31730

بررسي تاثير عملكرد سطحي در افزايش و بهينه سازي ظرفيت كوانتومي در ابرخازن‌هاي بر پايه مكسين‌ها به روش محاسباتي

كارشناسي ارشد

شيمي/نانوشيمي

1402-1403

1403/06/26

دكتر سيد مرتضي موسوي خوشدل

-

شيمي

توسعه فناوري هاي مبتني بر انرژي الكتريكي سبب افزايش اهميت ذخيره‌سازي انرژي الكتريكي شده است كه در اين راستا يكي از راه هاي تحقق آن استفاده از ابرخازن‌ها مي باشد. ابرخازن‌ها دستگاه‌هاي ذخيره‌ساز انرژي هستند كه داراي چگالي توان بالا، نرخ شارژ/دشارژ سريع و چرخه عمر طولاني هستند كه اين ويژگي‌ها براي كاربرد‌هايي كه نياز به توان خروجي بالا در دوره‌هاي زماني كوتاه دارند، ايده‌آل هستند با اين حال، چگالي انرژي كم در الكترود‌هاي سنتي عملكرد آنان را محدود كرده است از اين رو براي غلبه بر اين محدوديت، توسعه مواد الكترود جديد با مساحت سطح بالا، رسانايي الكتريكي بالا و ظرفيت مناسب ذخيره سازي بار ضروري است. مكسين‌ها ( Mxenes ) نوعي از نانو مواد دو بعدي بر پايه كاربيدهاي فلزات واسطه، كربن نيتريد‌ها و نيتريد‌ها هستند كه ويژگي‌هايي قابل توجهي اعم از سطح بزرگ، رسانايي فلزي بالا و فعاليت ردوكس سريع باعث شده تا ماده مناسبي براي الكترودهاي در ذخيره سازي انرژي باشند. با اين حال، سنتز مكسين‌ها به علت سنتز پيچيده و دارا بودن گروه‌هاي عاملي بسياري كه مي‌توانند بر سطح مكسين قرار گيرند، آنان را براي براي كاربري ابرخازني با چالش‌هاي روبرو كرده است. در اين مطالعه با استفاده از محاسبات مكانيك كوانتومي به روش تقريب‌هاي تئوري تابعي چگالي (DFT ) به بررسي اثر جذب گروه‌هاي عاملي در ساختار‌هاي مكسين با فرمول عمومي Zr2C، بر ظرفيت كوانتومي و ابرخازني اين مكسين‌ها پرداخته شد. اين مطالعه در محدوده پتانسيلي 1/2- تا 1/2+ ولت انجام شد و بر اين اساس در محدوده پتانسيل منفي الكتروليت يوني/آلي مكسين Zr2CS2 و سپس Zr2CBr2 بيشترين ظرفيت كوانتومي را از خود نشان دادند و در محدوده پتانسيل منفي الكتروليت آبي، مكسين Zr2CS2 و سپس Zr2CF2 بيشترين ظرفيت كوانتومي را از خود نشان دادند و در پتانسيل مثبت الكتروليت آبي مكسين Zr2CBr2 و سپس Zr2CCl2 بيشترين ظرفيت كوانتومي را از خود نشان داده و در نهايت در محدوده پتانسيل مثبت الكتروليت يوني/آلي مكسين Zr2CO2 و سپس Zr2CBr2 بيشترين ظرفيت كوانتومي را از خود نشان دادند بر اين اساس مطالعات محاسباتي مكانيك كوانتومي مكسين‌ها راه‌هاي جديدي را براي توسعه ابرخازن‌ها باز كرده است كه توانايي بررسي آنان بدون سنتز تجربي را براي ما مهيا كرده است هر چند مطالعات تجربي بيشتري براي تاييد يافته‌هاي محاسباتي و بهينه‌سازي عملكرد ابرخازن‌هاي مبتني بر مكسين ها مورد نياز است.

1403/09/21

Investigating the Effect of Functional groups in Enhancing Quantum Capacitance in Mxene-based Supercapacitors By computational method

1/1/1900 12:00:00 AM

The development of electric energy-based technologies has significantly increased the importance of electric energy storage, among which supercapacitors represent one of the key solutions. Supercapacitors are energy storage devices characterized by high power density, rapid charge/discharge rates, and long cycle life, making them ideal for applications requiring high output power over short periods. However, the low energy density of traditional electrodes has limited their performance. To overcome this limitation, it is essential to develop new electrode materials with high surface area, excellent electrical conductivity, and suitable charge storage capacity. MXenes, a class of two-dimensional nanomaterials derived from transition metal carbides, carbonitrides, and nitrides, exhibit remarkable properties such as large surface area, high metallic conductivity, and rapid redox activity, making them suitable materials for energy storage electrodes. However, the synthesis of MXenes poses challenges due to the complex synthesis process and the presence of numerous functional groups that can be attached to their surfaces, which complicates their application in supercapacitors. In this study, we employed quantum mechanical calculations using density functional theory (DFT) approximations to investigate the effect of functional group adsorption on the quantum and supercapacitive capacities of MXenes with the general formula Zr2C. The study was conducted within a potential range of -1.2 to +1.2 volts. Accordingly, within the negative potential range of ionic/organic electrolytes, MXene Zr2CS2 and subsequently Zr2CBr2 exhibited the highest quantum capacity. In the negative potential range of aqueous electrolyte, MXene Zr2CS2 and then Zr2CF2 showed the highest quantum capacity. In the positive potential range of aqueous electrolyte, MXene Zr2CBr2 followed by Zr2CCl2 demonstrated the highest quantum capacity. Finally, within the positive potential range of ionic/organic electrolytes, MXene Zr2CO2 and subsequently Zr2CBr2 exhibited the highest quantum capacity.Thus, quantum mechanical computational studies on MXenes have opened new pathways for the development of supercapacitors, allowing us to explore their capabilities without experimental synthesis. However, further experimental studies are necessary to validate the computational findings and optimize the performance of MXene-based supercapacitors.

ابرخازن , مكسين , الكترود , محاسبات مكانيك كوانتومي

supercapacitor , MXene , electrode , Quantum mechanics computations

Mohammad Hossein Azad

Dr. Seyed Morteza Mousavi Khoshdel