عنوان پایان‌نامه
سنتز و مشخصه یابی نانو ساختار هیبیریدی اکسید گرافن / فریت نیکل
- رشته تحصیلی
- نانوفناوری-مهندسی مواد
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: TN 1251;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 72804;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: TN 1251;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 72804
- تاریخ دفاع
- ۰۵ مرداد ۱۳۹۴
- دانشجو
- الهام کمالی حیدری
- استاد راهنما
- ابوالقاسم عطائی, محمود حیدرزاده سهی
- چکیده
- در این پژوهش امکان سنتز نانوساختارهای هیبریدی گرافن فریت نیکل به دو روش هم رسوبی و سالوترمال بررسی شد. برای این منظور ابتدا اکسید گرافن سنتز و سپس نانوکامپوزیت های گرافن-فریت نیکل با افزودن نمک های نیتراتی آهن و نیکل به کلوئید اکسیدگرافن به صورت درجا سنتز شدند. مطالعات XRD نشان داد که در روش هم رسوبی بر خلاف روش سالوترمال، براس حصول ساختار بلورین فریت نیکل، نیاز به عملیات حرارتی است. مطالعات میکروسکوپ الکترونی نیز نشان داد که ذرات فریت نیکل در غیاب گرافن اگلومره هستند و شکل مشخصی ندارند، اما در نانوکامپوزیت ها صرف نظر از روش سنتز، این ذرات با شکل کروی و اندازه nm 10-7 روی صفحات گرافن به خوبی توزیع شده اند. بررسی های XPS نیز نشان داد که اکسید گرافن در حین فرایند هم رسوبی، احیا نشده ولی در روش سالوترمال احیا هم زمان با سنتز فریت نیکل، انجام می شود. مطالعات مغناطیسی روی گرافن و نانوکامپوزیت های سنتز شده به روش سالوترمال نشان داد که اولا گرافن در دمای محیط خاصیت دیامغناطیس دارد. ثانیا نانوکامپوزیت ها رفتار سوپرپارامغناطیس دارند. مطالعات کاربردی به عنوان آند باتری های یون لیتیومی نشان داد که عملکرد نانوکامپوزیت های G-NF در مقایسه با فریت نیکل غیر کامپوزیتی، بهبود قابل توجهی داشته است. در روش هم رسوبی، بهترین عملکرد مربوط به نمونه های عملیات حرارتی شده در دمای °C 300 بود. این نانوکامپوزیت پس از پنجاه سیکل در چگالی جریان A g-1 1/0 ظرفیتی معادل mA h g-1 411 داشت. در روش سالوترمال نمونه (30:70) G-NF سنتز شده در دمای °C 180 و زمان 20 ساعت با ظرفیتی معادل mA h g-1 512 در سیکل پنجاهم بهترین نمونه بود. به منظور بهبود بیشتر عملکرد، از یک لایه پوشش کربن برای حفظ ساختار استفاده شد. نانوکامپوزیت (20:60:20): C/NF/G در سیکل پنجاهم و چگالی جریان مشابه، ظرفیتی معادل mA h g-1 1105 داشت. به علاوه اینکه در چگالی جریان بسیار زیاد A g-1 5/0 و بعد از 200 سیکل همچنان ظرفیتی برابر mA h g-1 1195 قابل دستیابی بود. در آزمایش کاربردی دیگر، تاثیر عوامل فرایند سالوترمال بر عملکرد نانوکامپوزیت های (60:40): G-NF در ابرخازن ها مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که شرایط بهینه فرایند سالوترمال، برای رسیدن به بهترین عملکرد، دمای °C 180 و زمان 10 ساعت است. این نانوکامپوزیت در چگالی جریان A g-1 1 ظرفیتی برابر F g-1 312 داشت و همچنین بعد از 1500 سیکل در چگالی جریان A g-1 10 همچنان با حفظ 85 % از ظرفیت اولیه، ظرفیتی برابر F g-1 105 داشت . کلمات کلیدی: گرافن، فریت نیکل، نانوساختار هیبریدی، هم رسوبی، سالوترمال، باتری یون لیتیوم، ابرخازن
- Abstract
- Abstract: Gaphene-NiFe2O4 (G/NF) nanocomposites were synthesized via different methods of co-precipitation and solvothermal. For this purpose, Graphene oxide (GO) was first prepared by a chemical method, and then G/NF nanocomposites were synthesized by introduction of Ni and Fe nitrate precursors to the GO suspension. XRD studies revealed that in co-precipitation technique, heat treatment is necessary to achieve a crystalline structure, while solvothermal method led to crystalline products. Microscopic studies showed that pure NiFe2O4 particles were agglomerated, while in nanocomposites, spherical, NiFe2O4 nanoparticles were well dispersed on graphene sheets and had a diameter of 7-10 nm. According to XPS studies, GO was not reduced in co-precipitation method, but solvothermal route led to well reduction of GO. Magnetic studies showed that GO had a diamagnetic behavior, while the nanocomposites were superparamagnetic. Performance of G/NF nanocomposites as anode in Li ion batteries and supercapacitors was also studied. In Li ion batteries studies, the results showed that G/NF nanocomposites had a better performance than pure NF. Among the samples prepared by co-precipitation method, the best electrochemical performance, was achieved from G/NF nanocomposite, heat treated at 300¬oC, by delivering a capacity of 411 mAh g-1, after 50 cycles at 0.1 A g-1. In solvothermal method, the best performance was related to G/NF (30:70), synthesized at 180 oC for 20h. This electrode delivered a capacity of 512 mAh g-1 after 50 cycles at 0.1 Ag-1. To further improve the cycleability, a thin layer of carbon was coated on G/NF nanocomposites through a hydrothermal route, resulting in a sandwich-structured G/NF/C anode material that could deliver an excellent capacity of 1105 mAh¬ g-1 at 0.1 A¬g-1 after 50 cycles. This anode showed even more promising cyclic stability by delivering a capacity of 1195 mAh ¬g-1 after 200 cycles, at 0.5 A g-1. In supercapacitor application, the electrochemical measurements showed that solvothermal parameters of 180¬¬oC and 10h, result in best performance. The supercapacitors made from the aforementioned nanocomposite electrodes, showed a high capacity of 321 F g-1 at current density of 1 Ag-1 and a promising cycleability by retaining 85% of its original capacity after 1500 cycles at 10 Ag-1. Keywords: Graphene, Nickel ferrite, Hybrid nanostructure, co-precipitation, solvothermal, Li ion battery, Supercapacitor
