BALL-MILLED PALM-DERIVED CARBON FOR FABRICATION OF ELECTROCHEMICAL PHENOLIC COMPOUND SENSORS AND SUPERCAPACITORS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF BALL-MILLED PALM-DERIVED CARBON FOR FABRICATION OF ELECTROCHEMICAL PHENOLIC COMPOUND SENSORS AND SUPERCAPACITORS.pdf Restricted to Repository staff only until 30 May 2024. Download (6MB)

Arabic Abstract

يعد الحصول على المادة المناسبة والمنخفضة التكلفة أحد أهم المتطلبات وأكثرها تحديًا في أبحاث المستشعرات الكهروكيميائية والمكثفات ذات السعة الفائقة. في هذا الصدد، يعتبر الكربون المحضر من الكتلة الحيوية عن طريق الانحلال الحراري والطحن باستخدام الكرات مادة مثالية للقطب الكهربائي للاستشعار التحليلي وتطبيقات المكثفات ذات السعة الفائقة. في هذا العمل، حُضر الكربون ذو أبعاد متناهية الصغر/ نانوكربون من سعف النخل بطرائق بسيطة عن طريق الانحلال الحراري والطحن باستخدام الكرات. تدعم التوصيفات التركيبية الكيميائية والمورفولوجية تكون جزيئات الكربون ذات الحجم شبه النانوي. اُستخدام الكربون المحضر لتطبيقات استشعار مركبات الفينول كهروكيميائياً وتطبيقات المكثف ذو السعة الفائقة بنجاح. استخدام الكربون المحضر كمادة للقطب الكهربائي بعد التثبيت على قطب الكربون الزجاجي لتصنيع مستشعر كهروكيميائي للكشف عن مادة ١- نفثول و 2- نفثول بشكل متزامن. ووفرت الدراسة طريقتين لاستخدام المستشعر الكهروكيميائي. تعتمد الطريقة الأولى على الأكسدة المباشرة لـ ١- نفثول و 2- نفثول. بينما تعتمد الطريقة الثانية على قمم الأكسدة والاختزال لتكوين الكينون من ثنائي هيدروكسي النفثالين المتولد. تُظهر الطريقة الثانية أداءً تحليليًا أعلى تجاه الكشف المتزامن ل١- نفثول و 2- نفثول بالمقارنةً بالطريقة الأولى. وفي جزء أخر من العمل، تم استخدام الكربون المحضر كمادة للقطب الكهربائي حيث تم تثبيت الكربون على ركيزة فولاذية (مجمع التيار) لتصنيع مكثف ذو سعة فائقة عالي الأداء. استفاد المكثف الفائق المُصنَّع من سلوك السعة الكهربائية للطبقة المزدوجة للكربون وسلوك السعة للذرات المتغايرة الموجودة في الكربون. ويوفر جهاز المكثف ذو السعة الفائقة المطوَّر شحنًا / تفريغًا كبيرًا باستخدام الكهرل الأمثل (0.1 م من حمض الكبريت) وينتج سعة عالية محددة تبلغ (~ 107 فاردا / ج) ويتم الحفاظ عليها فوق 92٪ من السعة الأولية بعد 1000 دورة شحن/ تفريغ. علاوة على ذلك، يوفر المكثف ذو السعة الفائقة كثافة طاقة تبلغ حوالي 10 واط / كج بكثافة طاقة تبلغ 200 واط / كج تقريبًا. يوفر هذا العمل مكثفًا فائقًا غير مكلف وعالي الأداء ويعتمد على الكتلة الحيوية (سعف النخل) وهذا يرشحه ليكون مناسبا لتصنيع بكميات كبيرة في المستقبل. علاوة على ذلك، تم دعم العمل بجزء إضافي وهو تصنيع جهاز مكثف ذو سعة فائقة متماثل يعتمد على شبكة فولاذية مدعمة بترسيب بوليمير انيلين عليها كهربائيًا. نظرًا لقدرتها على التوصيل الفعال ، والطبيعة المسامية، والتكلفة المنخفضة، فإن الشبكة الفولاذية تعد خيارًا جيدًا كمجمع تيار لتصنيع مكثف ذو سعة فائقة عالي الأداء بتكلفة منخفضة. المكثف الفائق المُصنَّع له سعة نوعية عالية تبلغ (~ 353 ملي فاراد ل سم2). علاوة على ذلك، المكثف ذو السعة الفائقة قادر على توفير كثافة طاقة ساعية تبلغ 26.4 ميكروواط ساعي ل سم2 بكثافة طاقة تبلغ 400 ميكرو واط ل سم2. يُظهر المكثف الفائق المُصنَّع ثباتًا عاليًا، حيث احتفظت السعة الأولية كما هي تقريبًا بعد 1000 دورة شحن / تفريغ. بشكل عام ، يمكن أن تكون الشبكة الفولاذية المعدلة بوليمر انيلين مرشحًا واعدًا للإنتاج على مستوى ضخم وللتطبيقات الواسعة نظرًا لتكلفتها المنخفضة وأدائها العالي.

English Abstract

A highly electroactive and low-cost electrode material is an essential requirement in the current sensor and supercapacitor research. To meet this demand, synthesizing biomass carbon through a simple process of pyrolysis and ball milling could be an ideal solution. In this work, active carbon was synthesized from the date leaves waste. The surface, structural, and compositional characterizations support the formation of sub-nano and nano-meter-size carbon particles. The synthesized carbon was successfully used for electrochemical phenolic compounds sensing and supercapacitor applications. The synthesized carbon was immobilized on a Glassy carbon electrode to fabricate a chemical sensor to detect 1-naphthol (1-NP) and 2-naphthol (2-NP) simultaneously. The study provides two methods to fabricate electrochemical sensors. The first method is based on the direct oxidation of 1-NP and 2-NP. The second method is based on redox peaks for the quinone formation from the generated dihydroxy naphthalene. The second method shows a higher analytical performance toward simultaneous detection of 1-NP and 2-NP compared to that of the first method. In the second part of the thesis, a novel carbon was utilized by dispensing on a stainless-steel strip to fabricate a high-performance symmetric supercapacitor. The fabricated supercapacitor shows a double-layer capacitance behavior and a pseudocapacitance behavior due to the heteroatoms in the material. By using an electrolyte of (0.1 M sulfuric acid), the fabricated supercapacitor displays a high specific capacitance of (~107 F/g), and the stability test shows a capacitance retention of 92% after a total of 1000 cycles. Furthermore, the supercapacitor’s densities of energy and power are ~10 Wh/Kg and ~200 W/Kg, respectively, offering an ideal supercapacitor for mass-product. This research provides a low-cost and high-performance supercapacitor based on cheap carbon prepared from the date leave waste. Furthermore, the work was supported with supplementary materials about the fabrication of supercapacitor prepared from stainless and electro-synthesized polyaniline (PANI). The fabricated supercapacitor combines the advantages of the low cost of the substrate and the high electrochemical performance of synthesized PANI. The supercapacitor shows an areal capacitance of ~353 mF cm-2 and densities of energy and power of ~ 26.4 µWh cm-2 and ~ 400 µWcm-2 respectively. The capacitance properties were retained after 1000 cycles showing high stability. Based on the result, the fabricated supercapacitor could be an ideal candidate for wide applications and mass product in the future.

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Chemistry
Department:	College of Chemicals and Materials > Chemistry
Committee Advisor:	Al-Betar, Abdulrahman Faisal
Committee Members:	Aziz, Md Abdul and Awadh, Tawfik Abdo Saleh and Mazumder, Mohammad Abu Jafar and Oladepo, Sulayman Adeyemi
Depositing User:	WAEL MAHFOZ
Date Deposited:	30 May 2023 10:18
Last Modified:	30 May 2023 10:18
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142404