بررسي تجربي و محاسباتي كارايي نانوساختارهاي هگزاسيانوفرات برخي فلزات واسطه جهت ذخيره انرژي الكتروشيميايي

دكتري

با استفاده از يك روش ساده مبتني بر تكنيك هم‌رسوبي در حضور محلول اكسيد گرافن، نانوكامپوزيت دوجزئي هگزاسيانوفرات مس/ اكسيد گرافن كاهش‌يافته با موفقيت سنتز شد. آناليزهاي شناسايي نشان از سنتز موفق نانوكامپوزيت حاصل‌شده داشت. سنجش‌هاي الكتروشيميايي ظرفيت ويژه F g-1 548 را در چگالي جريان A g-1 5/0 در گستره پتانسيل V 0/1-20/0- نسبت به الكترود مرجع Ag/AgCl در الكتروليت M 50/0 K2SO4 در طي چرخه‌هاي شارژ و دشارژ گالوانواستاتيك به دست آمد. ظرفيت به‌دست‌آمده براي نانوكامپوزيت در مقايسه با ظرفيت مواد اوليه بكار رفته براي سنتز نانوكامپوزيت كه شامل اكسيد گرافن كاهش‌يافته ( با ظرفيت F g-1 174 در چگالي جريان A g-1 50/0) و هگزاسيانوفرات مس (با ظرفيت F g-1 236 در چگالي جريان A g-1 50/0) به ميزان قابل‌توجهي ارتقا يافته است. به نظر مي¬رسد اين بهبود در عملكرد ريشه در الكتروفعال شدن هر دو مركز فلزي در هگزاسيانوفرات مس در نانوكامپوزيت و همچنين اثرات هم‌افزايي بين گرافن كاهش‌يافته و هگزاسيانوفرات مس دارد. از سوي ديگر عمر چرخه‌اي نانوكامپوزيت نيز در مقايسه با هگزاسيانوفرات مس افزايش قابل‌توجهي يافته است به‌طوري‌كه بعد گذشت 1000 چرخه شارژ/دشارژ متوالي در چگالي جريان A g-1، الكترود 83% از ظرفيت اوليه را حفظ كرده است. در بخش ديگري از كار، با كمك قالب PVP تركيب CoHCF را با مورفولوژي مكعبي سنتز كرده و كارايي الكتروشيميايي آن را موردبررسي قرارداديم. آزمون‌هاي الكتروشيميايي ظرفيت mA h-1 11 را در چگالي جريان A g-1 نشان داد. عمر چرخه الكترود ضعيف ارزيابي گرديد؛ به‌گونه‌اي كه بعد از طي 1000 چرخه شارژ و دشارژ الكترود 45% از ظرفيت اوليه خود را از درست مي‌دهد. بررسي‌ها نشان داد كه هرچند ظرفيت CoHCF در چگالي جريان‌هاي پايين نسبت به CuHCF برتري دارد ولي در چگالي جريان‌هاي بالاتر برتري كاملاً با CuHCF است. در بخش بعدي، كارايي هگزاسيانوفرات آهن با هگزاسيانوفرات مس به‌عنوان ماده كاتدي شيوه محاسباتي مورد ارزيابي و مقايسه قرار گرفت. تغييرات در ثابت شبكه هگزاسيانوفرات آهن و مس در اثر ورود اولين اتم پتاسيم به ساختار بلوري آن‌ها به ترتيب برابر با 51/3% و 20/0% به دست آمد. شدت تغييرات در ورود اتم‌هاي پتاسيم بعدي كمتر به دست آمد. بررسي ساختار الكتروني اين تركيبات نشان داده كه تركيباتFeHCF،KFeHCF ، CuHCF، KCuHCF و K2CuHCF داراي خاصيت نيمه فلزي هستند؛ درحالي‌كه ساختار K2FeHCF خاصيتي مشابه عايق ديامغناطيس از خود نشان مي‌دهد. سد نفوذ پتاسيم به حفره¬هاي ساختارهاي هگزاسيانوفرات مس و آهن به ترتيب eV 00/ 1 و eV 46/1 به دست آمد. در بخش ديگري از كار محاسباتي صورت گرفته، كارايي گرافن اصلاح‌شده با هگزاسيانوفرات موردبررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد كه بهبود قابل‌توجهي در جذب اتم‌هاي پتاسيم با اصلاح ساختار گرافن با هگزاسيانوفرات حاصل مي‌شود. به‌صورت جزئي‌تر اينكه گرافن آلايش يافته با اتم نيكل كه مجموع 127 اتم كربن و 1 اتم نيكل قابليت جذب تنها 2 اتم پتاسيم قبل از رسيدن به انرژي چسبندگي اتم‌هاي پتاسيم (معادل با eV 47/0-) را دارد. اين در حالي است كه گرافن اصلاح‌شده با هگزاسيانوفرات قابليت جذب بيش از 20 اتم پتاسيم را خواهد داشت. نكته جالب‌تر اينكه پتانسيل شروع جذب در حدود eV 11/1- است كه در گستره انرژي جذب مطلوب قرار مي‌گيرد.

192771

دانشگاه علم و صنعت ايران

شيمي فيزيك

دكتر سيد مرتضي موسوي خوشدل - دكتر محمدصفي رحماني فر