: در این پروژه در ابتدا نانوالیاف پلی آنیلین از طریق الکتروپلیمریزاسیون بر روی الکترود تیتانیوم سنتز شد. بعد پوششی از نانو ذرات پلاتین، طلا و پالادیم بر روی فیلم پلیمری ایجاد شد. سنتز فیلم پلیمری و همچنین نشاندن نانو ذرات بر روی آن به وسیله تکنیک های میکروسکوپ الکترونی روبشی و آنالیز عنصری مورد تایید قرار گرفت. افزایش خاصیت الکتروکاتالیستی الکترود های اصلاح شده به وسیله ولتامتری چرخهای، کرونوآمپرومتری، ولتامتری روبش خطی و طیف بینی امپدانس الکتروشیمیایی، بررسی شد. در قسمت بعدی کار پلی آنیلین به نانو لوله های کربنی چند دیواره گرافت داده شد و نانو ذرات طلا و پلاتین از طریق آبکاری به زمینه پلی آنیلین-نانو لوله های کربن نشانده شد. نانو کامپوزیت حاصل به وسیله تکنیک میکروسکوپ الکترونی روبشی مورد تایید قرار گرفت .در نهایت با استفاده از الکترود های حاصل الکترو اکسیداسیون برخی سوخت های رایج در پیل های سوختی نظیر متانول، اتانول، اسید فرمیک و هیدرازین مورد مطالعه قرار گرفت.

پلیمر پلی] 2و¢2-5و¢5-( m-پیرازولیدن)-بی بنزیمیدازول[ از واکنش تراکمی مونومرهای 3و3-دی آمینو بنزیدین در حلال پلی فسفریک اسید با استفاده از واکنش چند تراکمی سنتز گردید. مونومرهای وینیل ایمیدازول و وینیل بنزن سولفونه شده روی سطح نانودرات sio2 و tio2 با استفاده از روش پلیمریزاسیون رادیکالی رشد داده شد. نانوذرات سیلیکا و تیتانیای اصلاح شده برای تهیه غشاهای نانوکامپوزیتی مورد استفاده قرار گرفت. همچنین خواصی که لازم است این پلیمر بعنوان غشای مبادله کننده پروتون در دمای بالا معرفی گردد مانند خواص هدایت پروتونی در دماهای مختلف، مقدار جذب آب، مقدار دوپینگ غشاء در اسید فسفریک ، مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین اصلاحات شیمیایی لازم بر روی نانو ذرات sio2 و tio2 با استفاده از مونومرهای وینیلی حاوی گروههای عاملی مختلف که می تواند روی هدایت پروتونی و یا سایر خواص غشای نانوکامپوزیتی تهیه شده اثر بگذارد، انجام شده است. دلیل انجام اصلاحات روی نانوذرات مورد استفاده این است که در کارهای انجام پذیرفته اخیر استفاده از نانو ذرات ذکر شده باعث بهبود برخی از خواص مانند کاهش میزان عبوردهی متانول از غشاء شده است ولی در عوض باعث کاهش هدایت پروتونی گردیده که در این کار پژوهشی با انجام اصلاح شیمیایی با مونومرهای مناسب با استفاده از پلیمریزاسیون رادیکالی مقدار دوپینگ غشاء را بالا برده و از کاهش هدایت پروتونی غشاهای تهیه شده جلوگیری شده به نحوی که حتی هدایت پروتونی بالاتر نیز رفته است. در قسمت سوم غشاهای نانوکامپوزیتی حاصل از پلی بنزیمیدازولها و نانوذرات اصلاح شده تهیه شده اند و خواص آنها مورد ارزیابی قرار گرفته است. از اسپکتروسکوپی ft-ir ، nmr ، chns برای مطالعه ساختار ، از روشهای tga، dsc برای بررسی خواص حرارتی، از مطالعات امپدانس برای اندازه گیری میزان هدایت پروتونی غشاها و در نهایت از sem ، tem و afm برای مطالعه مورفولوژی ، تجمع و اندازه ذرات استفاده شده است.

یکی از چالش های اساسی در زمینه ی توسعه و بکارگیری سلهای سوختی میکروبی در مقیاس وسیع، درک عوامل موثر در توان خروجی این سل ها است. بدین منظور بایستی الکترودهایی با خواص کاتالیتیکی مناسب و عملکرد پایدار جهت استفاده در این سلها توسعه یابد و نیز اثر سایر عوامل دخیل بر عملکرد این دسته از وسایل نوین تبدیل انرژی به خوبی بررسی شود. در این تحقیق کاتد های مبتنی بر نانو ساختارهای مختلف ساخته، اصلاح و عملکرد الکتروشیمی آنها با هدف افزایش توان خروجی سل سوختی میکروبی با کشت مخلوط میکروارگانیزم ها وجایگزینی کاتد های گران قیمت برپایه پلاتین با روشهای مختلف الکتروشیمیایی مانند پلاریزاسیون و طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی (eis) بررسی شد. اثر هرکدام از عوامل دخیل در مراحل ساخت، اصلاح و بکارگیری الکترودهای جدید و انواع سوبستراها و ناقلین الکترون بر پارامترهای عملکردی سل سوختی میکروبی مانند ولتاژ، جریان و توان خروجی و بهره کولنی مطالعه شد. از مجموع مطالعات انجام شده روی سلهای سوختی میکروبی نتایج زیر به دست آمد: الف) غشاء فلیمون که نسبت به غشاء استاندارد نافیون ارزانتر و در دسترس تر است و مقاومت مکانیکی بهتری نیز دارد براحتی می تواند با رفتاری مشابه غشاء نافیون از نظر عبور کاتیونها و تولید توان در کاربردهای سل سوختی میکروبی مورد استفاده قرار گیرد. ب) از طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی در بارهای مقاومتی خارجی مختلف می توان به عنوان روش بدیعی برای بررسی رفتار فصل مشترک آندی و کاتدی سل سوختی و تغییرات پارامترهای عملکردی استفاده کرد. ج) توان الکتریکی تولیدشده از سوبستراهای مختلف به دو عامل اصلی بستگی دارد. حضور میکروارگانیزمهای تخصص یافته برای متابولیسم یک سوبسترای معین و پیچیدگی ساختار ملکولی و بالطبع مسیر متابولیستی تجزیه یک سوبسترا. سوبستراهای ساده مانند گلوکز توسط میکروارگانیزمها زود تجزیه می شوند در حالیکه سوبستراهای پیچیده و سنگین مانند نشاسته دیر هضم بوده وتوان الکتریکی کمتری تولید می کنند. د) با استفاده از آرایه نانو و افزایش سطح موثر الکترود کاتد و ترسیب نانو ذرات فلزات نجیب مناسب مانند پالادیم می توان کاتدهای نانو ساختاری ارزان قیمت تر و سهل الوصول تر در مقایسه با کاتدهای گران قیمت مبتنی بر فلزاتی مانند پلاتین تهیه کرد که در کاربردهای سل سوختی توانی قابل مقایسه با آن الکترودها ارائه می کنند. ه) نوع فلز ترسیب شده و فعالیت الکتروشیمیایی ذاتی آن در واکنش احیاء اکسیژن در کاتد بسیار اهمیت دارد. در شرایط بالک و نانو ساختاری فعالیت الکتروشیمیایی فلز پلاتین بیشتر از فلز پالادیم و آن نیز به مراتب بیشتر از فلز طلا است. این موضوع را می توان با ایجاد مسیر واکنش سهل تر برای احیاء اکسیژن با فلزات پلاتین و پالادیم و بی اثر بودن نسبی طلا مرتبط دانست.

در پروژه حاضر، در ابتدا پلی آنیلین و ترکیبات نانوکامپوزیتی پلی آنیلین- (1%) tio2، پلی آنیلین- (5/0%) zno و پلی آنیلین- (5%cloisite 15a,) mmt با استفاده از پلیمریزاسیون شیمیایی سنتز شدند. ترکیبات نانوکامپوزیتی به دست آمده با استفاده از تکنیک های ftir، edx وsem مورد بررسی قرار گرفتند.در مرحله بعد، پلی آنیلین و نانوکامپوزیت های سنتز شده با اپوکسی مخلوط شده و به روش قلم مویی روی فولاد نرم مانت شده بعد از آماده سازی اولیه (سمباده زنی و چربی گیری با اتانول) پوشش داده شدند.سپس رفتار الکتروشیمیایی پوشش اپوکسی- پلی آنیلین فاقد نانوذره و پوشش های نانوکامپوزیتی اپوکسی- پلی آنیلین حاوی نانوذرات tio2، zno و mmt بر روی فولاد نرم در غیاب و حضور حفاظت کاتدی با استفاده از اعمال جریان مستقیم (تحت ولتاژهای مختلف) در محلول 5/3% nacl و دمای ?65 با استفاده از تکنیک امپدانس الکتروشیمیایی (eis) مورد مطالعه قرار گرفتند.ارزیابی رفتار جدایش کاتدی پوشش ها در ولتاژ v5/1- نسبت به الکترود ag/agcl بدون ایجاد حفره ماکروسکوپی و در روال طبیعی خود پوشش (از طریق خلل و فرج موجود در پوشش) با استفاده از eis انجام گرفت. ارزیابی رفتار جدایش کاتدی در حالتی که حفره ماکروسکوپی به قطر mm 1 روی پوشش ایجاد شده است فقط برای پوشش اپوکسی- پلی آنیلین- tio2 انجام گرفت. نتایج به دست آمده نشان داد که همه پوشش های مورد مطالعه به جز پوشش اپوکسی- پلی آنیلین- mmt چسبندگی خوبی روی فولاد نرم داشته و بدون آماده سازی ثانویه سطح (شیمیایی و الکتروشیمیایی) نتایج قابل تحلیلی را ارائه می دهند. همچنین نتایج حاصل از مطالعات eis برای پوشش های مورد مطالعه در حضور حفاظت کاتدی نشان داد که با منفی تر شدن ولتاژ اعمالی، مقاومت پوشش ها کاهش می یابند. نتایج حاصل از ارزیابی جدایش کاتدی پوشش ها نشان داد که نانوذرات از طریق پر کردن خلل و فرج موجود در پوشش اپوکسی و تأخیر در نفوذ الکترولیت سبب افزایش چسبندگی و بهبود رفتار پوشش ها در برابر جدایش کاتدی شده است.

در این پروژه ابتدا نانولوله های زیرکونیوم اکسید از طریق آندایزینگ الکتروشیمیایی زیرکونیوم در محلول شامل گلیسرول و فرمامید ونیز اتیلن گلیکول وفرمامید حاوی آمونیوم فلورید سنتز شد.تشکیل نانو لوله های زیرکونیوم اکسید به وسیله تکنیک های edx،fe-sem و xrd موردبررسی و تایید قرار گرفت. سپس رفتار خوردگی نانو لوله های حاصل با استفاده ار روش های طیف سنجی امپدانس الکتروشیمیایی( eis) وپلاریزاسیون تافلی در محلول بزاق مصنوعی واسیدسولفوریک بررسی گردید. نتایج نشان داد که بین مورفولوژی ومقاومت به خوردگی نانولوله های زیرکونیا وپارامترهای فیزیکوشیمیایی ارتباط تنگاتنگی وجود دارد. به طوریکه با افزایش پتانسیل ودما قطر خارجی نانولوله ها افزایش می یابد.در غلظت بالای آنیون ضخامت دیواره ها کاهش می یابد. درصد آب کمتر موجب زبری سطوح ودرصد آب بیشتر موجب عدم یکنواختی سطح می شود.همچنین در محلول اتیلن گلیکول نسبت به گلیسرول ساختار غیر یکنواختی حاصل شده است. در نتیجه مقادیر امپدانس وجریان خوردگی متفاوت برای ساختارهای حاصل ایجاد می شود.

انرژی به عنوان یکی از کانونهای مورد توجه قدرتهای جهانی و گروههای علمی می باشد. در این راستا تمایل زیادی برای پیشرفت و ساخت ابزارهای کار آمد ذخیره کننده انرژی وجود دارد. یکی از این نوع ابزارها ابرخازنها هستند که در دهه گذشته پیشرفت زیادی کرده اند. ابر خازنها که به عنوان خازنهای لایه دو گانه نیز شناخته می شوند، یکی از انواع ابزارهای ذخیره کننده انرژی هستند که نقش مهمی را در رفع نیازهای جهانی ایفا می کنند. این نوع خازنها دارای دانسیته توان و انرژی بالایی هستند که باعث شده موقعیتی ما بین باتریها و خازنهای معمول الکتروستاتیکی داشته باشند. این خازنها به دو دسته عمده: 1) ابرخازنهای ردوکسی و 2) ابرخازنهای لایه دو گانه الکتریکی تقسیم می شوند. گروه اول شامل مواد هادی مانند پلیمرهای هادی و اکسید فلزات بوده و گروه دوم شامل انواع آلوترپهای کربن می باشد که مطالعات زیادی در هر بخش انجام شده است. در پژوهش حاضر هدف ساخت نانوکامپوزیت پلیمری پلی آنیلین و کربن به همراه نانو ذرات اکسید منگنز به عنوان ابرخازن می باشد. در کار حاضر ابتدا نانو ذرات mno2 بر روی دو نوع کربن سیاه و نانو لوله های کربنی توسط فرایند شیمیایی قرار گرفت. در مرحله بعد بر روی این نانو ذرات پلیمر پلی آنیلین طی فرایند پلیمریزاسیون شیمیایی قرار گرفت. مورفولوژی و آنالیز سطح این نمونه ها توسط تکنیکهای sem و ftir انجام گرفت و با استفاده از این تکنیکها حضور نانو ذرات mno2 و پلی آنیلین بر روی کربنها اثبات گردید. مطالعات الکتروشیمیایی بر روی این الکترودها توسط تکنیکهای ولتامتری چرخه ای، تکنیک شارژ-دشارژ گالوانوستاتیک و اسپکتروسکوپی امپدانس الکتروشیمیایی انجام گرفت. با توجه به این مطالعات مقدار ظرفیتهای ویژه به دست آمده برای الکترودهای cb، mno2-cb و pani/mno2-cb به ترتیب برابر(f.g-1) 87/44، 00/121 و 80/179 است. در بین این سه الکترود پایداری ظرفیت pani/mno2-cb برابر 91? است. در مورد الکترودهای نانو لوله کربنی نیز مقدار ظرفیت ویژه برای الکترودهای mwcnt، mno2-mwcnt و pani/mno2-mwcnt به ترتیب برابر (f.g-1) 00/80، 77/277 و 47/321 است. در این الکترودها نیز الکترود pani/mno2-mwcnt رفتار خازنی بهتری را نسبت به دیگر الکترودها از خود نشان داد. مطالعات امپدانس الکتروشیمیایی نیز برای این الکترود نشان دهنده رفتار خازنی تقریبا ایده الی است. با توجه به نتایج به دست آمده بهترین الکترود از نظر رفتار خازنی، پایداری ظرفیت بعد از صد چرخه و رفتار شارژ-دشارژ ایده ال الکترود pani/mno2-mwcnt است.

نانو ذرات پتانسیل و قابلیت های زیادی را برای استفاده در زمینه های مختلف از جمله وسایل الکتریکی، ذخیره و انتقال انرژی، تصفیه آب، مسائل زیست محیطی و... از خود نشان می دهند. در بین این نانو ذرات، نانو ذرات نیمه رسانا که نسبت به گازها حساس هستند بیشتر مورد توجه بوده اند. پلیمرهای رسانای الکتریکی به علت داشتن پتانسیل لازم در موارد مانند باطری ها، پوششهای آنتی استاتیک و دستگاههای میکرو الکتریکی و حسگرها و... کاربرد فراوانی پیدا کرده اند. پلی پیرول به علت رسانایی و پایداری محیطی و حرارتی و زیست سازگاری و حساسیت به انواع گازهای سمی اصلی در انواع کاربرد ها مورد استفاده قرار می گیرد. گازهای سمی نقش حیاتی و اساسی در فرآیندهای عادی زیستی و فیزیولوژیکی بازی می کنند. اکسیدهای نیتروژن (no, no2, nox) یکی از گازهای آلوده کننده ایجاد شده در خروجی صنایع مختلف، اتومبیل ها، فرایندهای سوخت و.... می باشد. این گازها بی رنگ و قابل اشتعال بوده و حتی در غلظت های کم نیز خطرناک می باشند. در نتیجه، شناسایی این گاز در شرایط محیطی (دمای اتاق) بسیار مهم است. حسگرهای مختلفی برای این کار تهیه و استفاده شده اند. در این پروژه پلی پیرول حاوی نانو ذرات zno در انتهای خود، که توسط پیوند شیمیایی به هم وصل شده اند تهیه خواهد شد. پلی پیرول دارای رسانایی زیاد، پایداری محیطی خوب، حساسیت و انتخابگری خوب نسبت به انواع گازها می باشد و اتصال نانو ذرات نیمه رسانای zno که خاصیت پذیرش الکترون و خود تمیز شونده گی و نیز حساسیت به انواع گازهای مشابه با گازهایی که پلی پیرول نیز به آنها حساس است، باعث اثر هم افزایی و تشدید مضاعف این خاصیت ها شده که می توان از آن در تولید انواع حسگرهای حساس به گازهای سمی (بیشتر no2) استفاده کرد. همچنین می توان خاصیت خود تمیز شوندگی که zno به این حسگرها می دهد که باعث افزایش پایداری و کیفیت آنها می شود، و این مزیت عمده این پلیمر هیبریدی به کامپوزیت مشابه آن است. از دیگر کاربردهای این پلیمر هیبریدی همچنین به علت کاهش باند گپ آن می توان به استفاده در سلولهای خورشیدی اشاره کرد. روش کار بدین صورت است که ابتدا با استفاده از 2، 4- تولوئن دی ایزوسیانات (tdi) نانو ذرات zno را اصلاح سطح کرده و بعد با واکنش آن با نمک پتاسیم پایرول و اتصال مونومر پایرول به نانو ذرات اصلاح سطح شده با tdi و سپس پلیمریزاسیون آنها در حضور پایرول و یک آغازگر مناسب، پلیمر هیریدی مورد نظر بدست می آید. در نهایت عملکرد پلیمر تهیه شده به عنوان ترکیب حسگر گاز nox مورد بررسی قرار می گیرد. مواد تهیه شده با استفاده از روشهای مناسبی از جمله میکروسکوپ الکترونی (sem) یا میکروسکوپ الکترونی عبوری(tem) و یا دیگر روش های طیف سنجی مانند uv-vis، ft-ir، drs پراش الکترونی xrd و خصوصیات حرارتی پلیمر مورد بررسی قرار گرفته و ساختارشان مورد تایید قرار می گیرد.