محاسبات كوانتومي ظرفيت گرافن عامل دار شده با هدف كاربرد در ابرخازن هاي الكتروشيميايي

كارشناسي ارشد

در سال¬هاي اخير ابرخازن¬ها كه به عنوان خازن¬هاي الكتروشيميايي نيز از آن¬ها نام برده مي¬شود در حوزه¬ي فناوري¬هاي ذخيره انرژي بسيار مورد توجه قرار گرفته¬اند. با توجه به تحقيقات انجام شده، مواد گرافني براي استفاده در الكترود ابرخازن¬ها بسيار مناسب مي¬باشند. در كنار مزاياي متعدد اين مواد ظرفيت ويژه پايين آن¬ها يك عامل محدود كننده بزرگ در مسير صنعتي شدن مي¬باشد. تحقيقات نشان مي¬دهد كه عامل محدود كننده ظرفيت كل الكترودهاي بر پايه گرافن، ظرفيت كوانتومي پايين اين مواد مي¬باشد. در نتيجه بهبود در ظرفيت كوانتومي اين مواد ظرفيت كل الكترودها را نيز بهبود مي¬بخشد. تحقيق و بررسي ظرفيت كوانتومي با روش¬هاي آزمايشگاهي و محاسبات كوانتومي امكان¬پذير مي¬باشد. اين در حاليست كه بررسي ظرفيت كوانتومي با روش¬هاي آزمايشگاهي بسيار پر هزينه است در حالي كه محاسبات كوانتومي بسيار كم هزينه¬تر و دقيق¬تر مي¬باشند. روش¬هاي محاسباتي همچنين باعث سرعت بخشيدن به تحقيقات و كاهش هزينه كارهاي آزمايشگاهي نيز مي¬شوند. اين امر به دليل قدرت پيش¬بيني خواص تركيبات جديد ايجاد شده در نرم¬افزار امكان¬پذير مي¬باشد. در اين بررسي تلاش كرده¬ايم با استفاده از محاسبات كوانتومي كارايي گرافن عامل¬دار شده با سه گروه عاملي پليمري پلي¬آنيلين، پلي¬پيرول و پلي¬تيوفن در سه حالت تك، دو و سه مونومر را در بخش ظرفيت كوانتومي و توانايي ذخيره بار الكتريكي مورد بررسي قرار دهيم. اين تلاش به منظور طراحي و پيشنهاد مواد جديد بر پايه گرافن به منظور استفاده در الكترود ابرخازن¬ها در نرم¬افزار متريال استوديو و با استفاده از ماژول DMol3 كه بر پايه انجام محاسبات كوانتومي با روش نظريه تابعي چگالي مي¬باشد، انجام شده است . با توجه به محاسبات انجام شده در اين تحقيق با نه حالت مختلف از پليمرهاي نام برده شده با طول زنجيره پليمري متفاوت مي¬توان گفت كه هم نوع پليمرها و هم طول زنجيره پليمري آن¬ها روي ظرفيت كوانتومي گرافن تاثيرگذار است. در مورد پلي¬آنيلين و پلي¬پيرول بهبود ظرفيت كوانتومي در ولتاژهاي پايين بسيار چشمگير بود و همينطور با افزايش طول زنجيره پليمري بهبود بيشتري در ظرفيت كوانتومي مشاهده شد. به طور مثال در پنجره پتانسيل عملكردي الكتروليت آبي اين دو پليمر در بهترين حالت باعث بهبود ظرفيت كوانتومي تا حدود 600 F/g در ولتاژهاي مثبت شدند. اما در مورد پلي¬تيوفن علي¬رغم تاثير مثبت اين پليمر روي ظرفيت كوانتومي، مشاهده شد كه در ولتاژهاي كمتر از 3/0 ولت زنجيره¬هاي پليمري با طول كمتر عملكرد بهتري را در ظرفيت كوانتومي و ذخيره بار الكتريكي نشان مي¬دهند. در بين پليمرهاي مورد بررسي پلي¬پيرول به بالاترين ظرفيت كوانتومي دست پيدا كرد. همينطور مي¬توان گفت هر سه پليمر بيشترين تاثير روي ظرفيت كوانتومي را در ولتاژهاي پايين نشان مي¬دهند و براي استفاده در كنار الكتروليت¬هاي آبي مناسب مي¬باشند. هر سه پليمر مورد بررسي تاثير قابل توجهي روي ظرفيت كوانتومي و توانايي ذخيره¬سازي بار الكتريكي الكترودهاي مبتني بر گرافن از خود نشان دادند و براي عامل¬دار كردن گرافن به منظور استفاده در الكترود ابرخازن¬ها مواد مناسبي به شمار مي¬روند.

209763

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي شيمي - فرايندهاي جداسازي

سوسن روشن ضمير