تهیه و شناسایی نانوساختارهای دی اکسید تیتانیوم و اصلاح آنها با ترکیبات شیمیایی: استفاده از خواص الکتروکاتالیستی و فوتوکاتالیستی آنها در سلولهای سوختی و خورشیدی

نانولوله ها، به خاطر داشتن خصوصیات مورفولوژیکی و فیزیکوشیمیایی خاص به شدت مورد توجه قرار گرفته اند. نانولوله های دی اکسید تیتانیوم از خواص منحصر به فردی برخوردار بوده و از کاربردهای گسترده ای در بیومواد، حسگرها، فوتوکاتالیستها و سلهای سوختی و خورشیدی برخوردار هستند. روشهای مختلفی برای سنتز نانولوله های دی اکسید تیتانیوم وجود دارد. در تحقیق حاضر، با استفاده از روش آندایزینگ تیتانیوم در محلولهای آبی و آلی مختلف، نانولوله های دی اکسید تیتانیوم تهیه شده و شرایط بهینه پارامترهای شیمی فیزیکی برای تهیه نانوساختار بدست آمد. در ادامه مورفولوژی و ساختار نانولوله های دی اکسید تیتانیوم با استفاده از روشهای میکروسکوپ الکترونی روبشی و پراش اشعه ایکس مطالعه و بررسی شد. نتایج نشان داد که آندایزینگ تیتانیوم در محلولهای آلی منجر به ایجاد نانولوله های دی اکسید تیتانیوم بسیار منظم با طول زیاد می شود. به دلیل مساحت سطح زیاد نانولوله های دی اکسید تیتانیوم می توان از آنها به در پیلهای سوختی استفاده کرد. با وجود پیشرفتهای زیاد در زمینه پیلهای سوختی؛ به دلیل هزینه بالای الکترودهای بکار رفته، تاکنون این پیلها به مرحله تجاری سازی نرسیده اند. معمولا از پلاتین و دیگر فلزات نجیب به عنوان آند استفاده می کنند که این آندها بسیار گرانقیمت بوده و در حالت بالک از فعالیت الکتروکاتالیستی نسبتا پائینی برخوردارند. به منظور کاهش میزان فلزات نجیب بکار رفته و در نتیجه کاهش قیمت تمام شده پیلها، تلاشهای زیادی انجام گرفته تا از طریق پخش نانوذرات فلزات مختلف بر روی بسترهای خلل و فرجدار و ارزانقیمت به این اهداف نائل شوند. بعد از تهیه نانولوله های بهینه از طریق دوپ کردن نانوذرات فلزی مختلف، الکترودهایی با مساحت سطح زیاد ایجاد شد و پس از مطالعه بررسی ساختار و مورفولوژی آنها، فعالیت آنها به عنوان آند در پیلهای سوختی مختلف مورد مطالعه قرار گرفت. در این راستا در ابتدا با استفاده از روشهای مختلف شیمیایی و فیزیکی همچون روش غوطه وری، الکترولس، آبکاری الکتروشیمیایی، روش میکروامولسیون و ... نانوذرات مختلف دوپ شده و سپس اکسیداسیون الکتروشیمیایی برخی از سوختهای متداول مانند متانول، اتانول، گلیسرول، هیدرازین و همچنین الکترواکسیداسیون برخی از قندها نظیر گلوکز، گالاگتوز با استفاده از روشهای مختلف الکتروشیمیایی مانند ولتامتری چرخه ای و کرونوآمپرومتری مورد مطالعه قرار گرفت. بررسی های مورفولوژی نشان داد که رسوبدهی نانوذرات فلزات نجیب بر روی سطح نانولوله های دی اکسید تیتانیوم به خوبی انجام شده است. همچنین مطالعات الکتروشیمی اکسیداسیون الکتروشیمیایی سوختها برروی الکترودهای حاصل نشان داد که درمقایسه با الکترودهای بالک (صاف)، این الکترودها از مساحت سطح زیاد و قابلیت مسموم شدن کمتر برخوردارند و بنابراین با توجه به قیمت تمام شده پائین تر و فعالیت الکتروکاتالیستی مناسبتر می توانند به عنوان آندهای موثر در کاربردهای پیلهای سوختی مورد استفاده قرار گیرند. در ادامه، امکان استفاده از نانوساختارهای دی اکسید تیتانیوم به عنوان یک فوتوآند و ساخت پیل خورشیدی بررسی شد و عملکرد پیل خورشیدی حاصل مورد مطالعه قرار گرفت. پارامترهای شیمی فیزیکی پیل خورشیدی همچون راندمان پیل، جریان مدار کوتاه، ولتاژ مدار باز، ضریب تبدیل و ... تعیین شدند. درنهایت خواص الکتروشیمیایی پیل خورشیدی حاصل با استفاده از روشهای مختلف الکتروشیمیایی همچون روش پتانسیل مدار باز، طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی و ... بررسی و مطالعه شد. درمقایسه با سایر روشهای آندایزینگ، آندایزینگ دومرحله ای در محلولهای آلی منجر به ایجاد نانولوله های دی اکسید تیتانیوم ریزتر شده که از مساحت سطح بیشتری برخوردار بوده و درنتیجه پیل خورشیدی حاصل از راندمان بالاتری برخوردار است.