مطالعه ی قابلیت نانوساختارهای بر پایه ی گرافن به عنوان باتری های یون سدیم

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

گروه شیمی، دانشکده علوم، دانشگاه زابل، زابل، ایران

چکیده

در این پژوهش، نانو­­ساختارهای بر پایه­ی گرافن با روش­ های شیمی کوانتمی محاسباتی شبیه­ سازی شده و برهم کن ­های جداگانه یون­ های ایزوالکترونیک سدیم و فلورید با وجه­های درونی و بیرونی آن­ ها مطالعه شد. همچنین، برهمکنش­ های هم زمان این یون ­ها با وجه­ های درونی و بیرونی نانو­ساختار­ها با دو مدل بررسی شد. در مدل اول،یون فلورید با وجه بیرونی و یون سدیم با وجه درونی نانو­ساختار­ها به ­طور همزمان برهمکنش می ­دهد و در مدل دوم، موقعیّت­ های یون­ ها تعویض شده تا اثر آن بر انرژی­ های اتّصال کمپلکس ­های سه­ تایی مربوطه مطالعه شود. نتیجه ­ها مشخّص نمود که انرژی­های اتّصال در مدل اول نسبت به مدل دوم به طور میانگین به میزان 90/1 کیلو کالری بر مول بیش ­تر است. همچنین، کاهش  استقرار نیافتگی الکترونی/ افزایش استقرار نیافتگی الکترونی در حلقه ­ی مرکزی نانو­ساختارها برای برهمکنش یون­ ها با وجه بیرونی آن­ ها در مدل اول/مدل دوم دلخواه­ تر است. نتیجه­ ها پیشنهاد می­ کند که نانو­­ساختار­های بر پایه­ ی گرافن به دلیل داشتن ویژگی­ های یگانه ساختاری و الکترونی بسترهای خوبی برای برهم کنش ­های یون ­ها هستند و می ­توانند به عنوان باتری­های یون سدیم در نظر گرفته شوند. همچنین، افزایش انحنای نانو­ساختار­ها منجر به عامل­دار شدن بهتر وجه های بیرونی آن­ها با یون­ های با بار منفی می ­شود و می­ توان با تغییر دادن چگالی­ های ابر الکترونی دیواره آن­ها عملکرد­شان را به عنوان باتری­ های یونی بهینه نمود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

مراجع

[1] Geim A. K., Graphene: Status and Prospects, Science, 324: 1530–1534 (2009).
[2] De Volder  M. F. L., Tawfick  S. H., Baughman  R. H., Hart  A. J.; Carbon Nanotubes: Present and Future Commercial Applications, Science, 339: 535–539 (2013).
[3] Karousis N., Suarez-Martinez I., Ewels C.P., Tagmatarchis N., Structure, Properties, Functionalization, and Applications of Carbon Nanohorns, Chemical Review.(CR), 116: 4850–4883 (2016).
[4] Liu J., Ohta S.I., Sonoda A., Yamadaa M., Yamamotoa M., Nittab N., Muratab K., Tabataa Y., Preparation of PEG-Conjugated Fullerene Containing Gd3+Ions for Photodynamic Therapy, Journal of Control Release.(JCR), 117: 104–110 (2007).
[5] Prato M., Kostarelos K., Bianco A., Functionalized Carbon Nanotubes in Drug Design and Discovery, Accounts of Chemical Research.(ACR), 41: 60–68 (2008).
[6] Murakami T., Sawada H., Tamura G., Yudasaka M., Iijima S., Tsuchida K., Water-Dispersed Single-Wall Carbon Nanohorns as Drug Carriers for Local Cancer Chemotherapy, Nanomedicine, 3: 453–463 (2008).
[7] Langereis S., de Lussanet Q.G., van Genderen M.H.P., Backes W.H., Meijer E.W., Multivalent Contrast Agents Based on Gadolinium−Diethylenetriaminepentaacetic Acid-Terminated Poly(propylene imine) Dendrimers for Magnetic Resonance Imaging, Macromolecule, 37: 3084–3091 (2004).
[8] Gan Y., Sun L., Banhart F., One‐ and Two‐Dimensional Diffusion of Metal Atoms in Graphene, Small, 4: 587–591 (2008).
[9] اسلامی، بهنام؛ احسانی نمین، پروین؛ قاسمی، اسماعیل؛ عزیزی، حامد؛ کرابی، محمد؛ بررسی جذب یون کادمیم ازمحلول آبی با استفاده از نانوکامپوزیت بر پایه کیتوسان/ نانو صفحه­های گرافن اصالح شده با تری اتیل آمین، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (3) 36: 115 تا 125 (1396).
[10] Krasheninnikov A.V., Lehtinen P.O., Foster A.S., Pyykkö P., Nieminen R.M,. Embedding Transition-Metal Atoms in Graphene: Structure, Bonding, and Magnetism, Physical Review Letters. (PRL), 102: Article No. 126807 (2009).
[11] Abe S., Watari  F., Takada  T., Tachikawa  H., A DFT and MD Study on the Interaction of Carbon Nano-Materials with Metal Ions, Molecular Crystals and Liquid Crystals.(MCLC), 505: 51–58 (2009).
[12] Marquez, A., Molecular Dynamics Studies of Combined Carbon/Electrolyte/Lithium-Metal Oxide Interfaces, Materials Chemistry and Physics (MCP), 104: 199–209 (2007).
[13] Wang G.; Shen X.P.; Yao J., Park J., Graphene Nanosheets for Enhanced Lithium Storage in Lithium Ion Batteries, Carbon, 47: 2049–2053 (2009).
[14] Chan Y., Hill J.M., Modelling Interaction of Atoms and Ions with Graphene, Micro & Nano Letters.(MNL), 5: 247–250 (2010).
[15] Mohammadzadeh L., Quaino P., Schmickler W., Interactions of Anions and Cations in Carbon Nanotubes, Faraday Discuss.(FD), 193: 415-426 (2016).
[16] Pham T.A., Golam Mortuza S. M., Wood B.C., Lau E.Y., Ogitsu T., Buchsbaum S.F., Siwy Z. S., Fornasiero F., Schwegler E., Salt Solutions in Carbon Nanotubes: The Role of Cation−π Interactions, Journal of Physical Chemistry C. (JPCC), 120: 7332–7338 (2016).
[17] Williams C.D.; Dix J., Troisi A., Carbone P., Effective Polarization in Pairwise Potentials at the Graphene–Electrolyte Interface, Journal of Physical Chemistry Letters.(JPCL), 8: 703–708 (2017).
[18] Radovic I., BIibic N., Miskovic Z.L., Interactions of Ions with Graphene, Publications - Astronomical Observatory of Belgrade.(PAOB), 89: 85-85 (2010).
[19] Cai X., Lai L., Shen Z., Lin J., Graphene and Graphene-Based Composites as Li-Ion Battery Electrode Materials and Their Application in Full Cells, Journal of Materials Chemistry A.(JMCA), 5:15423-15446 (2017).
[20] Lian P., Zhu X., Liang S., Li Z., Yang W., Wang H., Large Reversible Capacity of High Quality Graphene Sheets as an Anode Material for Lithium-Ion Batteries, Electrochim. Acta. (EA), 55: 3909–3914 (2010).
[21] Wu Z.S., Ren W., Xu L., Cheng H. M., Doped Graphene Sheets as Anode Materials with Superhigh Rate and Large Capacity for Lithium Ion Batteries, ACS Nano.(ACSN), 5: 5463–5471 (2011).
[22] Hassoun J., Bonaccorso F., Agostini M., Angelucci M., Betti M.G., Cingolani R., Gemmi M., Mariani C., Panero S., Pellegrini V., Scrosati B., An Advanced Lithium-Ion Battery Based
on a Graphene Anode and a Lithium Iron Phosphate Cathode, Nano Letters.(NL), 14: 4901–4906 (2014).
[23] Wu S., Ge R., Lu M., Xu R., Zhang Z., Graphene-Based Nano-Materials for Lithium–Sulfur Battery and Sodium-Ion Battery, Nano Energy.(NE), 15: 379–405 (2015).
[24] Cheng Q., Okamoto Y., Tamura N., Tsuji M., Maruyama S., Matsuo Y., Graphene-Like-Graphite as Fast-Chargeable and High-Capacity Anode Materials for Lithium Ion Batteries, Scientific Reports.(SR), 41598: 14504-8 (2017).
[25] Huang L., Cheng J., Li X., Wang B., Electrode Nanomaterials for Room Temperature Sodium-Ion Batteries: A Review, Journal of Nanoscience and Nanotechnology.(JNN), 15: 6295-6307 (2015).
 [26] Hwang J., Myung S., Sun Y., Sodium-Ion Batteries: Present and Future, Chemical Society Reviews.(CSR), 46: 3529-3614 (2017).
[27] Nishi  M., Ohkubo T., Yamasaki M., Takagia H., Kuroda Y., Surplus Adsorption of Bromide Ion into π-Conjugated Carbon Nanospaces Assisted by Proton Coadsorption, Journal of Colloid and Interface Science.(JCIS), 508: 415-418 (2017).
[28] Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A.,  Cheeseman J.R.,  Scalmani G.,  Barone V., Mennucci B., Petersson G.A., Nakatsuji H., Caricato M., Li X.,  Hratchian H.P., Izmaylov A.F.,  Bloino J.,  Zheng G., Sonnenberg J.L., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Vreven T., Montgomery J.A., Peralta J.J.E., Ogliaro F., Bearpark M., Heyd J.J., Brothers E., Kudin K.N., Staroverov V. N., Kobayashi R., Normand J., Raghavachari K.,  Rendell A.,  Burant J.C.,  Iyengar S.S., Tomasi J.,  Cossi M.,  Rega N.,  Millam J.M.,  Klene M., Knox J.E., Cross J.B., Bakken V., Adamo C., Jaramillo J., Gomperts R.,  Stratmann R.E.,  Yazyev O.,  Austin A.J., Cammi R.,  Pomelli C.,  Ochterski J.W.,  Martin R.L., Morokuma K., Zakrzewski V.G., Voth G.A., Salvador P., Dannenberg J.J., Dapprich S., Daniels A.D., Farkas O., Foresman J.B., Ortiz J.V., Cioslowski J., Fox D.J., Gaussian09 (Revision A.02), Gaussian, Inc., Wallingford CT., Gaussian 09, Gaussian, Inc., Wallingford, CT, Revision A.02(2009).
[29] Wheeler S.E., Houk K.N., Substituent Effects in Cation/π Interactions and Electrostatic Potentials above the Center of Substituted Benzenes are Due Primarily to through-Space Effects of the Substituents, Journal of American Chemical Society.(JACS), 131: 3126–3127 (2009).
[30] Bader R.F.W., "Atoms in Molecules: A Quantum Theory", Oxford University Press, Oxford (1990).
[31] Schleyer P.V.R., Maerker C., Dransfeld A., Jiao H., Hommes N.J.R.V.E., Nucleus-Independent Chemical Shifts:  A Simple and Efficient Aromaticity Probe, Journal of American Chemical Society.(JACS), 118: 6317-6318 (1996).
[32] Chen Z., Wannere C.S., Corminboeuf C., Puchta R., Schleyer P.V.R., Nucleus-Independent Chemical Shifts (NICS) as an Aromaticity Criterion, Journal of Chemical Reviews.(JCR), 105: 3842-3888 (2005).

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار