور در شرايط عملياتي گرديد.
كلمات كليدي: حسگر مقاومتي، جذب، CO₂، نانوكامپوزيت، نانواكسيد روي، نانواكسيد قلع، هدايتسنجي
تاريخ ورود اطلاعات
1405/02/21
عنوان به انگليسي
Experimental Investigation of SnO₂ and ZnO Nanoparticles and Their Composite for CO₂ Adsorption and Chemiresistive Sensing Applications
تاريخ بهره برداري
3/14/2027 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
فيروزه سليميان
چكيده به لاتين
In this study, tin oxide (SnO₂), zinc oxide (ZnO) nanoparticles, and their composite structures were investigated for CO₂ adsorption and sensing applications. Structural analyses using XRD, FTIR, and SEM techniques confirmed that the nanocomposites possess an appropriate morphology and a high specific surface area favorable for CO₂ adsorption. Specifically, the adsorption capacity of the SnO₂ (75%)/ZnO (25%) nanocomposite was 3.6 mmol/g at 1 bar and 25 °C, representing a remarkable enhancement compared to pure ZnO (2.2 mmol/g) and pure SnO₂ (2.7 mmol/g). To optimize the adsorption conditions, the response surface methodology (RSM) based on the central composite design (CCD) was employed. The results revealed that temperature, pressure, and the SnO₂–ZnO composite formation significantly influence the adsorption capacity. Under the optimized conditions (25 °C, 9 bar, and 75% SnO₂ / 25% ZnO composition), the adsorption capacity reached 7.741 mmol/g. The Langmuir isotherm model provided the best fit to the experimental data, indicating that CO₂ adsorption on the nanocomposite occurs via a physical adsorption mechanism. Although the kinetic analysis showed a better correlation with the pseudo-second-order model, the thermodynamic parameters confirmed that the process is physical, reversible, and monolayer in nature. Thermodynamic evaluation further demonstrated that the adsorption process is exothermic and spontaneous. In cyclic regeneration tests, the ZnO/SnO₂ nanocomposite retained about 90% of its initial adsorption capacity after five adsorption–desorption cycles, confirming its excellent stability and reusability under various operating conditions. In the CO₂ gas-sensing section, sensors based on ZnO/SnO₂ (75% SnO₂ and 25% ZnO) exhibited superior performance compared to pure SnO₂- and ZnO-based sensors. This improvement arises from the synergistic interaction between the two oxides, where SnO₂ provides high surface adsorption capability, and ZnO contributes to an increased number of active sites. The chemiresistive-type sensors based on SnO₂, ZnO, and their nanocomposite (75:25 ratio) were evaluated for CO₂ detection. The synthesized nanocomposite sensor demonstrated the highest voltage response (ΔV), shortest response/recovery times, and greatest voltage drop percentage compared to the pristine materials. At 250 °C under batch conditions, the composite sensor exhibited a response of 1.4 V, with a response time of 20–30 s and a recovery time of 25–35 s, indicating faster dynamic behavior than pure SnO₂ and ZnO. This enhanced sensing performance is attributed to the formation of heterogeneous interfacial regions, the increased number of active sites, and improved electrical conductivity. The optimized composition of 75% SnO₂ and 25% ZnO effectively enhanced the sensitivity, speed, and stability of the CO₂ sensor under operational conditions.
Keywords: chemiresistive sensor, adsorption, CO₂, nanocomposite, zinc oxide, tin oxide, conductivity
كليدواژه هاي فارسي
حسگر مقاومتي , جذب , CO₂ , نانوكامپوزيت , نانواكسيد روي , نانواكسيد قلع , هدايت سنجي
كليدواژه هاي لاتين
chemiresistive sensor , adsorption , CO₂ , nanocomposite , zinc oxide , tin oxide , conductivity
Author
Firouzeh Salimian
SuperVisor
Dr.Alireza Hemmati