Transition metal doped graphene for energy and electrical applications

Abstract

In the view of rapid progress in the fabrication of nanoscale energy storage and electronic devices, graphene is a subject of great interest. As a truly two dimensional (2D) system, graphene possess extraordinary properties of high conductivity, high carrier mobility, large surface area (>2600 m2/g), flexibility, and chemical stability which are favourable for energy applications. Synthesis of high quality graphene still remains as a major challenge in graphene research. Various methods including mechanical exfoliation, thermal exfoliation and thermal chemical vapour deposition (CVD) methods are used for the production of high quality graphene. However, mass production of graphene is possible only by chemical exfoliation of graphite under strong oxidizing agents. This thesis deals with the state of the art mass production of reduced graphene oxide (RGO) using graphene oxide (GO) as the intermediate agent. One of the exciting ideas about graphene oxide is that, due to the functional groups attached, it could act as a laboratory for various catalytic reactions and led to the fabrication of novel devices. Transition metals were used to aid the reaction and to achieve desired novel properties. By catalytic reactions, high quality nanoparticles (NPs) such as Ni, Co, Pd Ag, Cu, NixB, CoxB and SiO2 were synthesized and anchored on graphene sheet for energy applications. Particularly, for hydrogen storage a nanocomposite catalyst containing palladium@ nickel boride–silica and reduced graphene oxide (Pd@NixB–SiO2/RGO, abbreviated as Pd@NSG) was successfully fabricated. The H2 adsorption experiment directly reveals the spillover effect on the Pd@NSG nanocomposite and its enhanced H2 uptake capacity (0.7 wt.%) compared to SiO2/RGO (0.05 wt.%) under 50 bar hydrogen pressure at RT. On the basis of results a detailed mechanism of hydrogen spillover is established that exhibited the facile H2 dissociation on the Pd activator (active sites) and subsequent transportation of hydrogen atoms on receptor sites. Similarly, highly active and cost effective nanocomposite CoxB@Ni/RGO was also synthesized for hydrogen production through electrochemical oxidation of ethanol in alkaline medium under catalysis reaction. The electrochemical behavior of nanocomposite was evaluated by cyclic voltammetry (CV) technique. The catalytic activity of nanocomposite was evaluated continuously for 50 cyclic run; amazingly, results shows that the increase of current density after 50 cycle run suggests the self-cleaning process and robustness of catalyst system. For energy application, graphene based nanocomposite has also been employed for catalysis reduction of 4-nitrophenol (4-NP) organic pollutant. For this work, a wide range of graphene nanocomposite catalysts has been synthesized and the effort was to reduce reaction time and cost of nanocatalyst system. Finally, graphene based nanocomposite (Ni/RGO) is used for electrical and electronics applications also, to fabricate the memristor devices and glucose biosensor. A wide range of characterization techniques mainly X-ray diffraction (XRD), fourier transform infra-red (FTIR), Raman, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), current vs. voltage (I-V) measurements, cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) were employed for analysis of transition metals doped graphene nanocomposites for various kind of energy applications.

Do ponto de vista do rápido progresso na fabricação de dispositivos eletrónicos de armazenamento de energia em nanoescala, o grafeno é um assunto de grande interesse. Como um sistema verdadeiramente bidimensional (2D), o grafeno possui propriedades extraordinárias de alta condutividade, grande mobilidade de portadores de carga, grande área de superfície (> 2600 m2 / g), flexibilidade e estabilidade química, que são favoráveis para aplicações energéticas. A síntese de grafeno de alta qualidade ainda permanece como um grande desafio na investigação no grafeno. Vários métodos, incluindo esfoliação mecânica, térmica e deposição química por vapor (CVD) são métodos utilizados para a produção de grafeno de alta qualidade. No entanto, a produção em massa de grafeno só é possível por esfoliação química de grafite sob agentes oxidantes fortes. Esta tese lida com o estado da arte de produção de óxido de grafeno reduzido (RGO) em massa usando óxido de grafeno (GO) como agente intermediário. Uma das ideias empolgantes em relação ao óxido de grafeno é a de que, devido aos grupos funcionais ligados, ele poderia actuar como um laboratório para várias reacções catalíticas e conduzir à fabricação de novos dispositivos. Os metais de transição foram usados para auxiliar a reacção e para atingir as novas propriedades desejadas. Por reações catalíticas, as nanopartículas de alta qualidade (NPs), tais como Ni, Co, Pd, Ag, Cu, NixB, CoxB e SiO2 foram sintetizadas e ancoradas numa folha de grafeno para aplicações de energia. Particularmente, para o armazenamento de hidrogénio um catalisador nanocompósito contendo paládio@níquel boreto-sílica e óxido de grafeno reduzido (Pd @ NixB-SiO2 / RGO, abreviado como Pd @ NSG) foi fabricado com sucesso. A experiência de adsorção de H2 revela diretamente o efeito de transbordo (spillover) no nanocompósito Pd @ NSG e sua maior capacidade de absorção de H2 (0,7 wt.%) em comparação com SiO2 / RGO (0,05 wt.%), sob uma pressão de 50 bar de hidrogénio à temperatura ambiente. Com base nos resultados um mecanismo detalhado de transbordo de hidrogénio é estabelecido que exibe a dissociação fácil de H2 no ativador Pd (centros activos) e o transporte subsequente de átomos de hidrogénio em locais receptores. Da mesma forma, o altamente ativo e rentável nanocompósito CoxB @ Ni / RGO foi também sintetizado para produção de hidrogénio através de oxidação eletroquímica de etanol em meio alcalino sob catálise de reacção. O comportamento eletroquímico do nanocompósito foi avaliado pela técnica de voltametria cíclica (CV). A atividade catalítica do nanocompósito foi avaliada continuamente por 50 ciclos; surpreendentemente, os resultados mostram que o aumento da densidade de corrente após 50 ciclos sugere o processo de auto-limpeza e robustez do sistema de catalisador. Para a aplicação de energia, o nanocompósito baseado em grafeno também tem sido usado para a redução catalítica de 4- nitrofenol (4- NP ) poluente orgânico . Para este trabalho, uma ampla gama de catalisadores de grafeno nanocompósito foi sintetizada e o esforço foi o de reduzir o tempo de reacção e o custo do sistema nanocatalisador. Finalmente, o nanocompósito baseado em grafeno (Ni / RGO ) é usado para aplicações elétricas e eletrónicas, e também para fabricar os dispositivos memresistivos e biossensores de glicose. Uma vasta gama de técnicas de caracterização, principalmente difração de raios X (XRD), espectroscopia de infravermelhos (FTIR, Raman, espectroscopia de fotoeletrões de raios-X (XPS), microscopia eletrónica de varrimento (SEM), microscopia eletrónica de transmissão (TEM), medições de corrente vs. tensão (I-V), voltametria cíclica (CV) e espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS), foram usadas para análise de nanocompósitos de grafeno dopados com metais de transição para vários tipos de aplicações de energia.