تأثیر نقص های ساختاری در گرافن عامل دار شده با گروه عاملی –COOH در کارایی ابرخازن پایه گرافنی

نوع مقاله: علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 تهران، دانشگاه علم و صنعت، دانشکده شیمی

2 تهران، دانشگاه شاهد، دانشکده علوم پایه

چکیده

ابرخازن‌ ها وسیله‌ های ذخیره انرژی الکتریکی محسوب می‌ شوند. مواد بر پایه گرافن، مواد امید بخشی برای استفاده در الکترود ابرخازن‌ ها هستند. الکترودهای پایه گرافنی برتری ‌های بسیاری دارند؛ در مقابل، یک محدودیت بزرگ که مانع از کاربردهای گسترده و صنعتی‌شان شده، محدود بودن ظرفیت ویژه آن‌ها است. مشخص شده که عامل محدود کننده در ظرفیت کل الکترودهای بر پایه گرافن ظرفیت کوانتومی این دسته از مواد است. در این پژوهش سعی بر آن بوده تا با استفاده از محاسبه‌ های DFT، کارایی مشتق ‌های گرافن برای استفاده در ابرخازن‌ها ارزیابی شود و راهکارهایی برای بهبود ابرخازن‌های موجود یا طراحی ابرخازن‌های جدید ارایه شود. کارایی الکترود متشکل از نانوصفحه‌های گرافنی عامل‌دار شده با گروه عاملی –COOH  و دارای نقص ‌های ساختاری تک حفره ‌ای (9-5)، دو حفره‌ ای (5-8-5) و استون ـ والز مورد مطالعه قرار گرفت. نتیجه‌ ها نشان داد که استفاده از پیکربندی‌ های ترکیبی از نقص و عامل‌دار شدن با گروه عاملی -COOH، ظرفیت‌ هایی به مراتب بیش ‌تر از هر کدام از پیکربندی‌ هابه تنهایی نشان می‌ دهد. به‌ طور خلاصه باید گفت که با انتخاب هوشمندانه‌ ای از ترکیب نقص ساختاری و عامل‌دار کردن می‌توان ابرخازن‌ هایی نامتقارن و با ظرفیت‌ های بالا را طراحی و تولید کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Liu Y., Qiao Y., Zhang W., Li Z., Ji X., Miao L., Yuan L., Ju X., Huang Y., Sodium Storage in Na-Rich Na x FeFe (CN) 6 Nanocubes, Nano Energy, 12: 386-393 (2015).

[2] دیده­بان، خدیجه؛ اکبری، مینا؛ عادل خانی، هادی؛ مطالعه رفتار کامپوزیت پلی آکریل آمید-روی اکسید به عنوان الکترود در ابرخازن­های الکتروشیمایی، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (2)34 : 41 تا 46 (1394).

[3] Brownson D.A.C., Kampouris D.K., Banks C.E., An Overview of Graphene in Energy Production and Storage Applications, J. Power Sources, 196(11): 4873–4885 (2011).

[4] Kim T., Jung G., Yoo S., Suh K.S., Ruoff R.S., Activated Graphene-Based Carbons as Supercapacitor Electrodes with Macro-and Mesopores, Acs Nano, 7: 6899-6905 (2013).

[5] Paek E., Pak A.J., Kweon K.E., Hwang G.S., On the Origin of the Enhanced Supercapacitor Performance of Nitrogen-Doped Graphene, J. Phys. Chem. C, 117(11): 5610–5616 (2013).

[6] Wood B.C.B., Ogitsu T., Otani M., Biener J., First-Principles-Inspired Design Strategies for Graphene-Based Supercapacitor Electrodes, J. Phys. Chem. C, 118(1): 4-15 (2013).

[7] Zhang L.L., Zhou R., Zhao X.S., Graphene-Based Materials as Supercapacitor Electrodes, J. Mater. Chem., 20(29): 5983-5992 (2010).

[8] Pak A.J., Paek E., Hwang G.S., Tailoring the Performance of Graphene-based Supercapacitors using Topological Defects: A Theoretical Assessment, Carbon N. Y., 68: 734-741 (2014).

[9] Hsieh W., Horng T.-L.A., Huang H.-C., Teng H., Facile Simulation of Carbon with Wide Pore Size Distribution for Electric Double-Layer Capacitance Based on Helmholtz Models, Journal of Materials Chemistry A, 3: 16535-16543 (2015).

[10] Paek E., Pak A.J., Hwang G.S., A Computational Study of the Interfacial Structure and Capacitance of Graphene in [BMIM][PF6] Ionic Liquid, J. Electrochem. Soc., 160(1): A1–A10 (2012).

[11] Stoller M.D., Magnuson C.W., Zhu Y., Murali S., Suk, J.W. Piner R., Ruoff R.S., Interfacial Capacitance of Single Layer Graphene, Energy Environ. Sci., 4, (11): 4685-4689 (2011).

[12] Mousavi-Khoshdel M., Targholi E., Momeni M.J., First-Principles Calculation of Quantum Capacitance of Codoped Graphenes as Supercapacitor Electrodes, The Journal of Physical Chemistry C, 119: 26290-26295 (2015).

[13] Mousavi-Khoshdel S.M., Targholi E., Exploring the Effect of Functionalization of Graphene on the Quantum Capacitance by First Principle Study, Carbon, 89: 148-160 (2015).

[14] Lin Z., Liu Y., Yao Y., Hildreth O.J., Li Z., Moon K., Wong C.P., Superior Capacitance of Functionalized Graphene, The Journal of Physical Chemistry C, 115: 7120-7125 (2011).

[15] Giannozzi P., Baroni S., Bonini N., Calandra M., Car R., Cavazzoni C., Ceresoli D., Chiarotti G.L., Cococcioni M., Dabo I., QUANTUM ESPRESSO: A Modular and Open-Source Software Project for Quantum Simulations of Materials, Journal of physics: Condensed matter, 21(39): 395502 (2009).

[16] Lopez C., "MATLAB Numerical Calculations": Apress, (2015).