متن کامل پایان نامه مقطع کارشناسی ارشد رشته : مهندسی شیمی

گرایش : تجزیه

عنوان : به کارگیری N-گرافن دوپه شده با نانوذرات پلاتین و نانو کامپوزیت Pt-Fe در سنجش­ های الکتروشیمیایی و تبدیلات انرژی

دانشگاه‌ کردستان

دانشكده علوم پایه

گروه شیمی

پایان نامه كارشناسی‌ ارشد رشته شیمی گرایش تجزیه

عنوان:

به کارگیری N-گرافن دوپه شده با نانوذرات پلاتین و نانو کامپوزیت Pt-Fe در سنجش­های الکتروشیمیایی و تبدیلات انرژی

استاد راهنما:

پروفسورعبدالله سلیمی

استاد مشاور:

دكتر دكتر رحمان حلاج

(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)

تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :

(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

فهرست مطالب:

فصل اول : مقدمه و تئوری

1-1 الکتروشیمی تجزیه……………………………………….. 1

1-1-1 اهمیت و مزایای روشهای الکتروشیمیایی…………… 2

1-2 الکترود………………………………………………………. 4

1-2-1 الکترودهای کربن……………………………………….. 4

1-2-1-1 الکترود کربن شیشه ­ای…………………………….. 5

1-2-1-2 الکترودهای فیبرکربنی………………………………. 6

1-2-1-3 الکترودهای خمیرکربن………………………………. 6

1-2-2 فعال­سازی سطح الکترود و انواع آن…………………… 7

1-2-2-1 پولیش دادن………………………………………….. 7

1-2-2-2 فعال­سازی حرارتی…………………………………… 7

1-2-2-3 فعال­سازی لیزری…………………………………….. 8

1-2-2-4 فعال­سازی با امواج صوتی- رادیویی……………….. 7

1-2-2-5 فعال­سازی با حلال…………………………………… 8

1-3 الکترودهای اصلاح­شده…………………………………… 8

1-3-1الكترودهای اصلاح­شده شیمیایی(CME) ……………..8

1-3-2 تهیه الکترودهای اصلاح شده…………………………. 10

1-3-3 انواع روش­های شیمیایی اصلاح سطح الکترودها ……10

1-3-3-1اصلاح الکترود توسط ترکیبات نانوساختار …………..10

1-3-3-2 اصلاح الکترودها توسط تک لایه­ های خود انباشته…10

1-3-3-3 اصلاح سطح الکترودها توسط روش سل- ژل……… 12

1-3-3-4 اصلاح الکترودها توسط مواد پلیمری……………….. 12

1-4 فناوری نانو…………………………………………………. 14

1-5 نانوساختارها………………………………………………. 14

1-5-1 نانوذرات………………………………………………….. 14

1-5-2 عملکرد نانوذرات در الکتروشیمی…………………….. 15

1-5-2-1 تثبیت زیستمولکول ها در سطح الکترود………….. 16

1-5-2-2 کاتالیز واکنش­های الکتروشیمیایی…………………. 16

1-5-2-3 تسریع انتقال الکترون……………………………….. 16

1-5-2-4 نشانه‌گذاری زیست­مولکول­ها …………………………16

1-5-2-5 نانوذرات به عنوان واکنش­گر عمل می­کنند…………. 16

1-5-3 سیستم دوفلزی-آلیاژی نانوذرات……………………. 18

1-6 حسگرها………………………………………………….. 19

1-6-1 حسگرهای الکتروشیمیایی………………………….. 20

1-6-2 خصوصیات حسگرها …………………………………..21

1-7 گرافن………………………………………………………. 21

1-7-1 گرافن تقویت شده ……………………………………..23

1-8 پلاتین……………………………………………………… 23

1-8-1الکتروکاتالیست آلیاژی پلاتین…………………………. 24

1-9 پیل سوختی………………………………………………. 25

1-9-1 مزایای پیل سوختی…………………………………… 27

1-9-2 انواع پیل های سوختی……………………………….. 27

1-9-3 غشاهای تبادل پروتون بری کاربرد در پیل سوختی…..29

1-10 اهداف پروژه حاضر……………………………………….. 31

فصل دوم: مواد و تجهیزات مورد استفاده، سنتز و شناسایی نانوکامپوزیت­ها و جزئیات روش­ها وآزمایش­های انجام شده

2-1 مواد شیمیایی مورد استفاده……………………………. 33

2-2- دستگاه­های مورد استفاده……………………………… 34

2-3- سنتز Pt/N-Gr…………………………………………….

2-4- روش تهیه الکترودهای کربن شیشه­ای اصلاح­شده با گرافن دوپه­شده با نیتروژن و پلاتین (Pt/N-Gr)…36

2-4-1- آماده سازی الکترود…………………………………… 36

2-4-2- اصلاح الکترود GC با گرافن……………………………. 36

2-5- سنتزنانوذرات دوتایی Pt-Fe……………………………..

2-5-1 اصلاح الکترود GC بانانوذرات Pt-Fe…………………….

فصل سوم: بحث و نتیجه گیری

3-1 بررسی رفتار الكتروشیمیایی هیدرازین روی الکترود کربن شیشه­ا­ی اصلاح­شده با گرافن دوپه­شده با نیتروژن و پلاتین….40

3-1-1-مقدمه………………………………………………….. 40

 3-1-2 بهبود پاسخ الکترود کربن شیشه­ای توسط اصلاح با نانو کامپوزیت Pt/N-Gr…….

3-1-3 بررسی اثر غلظت هیدرازین در رفتار الکتروکاتالیزوری الکترود اصلاح­شده با نانوکامپوزیت Pt/N-Gr……..

3-1-4  محاسبه حدتشخیص، حساسیت، و محدوده خطی الکترد اصلاح­شده با بهره گرفتن ازروش آمپرومتری….43

3-1-5 بررسی میزان پایداری پاسخ الکتروکاتالیزوری الکترود GC-Pt/N-Gr برای اکسیداسیون هیدرازین…….46

3-1-6 بررسی اثر سرعت روبش پتانسیل………………. 47

3-1-7 بررسی انتخاب­پذیری الکترود اصلاح­شده………….. 48

3-1-8 کاربرد تجزیه­ای الکترود………………………………. 49

3-1-9 نتیجه ­گیری…………………………………………… 52

 بخش دوم: طراحی پیل زیست سوختی گلوکز/اکسیژن…53

3-2-1 اکسیداسیون الکتروشیمیایی گلوکز با بهره گرفتن از الکترود کربن شیشه­ای اصلاح­شده با نانوذراتFe-Pt

3-2-2 به کارگیری نانوکامپوزیت Pt/N-Gr برای احیای اکسیژن….53

3-2-3 به کارگیری الکترود کربن شیشه­ای اصلاح­شده با نانوذرات Fe-Pt به عنوان آند پیل زیستی سوختی…54

3-2-3-1 بهبود پاسخ الکترود کربن شیشه­ای اصلاح با نانو ذرات  Fe-Pt نسبت به الکترود کربن شیشه­ای اصلاح­شده با کربن-پلاتین تجاری برای اکسیداسیون گلوکز…………………54

3-2-3-2 بررسی اثر غلظت گلوکز در رفتار الکتروکاتالیزوری الکترود اصلاح­شده با نانو ذراتFe-P……

3-2-3-3 محاسبه سطح فعال آند (الکترود کربن شیشه­ای اصلاح­شده با نانوذرات Fe-Pt)….56

3-2-3-4 بررسی پایداری الکترود اصلاح­شده با نانوذرات Fe-Pt…….

3-2-3-5 بررسی اثر مزاحمت اکسیژن برای اندازه­ گیری گلوکز در آند……58

3-2-4 به­کارگیری الکترود کربن شیشه­ای اصلاح­شده با/N-Gr  Pt به عنوان کاتد پیل  زیست­ سوختی…..58

3-2-4-1 بهبود پاسخ الکترود کربن شیشه­ای اصلاح­شده با نانو کامپوزیت  Pt/N-Gr نسبت به الکترود کربن شیشه­ای اصلاح­شده با کربن-پلاتین تجاری برای احیای اکسیژن………58

3-2-4-2 محاسبه سطح فعال کاتد (الکترود کربن شیشه­ای اصلاح­شده با Pt/N-Gr)…..60

3-2-4-3 بررسی مکانیسم احیای الکتروکاتالیزوری اکسیژن به روش ولتامتری هیدرودینامیک….61

3-2-4-4 بررسی پایداری الکترود اصلاح­شده با Pt/N-Gr………….

3-2-5کاربرد آند و کاتد طراحی شده جهت ساخت پیل زیست­سوختی گلوکز/ اکسیژن…..63

3-2-5-2 آماده سازی غشای نافیونی……………………….. 64

3-2-5-3 نتایج حاصل از بستن پیل گلوکز/ اکسیژن……….. 64

3-2-5-4 نتیجه­ گیری……………………………………………67

چکیده:

از میان روش­های متنوعی که برای تعیین کمی آنالیت­ها توسعه داده شده­اند روش­های الکتروشیمیایی به دلیل سادگی و حساسیت بالا دارای کاربردهای بسیار زیادی هستند اما اغلب واکنش اکسیداسیون و احیای مستقیم آنالیت در سطح الکترود معمولی، برگشت­ناپذیر بوده و نیاز به اضافه ولتاژ بالایی دارند. نانومواد به عنوان گزینه­های بسیار عالی برای اصلاح الکترودها معرفی شده­اند، بنابراین در این کار نانوکامپوزیت­های جدیدی ساخته شد و از آن­ها برای ساخت حسگرهای الکتروشیمیایی استفاده شد.

در قسمت اول کار برای اولین بار الکترود اصلاح­شده با نانو کامپوزیت Pt/N-Gr به طور موفقیت آمیز برای اندازه­گیری هیدرازین در پتانسیل­های کاهش یافته بکار گرفته شد. الکترود کربن شیشه­ای اصلاح­شده با    Pt/N-Gr فعالیت الکتروکاتالیزوری بسیار خوبی نسبت به اکسیداسیون هیدرازین در اضافه پتانسیل کاهش یافته نشان می­دهد(4/0- ولت نسبت به الکترود مرجع Ag/AgCl در محلول بافر فسفات با pH 9 ).  فعالیت الکتروکاتالیزی الکترود اصلاح­شده در برابر هیدرازین به وسیله ولتامتری چرخه­ای ارزیابی شد. برای دستیابی به بهترین پارامترهای کاتالیتیکی مانند حد تشخیص و گستره دینامیک خطی تکنیک آمپرومتری هیدرودینامیک مورد استفاده قرار گرفت و گستره­ی دینامیکی 1/0 تا 555 میکرومولار با حدتشخیص 66 نانومولار و حساسیت694/0 برای هیدرازین در الکترود اصلاح­شده با نانوکامپوزیت Pt/N-Gr به­دست آمد. سپس، انتخاب­پذیری الکترود اصلاح­شده، در حضور گونه­های خارجی مختلف موجود در محلول آنالیت، آزمایش شد. نتایجِ حاصل، نشان دهنده­ی انتخاب­پذیری قابل قبول برای این الکترود می­باشد. در ضمن از آن­جا که هیدرازین یکی از سوخت­های بکار رفته در طراحی پیل­های سوختی است، این الکترود می­تواند به عنوان آند در پیل­های سوختی بکار گرفته شود. در نهایت، کاربرد موفقیت­آمیز الکترود در نمونه حقیقی (آب بویلر) مورد بررسی قرار گرفت و صحت قابل قبولی به­دست آمد.

در قسمت دوم این پروژه، از الکتروکاتالیست نانوذرات آلیاژی Fe-Pt استفاده شد که قابلیت کاتالیزوری آن برای اکسیداسیون گلوکز در محلول بافر فسفات با 7=pH بسیار زیاد است و به طور قابل توجهی شدت جریان اکسیداسیون را افزایش داد.

الکترود کربن شیشه­ای اصلاح­شده باPt/N-Gr  فعالیت الکتروکاتالیزوری خوبی برای احیای اکسیژن نشان داد. بنابراین پیل زیستی گلوکز/اکسیژن را با بکارگیری الکترود کربن شیشه­ای اصلاح­شده با نانوکامپوزیت  Pt/N-Gr  به عنوان کاتد و الکترود کربن شیشه­ای اصلاح­شده با نانوذرات آلیاژی  Fe-Pt به عنوان آند طراحی شد.

پتانسیل پیل فوق mV700 ، دانسیته جریان mA.cm-2 31/0و توان خروجیmW.cm-2  85 به دست آمد.

فصل اول: مقدمه و تئوری

1-1- الکتروشیمی تجزیه

الکتروشیمی تجزیه­ای، شاخه­ای از مجموعه وسیع شیمی تجزیه است که راه­های تجزیه­ای مبتنی بر فرآیندهای الکتروشیمیایی را مورد بررسی قرار می­دهد. برگزیدگی واکنش­های الکتروشیمیایی و دقت بالایی که با آن می­توان پارامترهای مرتبط با این واکنش­ها را اندازه گرفت، روش­های الکتروشیمیایی تجزیه را در ردیف حساس­ترین و انتخابی­ترین روش­های تجزیه­ای تشخیص و تعیین مقدار قرار می­دهد.

یکی از ویژگی­های کم­نظیر روش­های الکتروشیمیایی تجزیه­ای، گسترش دامنه کارایی آن­هاست، به طوریکه علاوه بر امکان کاربرد آن­ها به صورت روش­های مستقل، می­توان از آن­ها برای آشکارسازی نتایج بسیاری از پدیده­های فیزیکی و شیمیایی استفاده کرد. در حال حاضر، محدوده الکتروشیمی تجزیه از معدود روش­های کلاسیک نظیر پتانسیومتری، آمپرومتری، پلاروگرافی، هدایت­سنجی و ترسیب الکتریکی فراتر رفته و روش­های جدیدتری که ثمره تلفیق اطلاعات الکتروشیمیایی با تکنولوژی مدرن الکترونیک است، به میان آمده­اند [1]. از نظر تاریخی کار در زمینه ولتامتری با کشف پلاروگرافی توسط شیمیدان اهل چک­اسلواکی، ژروسلاو هیروسکی [1] در اوایل دهه 1920 آغاز شد. وی با انجام ولتامتری تجزیه­ای درسطح الکترود جیوه)پلاروگرافی) در این زمینه جایزه نوبل را دریافت کرد [2].  در سال 1964 طبقه­بندی جالبی توسط نیکولسن[2] و شاین[3] با بهره گرفتن از نتایج حاصل از ولتامتری چرخه­ای[4] ( (CVو روبش خطی[5] (LSV) روی واکنش­های الکترودی صورت گرفت، به علاوه آن­ها ولتامتری چرخه­ای را شبیه­سازی[6] کردند[3]. در سال1950 ولتامتری به صورت یک روش کاملا پیشرفته به نظر می­آمد. به هر حال دهه­ی 1955 تا 1965 شاهد بروز چندین روش اصلاحی اساسی از روش اولیه بود که به کمک آن­ها بر بسیاری از محدودیت­های روش­های اولیه غلبه شد. تقویت­کننده­های عملیاتی با قیمت کم، ابداع دستگاه­های تجاری نسبتا ارزان را ممکن ساخت، که از این اصلاحات مهم بهره می­گرفتند.

1-1-1- اهمیت و مزایای روش­ های الکتروشیمیایی

روش­های الکتروشیمیایی در مقایسه با روش­های شیمیایی دارای مزیت­های ویژه­ای هستند که در زیر برخی از این مزایا بیان شده است:

1. یک روش الکتروشیمیایی می­تواند انتخابی باشد، در انجام فرآیند الکترولیز با اعمال یک مقدار پتانسیل معین به الکترود مورد نظر می­توان واکنش اکسیداسیون و احیا را تا مرحله­ی مورد نظر پیش برد. این در حالی است که در واکنش­های شیمیایی، یافتن یک اکسیدکننده و یا­کاهنده خاصی که دارای نقش انتخابی باشد و بتواند واکنش اکسیداسیون و احیا را تا مرحله­ی خاصی پیش ببرد مشکل است. به عنوان مثال با اعمال ﭘﺘﺎﻧﺴﯿﻞ 52/0 =‪ در محیط اسیدی و در سطح الکترود جیوه می­توان نیتروبنزن را به فنیل هیدروکسیل آمین تبدیل کرد.  .

حال آنکه اگر کاهش نیتروبنزن به طریق شیمیایی عملی شود، محصول واکنش آنیلین می­باشد.

  1. محصولات واکنش­های الکتروشیمیایی اغلب خالص­ترند و بنابراین نیاز کمتری به انجام مراحل خالص­سازی دارند.
  2. انتخاب یک محیط مناسب برای انجام الکترولیز خیلی آسان­تر از روش­های شیمیایی است. به دلیل این­که با بهره گرفتن از اکسید کننده­ها و یا کاهنده­ها به عنوان معرف در روش­های شیمیایی مسئله انحلال این مواد در محیط نیز مطرح می­شود.
  3. از نظر زیست محیطی، واکنش­های الکتروشیمیایی تحت شرایط ملایم نظیر دمای اتاق و فشار اتمسفر با بهره گرفتن از جریان الکتریکی انجام می­شوند.

در مقایسه با روش­های طیف­سنجی، دستگاه­های مورد استفاده در الکتروشیمی ارزان­تر هستند. یک آنالیز طیف­سنجی تنها در مورد ملکول­هایی می­تواند انجام شود که دارای گروه­های رنگ­ساز باشند، در غیر این صورت باید مراحل زمان­بر و پیچیده مشتق­سازی آنالیت را طی کرد. برخلاف روش­های طیف­سنجی که اغلب در محلول­های همگن انجام می­شود، واکنش­های الکتروشیمیایی در حد فاصل الکترود-محلول انجام می­شوند. در اغلب روش­های طیف­سنجی نیاز به تهیه محلول­های شفاف و همگن است درحالی که روش­های الکتروشیمیایی در محلول­های کدر نیز قابل اجرا هستند.

روش­های الکتروشیمی تجزیه­ای، تاثیر متقابل شیمی و الکتریسیته، یعنی اندازه­گیری کمیت­های الکتریکی مانند پتانسیل، جریان، بار و ارتباط آن­ها را با پارامترهای شیمیایی شامل می­شوند. چنین استفاده­ای از اندازه­گیری­های الکتریکی برای اهداف تجزیه­ای، گستره وسیعی از کاربرد­ها را به وجود می­آورد که بررسی­های زیست­محیطی، کنترل کیفیت صنعتی و تجزیه­های زیست پزشکی را در بر می­گیرد.

در دهه­ های اخیر روش­های الكتروشیمیایی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. این روش­ها در شیمی تجزیه كاربرد­های فراوانی دارند از جمله:

1- تعیین مقادیر ناچیز مواد زیست­محیطی

2- جداسازی و خالص­سازی تركیبات

3- تعیین ثابت­های سینتیكی و ترمودینامیكی

الکترود به عنوان واسطه انتقال الکترون در واکنش­های الکتروشیمیایی ایفای نقش می­کند. موفقیت یک حسگر الکتروشیمیایی، به انتخاب مناسب الکترودها بستگی دارد. یک الکترود ایده­ال بایستی دارای ویژگی­هایی هم­چون پایداری مکانیکی، غیرفعال بودن شیمیایی، محدوده­ی وسیع پتانسیل کاری و سطح تکرار­پذیر باشد.

استفاده از الکترودهای جامد بدون اصلاحگر[1] به تدریج باعث تغییراتی در سطح الکترود به علت جذب گونه­های موجود در محلول و یا محصولات تولید شده از واکنش­های الکتروشیمیایی می­گردد. این امر به تدریج موجب غیر فعال شدن سطح الکترود می­شود که آن نیز به نوبه خود منجر به کاهش حساسیت و تکرارپذیری به علت ممانعت از انتقال بار می­گردد. یکی از راه­های فایق آمدن بر مشکلات مذکور استفاده از الکترودهای اصلاح­شده می­باشد.

[1] Modifier

1Herovsky

[2] Nicholson

[3] Shain

[4] Cyclic voltametry

[5] Linear sweep voltametry

[6] Simulation

تعداد صفحه : 96

قیمت :14700 تومان

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می شود.

پشتیبانی سایت :        *       asa.goharii@gmail.com

در صورتی که مشکلی با پرداخت آنلاین دارید می توانید مبلغ مورد نظر برای هر فایل را کارت به کارت کرده و فایل درخواستی و اطلاعات واریز را به ایمیل ما ارسال کنید تا فایل را از طریق ایمیل دریافت کنید.