پژوهشکده علوم و فناوری نانو

English   |     |     |  
 انتخاب وب سایت:

      دستیابی به روش سریع سنتز ترکیبات آلی با آلودگی کمتر
 
   دستیابی به روش سریع سنتز ترکیبات آلی با آلودگی کمتر

پژوهشگران شیمی دانشگاه کاشان با استفاده فناوری نانو، موفق به سنتز یک ترکیب آلی با قابلیت استفاده در سلول‌های خورشیدی شدند. روش پیشنهادی در این طرح باعث افزایش سرعت و کاهش آلودگی ناشی از فرآیند سنتز می‌شود.
برخی از ترکیبات آلی مانند آریل اتینیل متصل به تری آریل آمین، به دلیل خواص منحصربه‌فرد خود در ابزار آلات الکتروفتوگرافی و نشر نور مانند سلول‌های خورشیدی آلی به کار گرفته می‌شوند. علاوه‌بر این، می‌توانند بخش مهمی از ترکیبات پلیمری و مواد طبیعی را تشکیل دهند.
روش‌های موجود برای سنتز این ترکیبات در شرایط عادیی در زمان طولانی‌تر و با راندمان پایین‌تری انجام می‌گیرد. در کنار این دو ضعف، باید آلودگی محیطی ناشی از شرایط بازتاب (رفلاکس) را به آن افزود. به این منظور، محققان در این پژوهش با استفاده از فناوری نانو موفق شدند در یک روش جدید، این مشکلات را برطرف کنند. روش استفاده شده در این پژوهش را می‌توان جزو روش‌های سبز با شرایط محیطی معمولی قرار داد.
زینب اکبرزاده، دانشجوی دکتری رشته شیمی آلی دانشگاه کاشان، در تکمیل این مطلب گفت: «معمولاً ترکیبات آریل اتینیل متصل به تری آریل آمین با استفاده از کاتالیست‌های حاوی پالادیم و مس سنتز می‌شوند. تحت شرایط رفلاکس و استفاده از کاتالیست‌های توده‌ای این ترکیبات با راندمان بسیار پایینی تولید می‌شوند. بنابراین با توجه به اهمیت این ترکیبات در صنایع مختلف، هدف ما سنتز آن‌ها در زمانی کوتاه و با راندمانی بالا بوده است.»
در همین راستا، این محققان از نانوکاتالیست مس یدید برای سهولت انجام واکنش سنتز استفاده کردند. در این حالت، افزایش نسبت سطح به حجم نانوکاتالیست باعث افزایش فعالیت کاتالیستی مس یدید در واکنش مذکور شده و نتایج مطلوب را در پی دارد.
وی در ادامه به نحوه تولید این ماده پرداخت و افزود: «در ابتدا نانوکاتالیست مس یدید تحت شرایط امواج فراصوت تهیه شد. سپس اندازه نانومتری آن با استفاده از تصاویر میکروسکوپ الکترونی تأیید گردید. سنتز این ترکیبات آلی طی سه مرحله انجام شد. در مرحله اول، تری آریل آمین با استفاده از نانوذرات مس یدید با سرعت و راندمان بالایی تولید شد. سپس ترکیبات تری آریل آمین در موقعیت پارا، یددار شده و در مرحله نهایی آریل استیلن تحت شرایط واکنش جفت شدن سونوگاشیرا به تری آریل آمین متصل گردید، تا محصول نهایی آریل اتینیل متصل به تری آریل آمین تولید شود.»
واکنش جفت شدن سونوگاشیرا، گونه‌ای از واکنش جفت شدن است که در آن یک آلکین در حضور کاتالیست پالادیم با یک آریل واکنش داده و یک ترکیب استخلافی تولید می‌کند.
در این تحقیقات تأثیرات حلال، نوع و درصد کاتالیست نیز بر روی درصد بازدهی واکنش مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج حاکی از آن است که واکنش‌های بدون حلال با کاتالیست‌های نانوساختار از بازده بالاتری برخوردار هستند؛ به طوری که در حضور تنها 2% از نانو مس یدید بازده 78% مشاهده می‌شود. این در حالی است که در صورت استفاده از کاتالیست‌های غیر نانو، حتی با وجود حضور 12% از کاتالیست، بازده واکنش به بیشتر از 56% نمی‌رسد.
نتایج این کار تحقیقاتی که با تلاش زینب اکبرزاده و دکتر جواد صفایی قمی- عضو هیأت علمی دانشگاه کاشان- صورت گرفته است، در مجله Ultrasonics Sonochemistry (جلد 22، ژانویه سال 2015، صفحات 365 تا 370) چاپ خواهد شد.

 
      افزایش مقاوت حرارتی پلیمرها با نانوذرات
 

افزایش مقاوت حرارتی پلیمرها با نانوذرات

محققان دانشگاه کاشان، جهت افزایش مقاوت حرارتی و مقاومت در برابر شعله پلیمرها از فناوری نانو بهره گرفتند. نتایج این طرح مورد استفاده در صنایع اتومبیل‌سازی، لوازم خانگی و هوافضا خواهد بود است. از دیگر مزیت‌های این طرح کاهش آلودگی‌های زیست محیطی، به دلیل بهره گیری از نانوذرات، است.

 
کوپلیمر ABS به سبب قیمت ارزان و خواص مکانیکی خوب، به عنوان یک پلیمر صنعتی پرکاربرد شناخته می‌شود. از مهم‌ترین خواص این ماده می‌توان به فرایندپذیری آسان و مقاومت شیمیایی آن اشاره کرد. با این حال، یکی از اصلی‌ترین عیوب و موانع این کوپلیمر برای کاربردهای مهم، می‌توان به مقاومت حرارتی نسبتاً پایین و اشتعال‌پذیری اشاره کرد. استفاده از نانوذرات و پخش مناسب آن در ماتریس پلیمر آلی، به منظور دستیابی به مقاومت حرارتی مطلوب از اهداف دنبال شده توسط محققان در این پروژه بوده است.
داود قنبری، دانشجوی مقطع دکتری نانو در دانشگاه کاشان، در خصوص اهمیت کاربرد این نانوذرات عنوان کرد: «تا به حال پژوهش‌های گسترده‌ای به جهت افزایش مقاومت حرارتی پلیمر ABS انجام گرفته است. معروف‌ترین دیرسوزکننده‌هایی که برای این ترکیب استفاده شده، ترکیبات هالوژن‌دار آلی هستند که علی‌رغم تاثیرگذاری بالا، دارای معایب عمده‌ی زیست محیطی هستند. به همین دلیل استفاده از آن‌ها توسط سازمان‌های مدافع محیط زیست محدود شده است. به نظر می‌رسد استفاده از نسل جدید افزودنی‌ها، یعنی نانوذرات برای افزایش مقاومت در برابر حرارت و شعله، راهکار مناسبی باشد.»
در این طرح از نانوذرات مس سولفید، که سطح آن توسط ترکیب آلی دوست تیوگلیکولیک اسید اصلاح شده، در پایه‌ی پلیمری به کار رفته است. این نانوذرات همانند سدی، از پلیمر در برابر حرارت، شعله و نفوذ اکسیژن محافظت کرده و سرعت تخریب و تبخیر آن را در برابر حرارت کاهش می‌دهند. درضمن جایگزینی نانوذرات مس سولفید با ترکیبات هالوژن‌دار آلی، کاهش آلودگی محیط زیست را نیز در پی خواهد داشت.
به گفته‌ی قنبری، پخش منحصر به‌فرد نانوذرات در بستر پلیمری که ساختاری به شکل گل دارند، از ویژگی‌های خاص این طرح است. این امر به علت وجود تیوگلیکولیک اسید بر روی سطح نانوذرات و اصلاح آن‌ها صورت گرفته است؛ زیرا نانوذرات معدنی برهم‌کنش بسیار مناسب‌تری با پلیمر آلی دارند.
در طی انجام این مطالعات، ابتدا نانوذرات سولفید مس در دمای نسبتاً پایین، 110درجه سانتی‌گراد، و با روش هیدروترمال ساخته شد. در این فرایند، از تیوگلیکولیک اسید به عنوان منبع گوگرد و عامل رشد ترجیحی نانوساختارها استفاده شد. سپس اثر عوامل مختلف مانند غلظت و دما بر روی ساختار نانوذرات بررسی گردید. استفاده از حلال آب برای سنتز، از دیگر ویژگی‌های این واکنش بوده است. پس از ساخت و تأیید نانوساختارها با انواع میکروسکوپ‌های الکترونی و آزمون‌های طیف‌سنجی، نانوذرات به بستر پلیمری اضافه شدند. برای بررسی تأثیر مقاومت حرارتی از آزمون وزن سنجی گرمایی بهره گرفته شد. همچنین مقاومت در برابر شعله توسط آزمون‌های UL-94 و ضریب حداقل اکسیژن مطالعه شده است.
در خصوص برتری استفاده از فناوری نانو در این طرح باید گفت که از مهم‌ترین مشکلات افزودنی‌های معدنی به پلیمر، عدم پخش مناسب و دو فازی شدن است. این عدم تطابق، باعث کاهش مقاومت مکانیکی، کدر شدن و ترد شدن پایه پلیمری می‌شود. لذا هر چه اندازه و ابعاد افزودنی معدنی کوچک و کوچک‌تر باشد، پخش و برهم‌کنش مناسب‌تری با ماتریس پلیمری دارد. به همین دلیل فناوری نانو تأثیر مستقیم بر صنایع کامپوزیت داشته و باعث ظهور صنعت نانوکامپوزیت گردیده است. 
قنبری در پایان افزود: «پلیمرهای ساخته شده با این خصوصیت، اگر حتی در برابر شعله مقاومت نکنند، قطعاً سرعت انتشار آن را کاهش داده و زمان را برای نجات افراد و خاموش کردن آتش افزایش می‌دهند. لذا طرح‌های این چنینی مورد استفاده در ساخت اتومبیل‌ها، پوشش داخلی انواع مکان‌ها، انبارهای حاوی مواد اشتعال‌پذیر و منازل (فرش و پارچه) خواهد بود.»
این مطالعات توسط داود قنبری و دکتر مسعود صلواتی نیاسری- عضو هیأت علمی دانشگاه کاشان صورت گرفته است که نتایج آن در مجله Journal of Industrial and Engineering Chemistry (جلد 20، شماره 5، سال 2014، صفحات 3709 تا 3713) به چاپ رسیده است.
 
      ارائه‌ی روش جدید سنتز ترکیب نیمه‌رسانای اینیدیوم مس سولفید
 


    ارائه‌ی روش جدید سنتز ترکیب نیمه‌رسانای اینیدیوم مس سولفید

 پژوهشگران ایرانی با استفاده از پیش ماده معدنی جدید در حضور امواج مایکروویو موفق به ارائه روشی جدید برای تولید یک ترکیب نیمه‌رسانا با قابلیت کاربرد در سل‌های خورشیدی شدند. کاهش هزینه و افزایش سرعت تولید، کاهش آلودگی و همچنین خلوص بالا از جمله مزایای این روش هستند. قابل ذکر است که این روش به دلیل سرعت بالا و دمای عملیاتی پایین‌تر می‌تواند در تولید صنعتی این ماده قدم موثری باشد. یکی از روش‌های تولید پاک و بدون آلاینده‌ی برق، تبدیل انرژی خورشیدی به برق است. این تبدیل با استفاده از مواد مناسبی با خواص فتوولتائیک امکان‌پذیر است. ترکیب نیمه‌رسانای اینیدیوم مس سولفید یکی از این مواد است. این ماده به دلیل ضریب جذب بالای نور خورشید، مورد توجه محققان قرار گرفته است. تا کنون روش‌های مختلفی برای سنتز این نانوساختار ارائه شده که از امواج مایکرویو به عنوان یکی از مناسب‌ترین روش‌های گرما‌دهی به فرآیند تولید و سنتز یاد می‌شود. این محققان با استفاده از پیش ماده معدنی جدید در حضور امواج مایکروویو ترکیب نیمه‌رسانای اینیدیوم مس سولفید را تولید نموده‌اند. همچنین بررسی کاربرد آن در سل‌های خورشیدی و تأثیر منابع مختلف سولفید بر روی ساختار محصول نهایی از دیگر موارد بررسی شده در این تحقیق است. سیدمصطفی حسین‌پور مشکانی، دانشجوی کارشناسی ارشد نانوشیمی دانشگاه جواهرلعل نهرو هند (Jawaharlal Nehru Technological University Hyderabad) در این باره گفت: « برای انجام این تحقیقات ابتدا به بررسی روش‌های به کار برده شده برای سنتز این نانوذره پرداختیم تا مناسب‌ترین آن‌ها انتخاب گردد. در ادامه بررسی‌هایی در زمینه پیش ماده‌های به کاربرده شده برای ساخت این نانوذره صورت گرفت و عوامل موثر بر خاصیت این نانوذره مطالعه شد. در آخر نیز امکان اندازه‌گیری خاصیت سل‌های خورشیدی به‌دست آمده از این نانوذره و همچنین عوامل موثر بر میزان بازدهی آن‌ها مورد ارزیابی قرار گرفت.» مواد نیمه رسانا داری خاصیت فوتولومینسانس هستند و میزان این خاصیت در ترکیب به صورت توده‌ای (در ابعاد غیرنانو) با ابعاد نانو فرق دارد. خاصیت فوتولومینسانس این مواد در ابعاد نانو بهتر است که به افزایش بازده سلول‌های خورشیدی منتهی می‌شود. فوتولومینسانس یکی از انواع لومینسانس است که در آن تحریک اتم توسط فوتون‌ها صورت می‌گیرد. در این فرآیند، برانگیختگی به سطوح انرژی بالاتر و بازگشت به سطح انرژی پایین‌تر با جذب و نشر فوتون همراه است. نتایج به‌دست آمده از تصاویر XRD بدست آمده از نانوذرات سنتز شده، نشان می‌دهد که این نانوذرات دارای فاز تتراگونال بوده و هیچ گونه ناخالصی در آن حضور ندارد. همچنین نتایج اولیه ساختار ITO/CIS/CdS/Pt-ITO نشان دهنده‌ی امکان تولید این نانوماده با قابلیت کاربرد در سل‌های خورشیدی است.  در یک مقایسه ساده‌ی روش حاضر با روش‌های مختلف مشخص شده که این روش از دمای عملیاتی پایین‌تر و سرعت بالاتری برخوردار است. همچنین اندازه نانوذرات تولیدی در این روش از سایر روش‌ها کوچکتر است. نتایج این کار تحقیقاتی که با تلاش سیدمصطفی حسین‌پور مشکانی، دکتر مسعود صلواتی نیاسری-عضو هیأت علمی دانشگاه کاشان-، فاطمه مهندس-دکتری شیمی از دانشگاه کاشان- صورت گرفته است، در مجله Journal of Industrial and Engineering Chemistry (جلد 20، شماره 5، 25 سپتامبر سال 2014، صفحات 3800 تا 3807) منتشر شده است.