شماره ركورد
33516
پديد آورنده
علي صادقي
عنوان
بررسي نقش كاتاليزگري چارچوب فلز-آلي (MOF) بر پايه فوم نيكل در بهبود كاتد باتريهاي ليتيم اكسيژن و كاربرد آن در توليد هيدروژن
مقطع تحصيلي
دكتري
رشته تحصيلي
شيمي تجزيه
سال تحصيل
1398
تاريخ دفاع
1404/2/16
استاد راهنما
علي غفارينژاد
استاد مشاور
رضا دانشطلب
دانشكده
شيمي
چكيده
افزايش روزافزون مصرف سوختهاي فسيلي نگرانيهاي جدي را از جنبههاي زيستمحيطي ايجاد كرده است. از همينرو، انواع انرژيهاي تجديدپذير براي جانشيني اين سوختها معرفي شدهاند. از جمله اين موارد ميتوان به گسترش استفاده از باتريهاي شارژپذير نظير ليتيم يون اشاره كرد اما برخي چالشهاي آنها نظير كمبود چگالي انرژي مانع از فراگيري گستردهترشان ميشود. بنابراين نياز به معرفي باتريهاي جديدي نظير باتري ليتيم هوا احساس ميشود. باتري ليتيم هوا يا به تعريفي، ليتيم اكسيژن به دليل صرفه اقتصادي و افزايش چگالي انرژي گزينه مطلوبي به شمار ميرود و تحقيقات وسيعي نيز در اين زمينه در دست اقدام است. با هدف بهبود عملكرد اين باتريها، مواد الكترودي و جمعكنندههاي جريان مختلفي استفاده شدهاند. در اين رساله با تكيه بر ساختار سهبعديِ فلزي فوم نيكل نقش انواع مواد الكترودي با محوريت چارچوبهاي فلز آلي (MOF) ارزيابي شدند و در ادامه، با الهام از مزاياي روش سنتز الكتروشيميايي، مسيرهاي مختلف ولتامتري چرخهاي (CV)، كرنوآمپرومتري (CA) و روبش خطي پتانسيل (LSV) براي الكتروسنتز NiBTC MOF مورد استفاده قرار گرفتند كه روش LSV بهترين نتيجه را براي سنتز لايه نازك اين ماده بر بستر فوم نيكل با حفظ ساختار سهبعدي آن حاصل كرد. همچنين، با انجام فرايند توليد هيدروژن (HER) و بهينهسازي پارامترهاي دخيل در فرايند، محدوده ولتاژ صفر تا V 3 و سرعت روبش mV/s 2 بهترين نتيجه را به وجود آورد. در ادامه، با كمك شبيهسازي ديناميك مولكولي (MD)، ساختار دو نوع ماده كاتدي NiBTC و CuBTC طراحي شد و مسير واكنشهاي احياي اكسيژن (ORR) مشخص گرديد. نتايج اين مرحله اثبات كرد كه NiBTC در قياس با CuBTC، واكنشهاي پايدارتر و روند برگشتپذيري بهتري را ايجاد ميكند. در گام نهايي رساله، آزمونهاي ظرفيت باتري با ماده كاتدي NiBTC و فوم نيكل خالص انجام گرفت و به منظور بهبود نتايج، نقاط كوانتومي گرافن حاوي نيتروژن و گوگرد (S,N-GQDs) نيز با روش هيدروترمال سنتز شده و با روش الكتروشيمي بر بستر ماده كاتدي فوق ترسيب شد. لازم به ذكر است كه الكترودها عاري از ماده چسباننده بودند. مجموع اقدامات، منجر به كسب ظرفيت ويژه mAh/g 398 با چگالي جريان 0/3 mAh/cm2 و بهبود چرخهپذيري و بازده كولني 76% شد.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/04/28
عنوان به انگليسي
Investigation of the Catalytic Role of Metal-Organic Frameworks (MOFs) Based on Nickel Foam in Improving the Cathode of Lithium-Oxygen Batteries and Its Application in Hydrogen Evolution
تاريخ بهره برداري
5/6/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
علي صادقي
چكيده به لاتين
The increasing consumption of fossil fuels has raised serious environmental concerns. Consequently, various renewable energy sources have been introduced as alternatives to these fuels. Among these options, the expansion of rechargeable battery usage can be highlighted. In this regard, lithium-ion batteries have attracted considerable attention in various fields; however, some of their challenges, such as low energy density, hinder their broader adoption. Therefore, there is a need to introduce new batteries, such as lithium-air batteries. Due to their economic advantages and increased energy density, lithium-air batteries are considered a favorable option, and extensive research is underway in this area. To improve the performance of these types of batteries, various electrode materials and current collectors have been utilized. In this thesis, the role of different electrode materials centered around Metal-Organic Frameworks (MOFs) is evaluated, with a focus on Nickel foam’s three-dimensional metallic structure. Following this, inspired by the advantages of the electrochemical synthesis method, various strategies including CV, CA, and LSV were employed for the electrosynthesis of NiBTC MOF, with the LSV method yielding the best results for synthesizing a thin layer of this material on a nickel foam substrate while preserving its 3D structure. Additionally, through the Hydrogen Evolution Reaction (HER) process and optimization of the parameters involved, voltage ranges from 0 to 3 V and a scan rate of 2 mV/s yielded the best results. Subsequently, using Molecular Dynamics (MD) simulation, the structure of two types of cathode materials, NiBTC and CuBTC, was designed, and the pathways for Oxygen Reduction Reactions (ORR) were identified. The results demonstrated that NiBTC, in comparison to CuBTC, generates more stable reactions and better reversibility. In the final step of the thesis, battery capacity tests were conducted with the NiBTC cathode material and pure nickel foam, and to enhance the results, nitrogen and sulfur co-doped graphene quantum dots (S,N-GQDs) were also synthesized and deposited using electrochemical methods on the aforementioned cathode material. It is noteworthy that the electrodes were binder-free materials. The overall results showed an specific capacity of 398 mAh/g with 0.3 mA/cm2 as current density and improvement in cycle stability and a coulombic efficiency of 76%.
كليدواژه هاي فارسي
باتري ليتيم-هوا , فوم نيكل , چارچوب فلز-آلي , نقاط كوانتومي گرافن , شبيهسازي ديناميك مولكولي , باتري ليتيم اكسيژن
كليدواژه هاي لاتين
Lithium-air battery , Nickel foam , Metal-organic framework , Graphene quantum dots , Molecular dynamics simulation , Lithium-oxygen battery
Author
Ali Sadeghi
SuperVisor
Ali Ghaffarinejad