Μελέτη της υδροθερμικής απόθεσης νανοδομών οξειδίου του ψευδαργύρου σε ίνες άνθρακα με προοπτική την εφαρμογή τους ως αισθητήρες

Κωνσταντίνου, Γεωργία; Constantinou, Georgia

dc.contributor.author	Κωνσταντίνου, Γεωργία	el
dc.contributor.author	Constantinou, Georgia	en
dc.date.accessioned	2021-12-23T08:52:18Z
dc.date.available	2021-12-23T08:52:18Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/54249
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.21947
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Ίνες άνθρακα	el
dc.subject	Οξείδιο ψευδαργύρου	el
dc.subject	Ηλεκτροχημική απόθεση	el
dc.subject	Νανοδομές οξειδίου του ψευδαργύρου	el
dc.subject	Απόθεση οξείδιο του ψευδαργύρου σε ίνες άνθρακα	el
dc.title	Μελέτη της υδροθερμικής απόθεσης νανοδομών οξειδίου του ψευδαργύρου σε ίνες άνθρακα με προοπτική την εφαρμογή τους ως αισθητήρες	el
dc.title	Study of the hydrothermal deposition nanostructures of zinc oxide in carbon fibers with a view to their application as a sensor	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Χημική μηχανική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-10-26
heal.abstract	Η χρησιμότητά των νανοϋλικών είναι μεγάλη σε πολλούς τομείς της καθημερινότητας μας, όπως στη βιομηχανία τροφίμων, στην ηλεκτρονική/μικροηλεκτρονική, στη βιομηχανία φαρμάκων, κλπ. Εμφανίζουν, σαφώς διαφορετικές ιδιότητες από τα αντίστοιχα υλικά σε μακροκλίμακα αφενός μεν, λόγω του μεγέθους τους, αφετέρου δε, λόγω άλλων φυσικών ή χημικών χαρακτηριστικών που διαθέτουν, όπως το σχήμα και η επιφάνειά τους. Στην οικογένεια των νανοϋλικών ανήκει και το οξείδιο του ψευδαργύρου, ZnO, ένας ημιαγωγός τύπου II-IV που εμφανίζει πολύ καλές ιδιότητες όπως μηχανικές, ηλεκτρικές, θερμικές, οπτικές. Αυτές οι ιδιότητες καθιστούν το οξείδιο του ψευδαργύρου ξεχωριστό και εμφανίζει μεγάλο επιστημονικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον. Τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιείται σε πολλές εφαρμογές σε τεχνολογίες αιχμής ενώ παράλληλα συνεχίζονται οι έρευνες για νέους τομείς χρησιμοποίησής του. Τις τελευταίες δεκαετίες, η έρευνα έχει επικεντρωθεί στην κατασκευή μονοδιάστατων (1D) νανοδομών ΖnΟ και στο συσχετισμό της μορφολογίας τους με τις οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες που σχετίζονται με το μέγεθός τους. Το ΖnΟ είναι ευπροσάρμοστο λειτουργικό υλικό, το οποίο μπορεί να έχει διάφορες μορφές ανάπτυξης, όπως νανοτελείες, νανοράβδους, νανονήματα, νανοζώνες, νανοσωλήνες, νανογέφυρες, νανοτοιχία, νανοέλικες, συνεχείς νανοδακτύλιους, κλπ.. Σκοπός της παρούσης εργασίας είναι να μελετηθεί η υδροθερμική απόθεση νανοδομών οξειδίου του ψευδαργύρου (ZnO) πάνω σε εμπορικές ίνες άνθρακα, το οποίο αποτελεί ένα μονολιθικό υλικό, για το οποίο υπάρχει μεγάλη ερευνητική εμπειρία στην ερευνητική ομάδα του εργαστηρίου και μπορεί εύκολα να χειρισθεί ως ηλεκτρόδιο είτε για την επιφανειακή τροποποίησή του με εισαγωγή οξυγονούχων ομάδων ή και Zn/ΖnΟ, είτε για τη χρησιμοποίηση του σε μεταγενέστερο στάδιο ως υβριδικό ηλεκτρόδιο ινών άνθρακα-οξειδείου του ψευδαργύρου (CF-ZnO). Απώτερος μελλοντικός στόχος είναι η βελτιστοποίηση των συνθηκών απόθεσης ΖnΟ ώστε να μπορεί αργότερα η τεχνική να εφαρμοσθεί και σε ένα εργαστηριακά παραγόμενο μονολιθικό καθώς και πολυκοκκώδες ανθρακούχο υλικό (με κατάλληλο συνδυασμό ρητίνης και γεωργικού παραπροϊόντος), το οποίο θα αποτελεί μια οικονομικά συμφέρουσα λύση υβριδικού ηλεκτροδίου άνθρακα C-ΖnO. Στα πλαίσια αυτής της Μεταπτυχιακής Εργασίας μελετήθηκε η υδροθερμική απόθεση ZnΟ σε εμπορικές ίνες άνθρακα χωρίς και με οξειδωτική προ-επεξεργασία. Η προεπεξεργασία των ινών πραγματοποιήθηκε σε δύο περιοχές δυναμικού, τη στενή / N (-1-+1.5-1 V, 20 κύκλοι) όπου δεν διασπάται ο ηλεκτρολύτης (H2SO4, 5% w/w) και στην ευρεία περιοχή δυναμικού / W (-3+3-3 V, 10 κύκλοι) όπου παράγεται οξυγόνο από τη διάσπαση του ηλεκτρολύτη. Οι συνθήκες αυτές της προεπεξεργασίας των ινών άνθρακα επιλέχθηκαν με βάση αποτελέσματα προηγούμενης έρευνας [55] του εργαστηρίου. Οι ίνες άνθρακα που προεπεξεργάστηκαν στη στενή περιοχή δυναμικού φέρουν κυρίως επιφανειακές κινοειδείς (κινόνης/υδροκινόνης) οξυγονούχες ομάδες, ενώ αυτές που προεπεξεργάστηκαν στην ευρεία περιοχή δυναμικού φέρουν πληθώρα «επιφανειακών οξειδίων» και «οξειδίων ατελειών» του τύπου COOH, CO, OH, κλπ. καθώς επίσης και οξείδια γραφενίου από τις εμφωλιασμένες αλατοειδείς ενώσεις Cn+HSO4−•2H2SO4 και γραφιτικά οξείδια (GO) [55]. Στη συνέχεια οι ίνες χρησιμοποιήθηκαν ως ηλεκτρόδια είτε για την ηλεκτροαπόθεση στρώματος Zn στην επιφάνειά τους είτε για τη δημιουργία λεπτού στρώματος ZnO κατόπιν εμβάπτισής τους σε αιθανολικό διάλυμα οξεικού ψευδαργύρου και ανόπτησής τους μέχρι τους 300 ⁰C για 30 min, παρουσία ατμοσφαιρικού αέρα. Η υδροθερμική αντίδραση έλαβε χώρα χρησιμοποιώντας συγκεκριμένες ποσότητες δις-απεσταγμένου Η2Ο, μητρικού διαλύματος Zn2+ παρουσία ισχυρής βάσης NaOH ή ασθενούς βάσης (υδατικό διάλυμα ΝΗ3, εξαμεθυλενοτετραμίνης/HEXA) με μοριακή αναλογία Zn2+: OH- (1:16), καθώς και πολυαιθυλενογλυκόλης. Πραγματοποιήθηκε επίσης ποτενσιοστατική απόθεση Zn/ZnO σε δυναμικό -1.1 V, για 15 min σε προ-επεξεργασμένη στην ευρεία περιοχή δυναμικού ίνα άνθρακα, ώστε να επικαλυφθούν πλήρως οι μονοΐνες που την αποτελούν και να μελετηθεί το συγκεκριμένο υβριδικό ηλεκτρόδιο για την ηλεκτροχημική οξείδωση της αιθανόλης σε διάφορες συγκεντρώσεις της σε ρυθμιστικό διάλυμα (pH10). Όλες οι ίνες άνθρακα μετά την υδροθερμική επεξεργασία τους καθώς και τα προϊόντα ZnO που παραλήφθηκαν ως ιζήματα και ξηράθηκαν σε μορφή σκόνης, χαρακτηρίστηκαν με τη μέθοδο της Περίθλασης Ακτίνων Χ (XRD) και μέσω Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (SEM). Τα αποτελέσματα των δύο μεθόδων χαρακτηρισμού είναι σε πλήρη συμφωνία σχετικά με τις ευνοϊκότερες συνθήκες για την κάλυψη των ινών άνθρακα με νανοδομές ZnO, που οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η προ-επεξεργασία των ινών είναι υψίστης σημασίας. Επίσης, συμφωνία παρατηρείται και στα μεγέθη των δομών που δημιουργούνται σε κάθε περίπτωση μητρικού διαλύματος που μελετήθηκε. Έτσι, η παρουσία NH3 οδηγεί σε μικρότερες δομές έναντι του NaOH και της HEXA με την ακόλουθη σειρά : ΝΗ3 < ΗΕΧΑ < ΝαΟΗ. Συμπερασματικά, για την ομοιόμορφη απόθεση ZnΟ στις εμπορικές ίνες άνθρακα, απαιτείται η προε-πεξεργασία τους με κυκλική βολταμετρία στη στενή ή ευρεία ή περιοχή δυναμικού, W, όπου δημιουργούνται είτε κινοειδείς δομές (στενή περιοχή) είτε "επιφανειακά οξείδια" και "οξείδια ατελειών" π.χ. τύπου COOH, CO, ΟΗ κλπ. Επίσης, η δημιουργία λεπτού στρώματος Ζn/ZnO ή μέσω ηλεκτροαπόθεσης Zn στις προ-επεξεργασμένες ίνες άνθρακα ή με εμβάπτιση σε οξεικό ψευδάργυρο, οδήγησε σε βελτιωμένες αποθέσεις ZnO σε αυτές. Τέλος, η υδροθερμική απόθεση ZnΟ σε αυτόκλειστο αντιδραστήρα με διάλυμα ΝΗ3, σε χαμηλές θερμοκρασίες για την αποφυγή αποικοδόμησής των ινών άνθρακα, παρουσία PEG φαίνεται να παρέχει την πιο ομοιόμορφη και μεγάλη σε ποσοστό επικάλυψη των ινών με νανοδομές ZnO μορφολογίας λουλουδιών. Θα πρέπει όμως να γίνει πλήρης επικάλυψη του ανθρακούχου υλικού, ώστε να μπορεί στη συνέχεια το τροποποιημένο ανθρακούχο υλικό να χρησιμοποιηθεί σε περαιτέρω εφαρμογές π.χ. ως αισθητήρας ανίχνευσης ουσιών.	el
heal.abstract	The utility of nanomaterials is great in multiple sectors of our everyday life, such as in food industry, in electronics, in medicine etc. They exhibit different properties than the corresponding in macroscale, not only because of their size but also because of other physical or chemical characteristics, such as their shape and surface. The zinc oxide, ZnO, an II-IV type semiconductor, belongs to the nanomaterials family and demonstrates remarkable properties, such as mechanical, electric, thermal, optical. It is because of these properties that the zinc oxide is considered a perfect material and displays scientific and technological interest. In recent years it is used in various applications in leading-edge technology, while ongoing research takes place investigating new sectors of its use. The last decades, research has focused on constructing one-dimensional (1D) nanostructures ΖnΟ and on the correlation of their morphology with the optical and electrical properties related to their size. ΖnΟ is a versatile, functional material, which may have various forms of development, such as nanodots, nanorods, nanothreads, nanozones, nanotubes, nanobridges, nanowalls, nanohelicons, continuous nanorings etc. The aim of this Thesis is to study the hydrothermal deposition of ZnO nanostructures on commercial carbon fibre, a monolithic material, for which there is a huge experience in the research team of the laboratory this Thesis was carried out. Cabon fibres can easily be used as electrode for their surface modification for the formation of oxygenous groups on their surface, or even for the deposition of Zn/ZnO on them. They can also be easily used as hybrid electrodes of CF-ZnO for further research. The endmost future set goal is the optimization of the experimental conditions of ΖnO deposition through the hydrothermal route, so that they can be applied on a laboratory produced monolithic or polygranular carbonaceous material (with suitable combination of a polymeric resin and an agricultural byproduct). This constitues a convenient and economical alternative of hybrid C-ZnO electrode. In the present Thesis, the hydrothermal deposition of ZnO on commercial non modified or surface modified carbon fibres is studied. The pretreatment of the carbon fibres was performed in two potential regions, the narrow (N) (-1-+1.5-1 V, 20 cycles) and the wide (W) (-3+3-3 V, 10 cycles), in the presence of sulfuric acid 5% w/w. In the N, region no oxygen is released during the oxidation, while it is present after elecctrolyte decomposition in the W region. These experimental conditions were selected based on research experience of the team. Carbon fibres treated in the N region posess surface quinoid groups while the fibres treated in the W region, a wide variety of "surface oxides"or "defect oxiddes" of the type COOH, CO, OH, or even intercalated compounds and graphite oxides oxides (GO) are are formed [55]. Afterwards, the carbon fibres were used as electrodes for the electrodeposition of Ζn on their surface or they are immersed in an ethanolic solution of zinc acetate overnight and then annealed up to 300 ⁰C, for 30 min in the presence of atmospheric air. The hydrothermal growth was carried out by using specific volumes or quantities of bidistilled water, mother solution of Zn2+ in the presence of a strong alkali (NaOH) or a weak alkali (aqueous NH3, hexamethylenetetramine/HEXA) with molar ratio Zn2+: OH- (1:16), and polyethyleneglycol. As well as, Zn/ZnO potentiostatic deposition took place on surface modified (W region) carbon fibres at -1.1 V for 15 min for the complete coverage of their monofilaments by Zn/ZnO. The latter electrode was used as anode in electrochemical cell for the ethanol detection diluted in a buffer solution (pH10) in various concentrations (by its decomposition voltamogram). All carbon fibres after their hydrothermal treatment along with the ZnO collected nanostructures in powder form (after their drying) were characterized by X-ray Diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscopy (SEM). Both methods are in accordance with the favourable conditions for the coverage of carbon fibres with ZnO nanostructures, which lead to the conclusion that the surface surface pre-treatment of carbon fibres is a key factror. Furthermore, the crystal dimensions are in accordance between the two methods for the structures that are formed by using different mother solution. Thus, the presence of NH3 leads to smaller sructures compared to those in the presence the presence of NaOH and hexmethylenetetramine, according to the following order : ΝΗ3 < ΗΕΧΑ < ΝaΟΗ. In conclusion, the pre-treatment of carbon fibres is prerequisite for their uniform coverage with ZnO. This can be performed with the aid of cyclic voltammetry in the N or W region where quinoids groups (N region) of "surface groups" and "defect groups" of COOH, CO, ΟΗ type (W region) are formed. Furtheromore, the formation of a layer of Zn / ZnO on pre-treated carbon fibre either by electrodeposition of Zn or by their immersion in ethanolic solution of zinc acetate, leaded to a better ZnO deposition on them. Finally, the hydrothermal deposition of ZnO using ΝΗ3 in the mother solution, at low temperatures, in order to avoid carbon fibres' decomposition, and in the presence of PEG gave the most uniformly and high % coverage of carbon fibres with ZnO nanostructures of flower form. For the further use of those electrodes in sensing applications, a complete coverage of their surface by ZnO nanostructures is needed.	en
heal.advisorName	Ζουμπουλάκης, Λουκάς	el
heal.committeeMemberName	Ζουμπουλάκης, Λουκάς	el
heal.committeeMemberName	Χριστοφόρου, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Κορδάτος, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	167 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false
heal.fullTextAvailability	false