16929

16929

تهيه و شناسايي هيبريدهاي گرافني با تركيب‌هاي روي و مس براي توليد جريان نوري و هيبريدهاي گرافن اكسيد براي جذب يونهاي +2 Ni2+، Hg2+، Pb2+، Cd2+، Cu

دكتري

شيمي معدني

آبان 1395

دكتر آزاده تجردي

دكتر روح ا... زارع دورابي

شيمي

در اين تحقيق نانوصفحه‌هاي گرافن كم لايه با فرآيند تك مرحله‌اي ساده¬تر و ارزان¬تر نسبت به روش هومرز تهيه شدند. اين فرآيند شامل اكسايش ملايم گرافيت در مخلوط اسيد-پتاسيم پرمنگنات در دماي °C60 بود. در اين فرآيند تاثير مقدار اكسنده و زمان واكنش، روي ميزان اكسايش و جدا شدن لايه‌هاي گرافيت مورد بررسي قرار گرفت. گرافن تهيه شده بدون نياز به اصلاح محلول در آب بود و با كمك روش‌هاي FT-IR، XPS، XRD، Raman، AFM، TEM، SEM، زتا پتانسيومتري و مشخصه‌يابي جريان-ولتاژ مورد شناسايي قرار گرفت. همچنين رنگدانه روي فتالوسيانين تترا كربوكسيليك اسيد (ZnPc(COOH)4)، در فرآيندي سريع و بدون حلال و با كمك امواج ريز تهيه شد. فرآيند آبي-حرارتي نيز براي تهيه‌ي نانوذرات روي سولفيد پوشيده شده با مولكول 3-مركاپتو پروپيونيك اسيد (MPA)، نانوذرات روي اكسيد عامل‌دار شده با ليگاند 4،'4-بي¬پيريدين (bipy) و نانوصفحه¬هاي مس اكسيد استفاده شد. نانوهيبريدهاي تهيه شده در اين تحقيق بر پايه¬ي نانوذرات روي سولفيد و روي اكسيد آماده شده بودند. براي تشكيل نانوهيبريدهاي بر پايه‌ي روي سولفيد، يك روش تك مرحله‌اي ساده و نو طراحي و استفاده شد. اين نانوهيبريدها خود به دو دسته تقسيم شدند. در دسته‌ي اول، رنگدانه‌ي روي فتالوسيانين و محلول آبي گرافن آماده شده به كار رفتند. در دسته‌ي دوم، از نانوصفحه‌هاي مس اكسيد و گرافن استفاده شد. نانوهيبريدهاي بر پايه‌ي روي اكسيد نيز از محلول آبي گرافن آماده شده و رنگدانه‌ي روي فتالوسيانين بر اساس روشي ساده و نو تهيه شدند. نانوهيبريدهاي تهيه شده با روش‌هاي مختلفي مانندXRD ، TEM، SEM، FT-IR، Raman، PL و DRS شناسايي شدند. سپس با بررسي خواص نوري و فوتوالكتروشيميايي آن‌ها، مقدار بهينه‌ي هر يك از اجزا در نانوهيبريدهاي دو جزيي و سه جزيي براساس بالاترين پاسخ نوري تعيين شد. فوتوالكترودهاي نانوهيبريدها و اجزاي آن‌ها با روش نشاندن نمونه روي سطح شيشه‌ي رساناي ITO آماده شدند. خواص فوتوالكتروشيميايي فوتوالكترودها نيز با روش‌هاي كرونوآمپرومتري، ولتامتري چرخه¬اي و طيف سنجي امپدانس الكتروشيميايي تحت تابش نور مريي بررسي شدند. مكانيسم انتقال بار، توليد جريان نوري و نقش هر ‌يك از اجزا در نانوهيبريدها مورد ارزيابي قرار گرفتند. روش¬هاي طراحي شده براي تهيه¬ي نانوهيبريدها و انتخاب نيمه¬هادي¬هاي نوع p شامل مس اكسيد و روي فتالوسيانين، روي بهبود خواص نوري تركيب¬هاي روي اكسيد و روي سولفيد بسيار موثر بودند و موجب افزايش چشمگير توليد جريان نوري آن¬ها در ناحيه¬ي مريي شدند. افزودن گرافن به نانوهيبريدها نيز موجب افزايش توانايي آن¬ها در جذب نور مريي و جداسازي بارها شد كه افزايش قابل توجه توليد جريان نوري را به دنبال داشت. همچنين نانوصفحه¬هاي گرافن اكسيد با روش اصلاح شده‌ي هومرز تهيه شد. سپس با روشي جديد و كارآمد با ليگاندهاي معدني 2،'2-دي پيريديل آمين (DPA) و 2-پيريدين كربوكسالدهيد تيوسمي‌كاربازون(2-PTSC) ، در آزمايش‌هاي جداگانه عامل‌دار شد. اتصال ليگاندها به سطح گرافن اكسيد با روش‌هاي شناسايي FT-IR، XPS، XRD، CHNS، AFM و SEM تاييد شد. سپس هيبريد گرافن اكسيد با ليگاند DPA، در جذب هم¬زمان‌ يون‌هاي فلزي Pb2+، Cd2+، Cu2+ و Ni2+ به كار رفت. هيبريد گرافن اكسيد با ليگاند 2-PTSC نيز به عنوان جاذب‌ يون Hg2+ استفاده شد. براي بازدهي بيشتر فرآيند جذب امواج فراصوت نيز به كار گرفته شد. بهينه‌سازي متغيرهاي تاثيرگذار روي ظرفيت جذب شامل مقدار جاذب، pH، زمان و غلظت اوليه‌ي ‌يون فلزي با روش طراحي آزمايش و به كمك طرح مركب مركزي انجام گرفت. تاثير هر ‌يك از متغيرها و برهم‌كنش ميان آن‌ها روي ظرفيت جذب جاذب با كمك روش سطح پاسخ مطالعه شدند. مكانيسم فرآيند جذب نيز با بررسي مدل‌هاي هم¬دماي جذب سطحي لانگموير و فروندليچ بررسي شد. همچنين كارايي جاذب¬ها روي چند نمونه‌ي حقيقي امتحان شد. ليگاندهاي انتخاب شده، روش اصلاح گرافن اكسيد، روش بهينه‌سازي متغيرها و استفاده از امواج فراصوت در فرآيند جذب موجب افزايش چشمگير ظرفيت جذب گرافن اكسيد شدند. واژه‌هاي كليدي: نانوهيبريد، گرافن، روي سولفيد، روي اكسيد، رنگدانه، روي فتالوسيانين، مس اكسيد، جريان نوري، گرافن اكسيد، 2،'2-دي پيريديل آمين، 2-كربوكسالدهيد تيوسمي‌كاربازون، جذب، بهينه‌سازي.

1395/12/22

1/1/1900 12:00:00 AM

In this research, a novel an​d simple one-pot process, including mild oxidation of graphite in mixture of H2SO4/KMnO4 at 60˚C was developed to synthesize highly water-soluble graphene nanosheets (GNs) with low-defects in basal plane. In this process, effects of the oxidant amount an​d reaction time on oxidation an​d exfoliation degree of graphite were explored. The product was characterized with various techniques including AFM, SEM, TEM, Raman, FT-IR, XPS, XRD an​d I-V characterization an​d zeta-potentiometry. Zinc phthalocyanine tetracarboxylic acid (ZnPc(COOH)4) dye was also synthesized by microwave-asisted free-solvent an​d fast process. hydrothermal treatment was applied for preparation of ZnS nanoparticles capped with 3-mercaptopropionic acid (MPA), ZnO nanoparticles modified with 4,4'-bipyridine (bipy) an​d CuO nanosheets. The prepared nanohybrids in this research were based on the obtained ZnS an​d ZnO nanoparticles. The novel an​d simple one-pot process was designed for preparation of the ZnS-based nanohybrids. These nanohybrids were divided into two groups. In first group, the ZnPc(COOH)4 dye an​d the prepared graphene solution were used. The graphene an​d CuO nanosheets were applied in second group. The ZnO-based nanohybrids were also synthesized using the prepared graphene solution an​d the ZnPc(COOH)4 dye by the novel an​d simple method. By exploring the optical an​d photoelectrochemical properties of nanohybrids, the optimum value of each component in two an​d three components nanohybrids, in where photocurrent response was maximum, was determined. All nanohybrids were characterized using several methods such as FT-IR, XRD, PL, UV-Vis, Raman, SEM an​d TEM. The photoelectrodes including nanohybrides an​d their components were prepared via drop-casting of sample onto the ITO-glass. The Photoelectrochemical properties of photoelectrodes were explored with methods including chronoamperometry, cyclic voltammetry an​d electrochemical impedance spectroscopy, under irritation of visible light. The mechanism of electron transfer, photocurrent generation an​d the role of each component in nanohybrid were eva​luated. The designed processes for preparation of nanohybrids an​d the selected p-semiconductors including CuO an​d ZnPc(COOH)4 were very effective on enhancing the optical properties an​d photocurrent generation of ZnO an​d ZnS compounds in visible region. The added graphene into nanohybrids was also caused to increasing the visible light absorption an​d effective separation of photoinduced charges that led to the excellent enhancement of photocurrent. Graphene oxide (GO) nanosheets was also synthesized via modified-hummers method. Then, GO was functionalized with ligands of 2,2'-dipyridileamine (DPA) an​d 2-carboxaldehide thiosemicarbazone (2-PTSC), in separate runs. The attachment of ligand was comfimed by FT-IR, XRD, XPS, CHNS, SEM an​d AFM techniques. GO modified with DPA was applied for simoltanious adsorption of Pb2+, Cd2+, Cu2+ an​d Ni2+ from multiple solution. GO-modified with 2-PTSC was also considered as adsorbent for removal Hg2+ ion from water. The effective variables on capacity of adsorbent including adsorbent dosage, pH, time an​d initial ion concentration were optimized with using central composite design (CCD). The effect of each variable an​d interactions among them, on the adsorbtion capacity of adsorbent were studied by response surface methodology. The adsorption mechanism was eva​luated by fitting the experimental data into the Langmuire an​d Frendlich isotherm models. Additionally, the efficiency of adsorbents was examined on some real samples. The selected ligands, the process of modifying graphene oxide, the optimization of variables an​d using ultrasound power were very effective to enhance the adsorption capacity of graphene oxide. Keywords: Nanohybrids, graphene, zinc sulfide, zinc oxide, dye, zinc phthalocyanine, cupper oxide, photocurrent, graphene oxide, 2, 2'-dipyridileamine, 2-carboxaldehide thiosemicarbazone, adsorption, optimization.