عنوان
تأثير ساختار و هم‌پوشاني لايه دوگانه‌الكتريكي بر واكنش‌هاي سطحي سيليكا و واكنش‌هاي الكتروشيميايي در الكترودهاي عامل‌دارشده: كاربرد نظريه تابعي چگالي در نانوحفرات كروي
نويسنده اصلي
دهقان صفي‌آباد، فاطمه
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
رشته تحصيلي
شيمي
مقطع تحصيلي
دكتري
چكيده
پديده‌ي جذب سطحي يكي از فرآيند‌هاي مهم در علم شيمي و در صنعت جداسازي است كه در زمينه‌هاي مختلف ازجمله فرايندهاي فيلتراسيون و حذف آلاينده‌هاي آب، توليد و ذخيره انرژي، پزشكي و دارورساني كاربرد دارد. جذب سطحي يون‌ها در سطح مواد آمفوتريك، به تنظيم بار سطحي مي‌انجامد. بخش نخست اين رساله به تنظيم بار سطحي مواد آمفوتريك و به‌طور خاص در سطح نانوحفره‌هاي سيليكا اختصاص داده شده است. در بخش دوم اين رساله واكنش‌هاي الكتروشيميايي در سطح الكترود متخلخل با نانوحفره‌هاي پوسته- هسته بررسي شده‌اندكه نقشي كليدي در ذخيره‌سازي بار در شبه‌خازن‌ها دارند. توزيع چگالي يون‌ها و در نهايت بررسي ميزان واكنش‌هاي شيميايي در سطح سيليكا و الكتروشيميايي در سطح الكترود از نظريه‌ي تابعي چگالي در سه قالب مدل محدودشده اوليه(RPM)، مدل اوليه(PM) و مدل محدودشده اوليه حلال(SRPM) بررسي شده است.
در بررسي RPM، بار سطحي نانوحفره‌هاي كروي سيليكاي غوطه‌ور در الكتروليت آبي از تركيب نظريه‌ي مقادير بنيادين اصلاح‌شده و مدل پيشنهادي براي توصيف واكنش‌هاي سطحي استفاده شده است. چگالي بار سطحي قابل تنظيم براي حفره‌هاي كروي سيليكا به عنوان تابعي از غلظت، pH و اندازه حفره‌ها پيش‌بيني شده است. مشاهدات اين تحقيق حاكي از آن است كه با افزايش غلظت و pH، چگالي بار سطحي افزايش مي‌يابد. در مطالعه‌ي تأثير اندازه ي حفره‌ها مشاهده شد كه در قدرت يوني‌هاي كم، با افزايش اندازه‌ي حفره مقدار مطلق چگالي بار سطحي ابتدا كاهش مي‌يابد و بعد از رسيدن به يك كمينه، روند افزايشي را نشان مي‌دهد. در قدرت يوني‌هاي بالا، مقدار مطلق چگالي بار سطحي با افزايش اندازه‌ي حفره، افزايش مي‌يابد. همچنين در اين بخش ميزان بار سطحي سيليكا به واسطه‌ي هم‌پوشاني لايه‌هاي دوگانه الكتريكي (EDL)، افت پتانسيل در ناحيه اشترن و انحراف از اصل خنثي بودن بارهاي الكتريكي تفسير شده است. يافته‌ها حاكي از اين هستند كه ساختار EDL تشكيل‌شده درون حفره‌ي كروي، لايه‌ي نفوذ، مي‌تواند نتيجه‌ي هم‌پوشاني EDLها در نظر گرفته شود. به‌طوري كه ميزان هم‌پوشاني به غلظت و اندازه‌ي حفره و همچنين نوع الكتروليت بستگي دارد. نتايج نشان‌دهنده‌ي اين هستند كه پهناي لايه نفوذ با كاهش غلظت و افزايش انحنا، افزايش مي‌يابد كه خود منجر به كاهش چگالي بار سطحي مي‌شود. كاهش غلظت و افزايش انحناي سطح حفره‌ها، مي‌تواند منجر به انحراف بيشتر از اصل خنثي‌بودن بارهاي الكتريكي شده و در نتيجه كاهش بار سطحي شود. در اين رساله همچنين نشان داده‌ايم كه افت پتانسيل قابل‌توجه در ناحيه اشترن باعث تشكيل لايه نفوذ فشرده‌ي يوني با پهناي كم مي‌شود كه در نهايت منجر به افزايش چگالي بار سطحي مي‌شود. با توجه به مقايسه انجام‌شده بين دو مدل RPM و SRPM، مشاهدات نشان مي‌دهند كه در غلظت‌هاي كم وpHهاي بازي محلول، چگالي بار سطحي نانوحفره‌هاي كروي سيليكا در مدل SRPM بيشتر از مدل RPM است. بخش دوم اين رساله، به بررسي ذخيره بار در سطح الكترودهاي متخلخل شبه‌خازن حاوي نانوحفره‌هاي كروي هسته- پوسته بر اساس دو مدل محدودشده اوليه و مدل اوليه پرداخته شده است.نتايج مطالعات انجام‌شده نشان مي‌دهد كه ظرفيت شبه‌خازن در نانوحفره‌هاي كروي هسته- پوسته با افزايش غلظت، چگالي گروه‌هاي عاملي، كاهش هم‌پوشاني لايه دوگانه الكتريكي، افزايش مي‌يابد. نكته‌ي قابل توجه ديگر از يافته‌هاي اين رساله حاكي از آن است كه ظرفيت فارادي براي نانوحفره‌هاي كروي هسته- پوسته در الكترود، كه شامل هر دو سطح محدب و مقعر هستند بيشتر از ظرفيت پوسته و هسته‌هاي كروي به‌تنهايي است. در بررسي تأثير اندازه‌ي حفره بر ظرفيت فارادي در غلظت‌هاي 1 مولار از الكتروليت اسيدي، نتايج نشان مي‌دهد كه حفره‌هاي كروي هسته- پوسته‌اي كه در آنها دو لايه يون به‌صورت متراكم قرار بگيرد، ظرفيت بالاتري را نشان مي‌دهد. تأثير باردار و بدون بار بودن هسته‌ي كروي در نانوحفره‌ي هسته- پوسته نيز مورد مطالعه قرار گرفت و مشخص شد كه ظرفيت در نانوحفره‌ي هسته- پوسته با هسته‌ي باردار بيشتر است. نتايج بررسي اندازه‌ي يون‌ها بر ظرفيت در شبه‌خازن‌ها نشان داد كه براي نانوحفره‌ي با اندازه‌ي مشخص، انتخاب الكتروليتي با اندازه‌ي يوني كوچكتر، ظرفيت بالاتري را نشان مي‌دهد. در نهايت مقايسه‌ي ظرفيت كل براي شبه‌خازن‌ها در دو مدل محدودشده اوليه و مدل اوليه، نشان داد كه با در نظر گرفتن اندازه‌ي كاتيون‌هاي برابر وآنيون‌هاي متفاوت براي الكتروليت اسيدي، ظرفيت در شاخه‌ي منفي پتانسيل الكتريكي بدون تغيير است در‌صورتي كه در شاخه‌ي مثبت، ظرفيت براي مدل محدودشده اوليه به دليل ظرفيت EDLبيشتر، افزايش مي‌يابد.
شماره ركورد
233264
گرايش رشته تحصيلي
شيمي فيزيك
دانشكده
شيمي
دانشگاه
دانشگاه صنعتي اصفهان