28835

سنتز هيدروترمال و بررسي خواص ابرخازني نانوكامپوزيت گرافن/TiO2

كارشناسي ارشد

مهندسي نانوفناوري-نانومواد

1399

1402/04/20

دكتر ميثم جلالي

دكتر سيد مرتضي موسوي خوشدل

فناوري هاي نوين

با افزايش تقاضاي برق و انرژي در كاربردهاي مختلف در دهه‌هاي اخير، رويارويي جهان آينده با بحران فقدان منابع انرژي اجتناب‌ناپذير است. اين بحران با جايگزيني انرژي هاي تجديدپذير حل خواهد شد. بنابراين براي استفاده از اين منابع بايد سيستم‌هاي مناسب براي ذخيره انرژي آن‌ها در نظر گرفته شود. ابرخازن ها داراي چگالي توان بالاتر و چگالي انرژي كمتري نسبت به باتري هاي نوع دوم و پيل هاي سوختي هستند اما معمولا مقادير چگالي انرژي محدودي دارند. از اين رو در اين پژوهش، توليد نانوذرات TiO2 و نانوكامپوزيت آن با گرافن با استفاده از روش كم هزينه هيدروترمال، به منظور كاربرد در ابرخازن مورد بررسي قرار گرفت. ابتدا نانوكامپوزيت‌ها با درصد‌هاي متغير گرافن ( 5/2، 5، 10 و %wt.20) سنتز شدند. سپس ريزساختار و مورفولوژي نانوكامپوزيت TiO_2 -گرافن با آناليز‌هاي XRD، FTIR، RAMAN، و تصاوير FESEM و TEM مورد مطالعه قرار گرفت. در طيف XRD نمونه TiO2 خالص و نمونه نانوكامپوزيتي پيك هاي مربوط به فاز آناتاز، كه بهترين فاز اكسيد تيتانيم از نظر خواص الكتريكي است، به خوبي رويت شد. همچنين طيف رامان حاصل از نمونه نانوكامپوزيتي پيك‌هاي مشخصه گرافن را نشان داد. به اين ترتيب از تركيب مواد و درستي سنتز اطمينان حاصل شد. همچنين، رفتار الكتروشيميايي و خواص ابرخازن با استفاده از راه اندازي سلول سه الكترودي با الكتروليت H2SO4 1 مولار ، توسط آزمون هاي CV و GCD اندازه گيري و بررسي شد. در نهايت، با مقايسه خواص الكتروشيميايي الكترودهاي حاصل از نانوكامپوزيت هاي مختلف و نمونه خالص، نمونه بهينه به دست آمد. در ميان همه نمونه‌ها، نمونه با 20 درصد وزني گرافن به بالاترين مقدار ظرفيت ويژه F/g 8/623 در A/g 2 دست يافت. همچنين اين نانوكامپوزيت پس از 2000 سيكل شارژ-دشارژ توانست 3/93% از ظرفيت ويژه اوليه را حفظ كند و اين نشان دهنده قابليت بالاي برگشت‌پذيري اين نانوكامپوزيت است. علاوه بر اين، نمونه با 20 درصد وزني گرافن عملكرد بهتري نسبت به همه نمونه ها از نظر چگالي انرژي و چگالي توان نشان مي‌دهد. بنابراين، نانوكامپوزيت TiO_2-گرافن را مي توان گزينه اي مناسب به عنوان ماده الكترود در دستگاه هاي ذخيره انرژي در نظر گرفت.

1402/07/12

Hydrothermal synthesis and investigation of supercapacitor properties of graphene-TiO2 nanocomposite

7/10/2024 12:00:00 AM

With increasing power and energy demands in various applications in recent decades, the future world will face the inevitable lack of energy resources crisis. In addition, the gases released due to the consumption of fossil fuels cause severe environmental pollution. This crisis will be solved by replacing renewable energies. Therefore, in order to use these resources, suitable systems for their energy storage should be considered. Supercapacitors have higher power density and lower energy density than second-type batteries and fuel cells, but usually have limited energy density values. TiO2 has attracted many researchers due to its high stability, excellent electrochemical properties, non-toxicity and cost-effectiveness. However, having low electrical conductivity, it is usually necessary to combine TiO2 with other materials such as advanced carbon materials like carbon nanotubes, graphene, etc., in order to achieve the desired properties. Graphene has a hexagonal lattice structure that allows easy transfer of electrons and ions. In this study, TiO2-graphene nanocomposite with variable percentages of graphene (2.5, 5, 10 and 20%wt.) was synthesized using an easy and low-cost hydrothermal method. Then the microstructure, morphology and composition were studied by XRD, FTIR, Raman, Fe-SEM and TEM. In the XRD spectrum of the pure TiO2 sample and the nanocomposite sample, the peaks related to the anatase phase, which is the best titanium oxide phase in terms of electrical properties, were clearly seen. Also, the Raman graph obtained from the nanocomposite sample showed the characteristic peaks of graphene. In this way, the hybridization and the correctness of the synthesis were ensured. Also, the electrochemical behavior of the supercapacitor were investigated by CV, GCD using a three-electrode setup with 1 M H2SO4 electrolyte. Finally, by comparing the electrochemical properties of the electrodes obtained from different nanocomposites and the pure sample, the optimal sample was obtained. Among all of them, the 20 wt% nanocomposite achieved the highest specific capacity value of 623.8 F/g in 2 A/g. Also, this nanocomposite was able to maintain 93.3% of the initial specific capacity after 2000 charge-discharge cycles, and this indicates the high reversibility. In addition, TiO2-20wt% GO shows better performance than all samples in terms of energy density and power density. Therefore, TiO2-graphene nanocomposite can be considered a suitable candidate as an electrode material in energy storage devices.

نانوكامپوزيت TiO2-گرافن , هيدروترمال , ابرخازن , خواص الكتروشيميايي

TiO2-graphene nanocomposite , hydrothermal , supercapacitor , electrochemical properties

negar naghavi ravandi

maisam jalaly