Date of Award

4-2024

Document Type

Dissertation

Degree Name

Doctor of Philosophy in Mechanical Engineering

Department

Mechanical and Aerospace Engineering

First Advisor

Prof. Abdel-Hamid I. Mourad

Second Advisor

Dr. A.S. Mohammad Sayem Mozumder

Abstract

This doctoral research aims to advance clean energy technologies by developing specialized nanostructured materials. The study covers significant research themes, each forming separate sections in the thesis, explaining the important role of nanostructures in enhancing the efficiency and sustainability of energy devices and photocatalytic technologies.

The enduring effort toward stabilizing and improving the efficiency of Dye-Sensitized Solar Cells (DSSCs) has stirred the solar research community to follow innovative approaches. The primary objective of the research is centered on electrode materials design, which improves photoanodes' Light-Harvesting Efficiency (LHE). To improve the Photoanode of DSSCs, a Metal-Organic Framework (MOF) derived porous photoanodes were developed to effectively absorb dye molecules and improve LHE, resulting in high Power Conversion Efficiency (PCE). Doping is a prospective methodology to tune the bandgap and broaden spectral absorption. Hence, a novel and cost-effective synthesis of high surface area Transition Metal (TM) doped TiO2 nanocrystals via the MOF route for DSSCs is explored. The TM dopants (i.e., Co, Mn, Fe, Ni), in TiO2 lead to enhanced light absorption in the visible region. Among the TM dopants, a remarkable PCE of 7.03% was obtained for nickel-doped samples with increased Jsc (14.66 mA/cm2) due to the bandgap narrowing and porous morphology of TiO2. As a second objective, Platinum Nano Particles (Pt NPs) incorporated into multiwalled carbon nanotubes composites with lower Pt content were developed as an efficient bifacial Counter Electrode (CE) material for DSSC applications. Pt NPs were homogenously decorated over the MWCNT surfaces using a simple polyol method at relatively low temperatures. CEs fabricated using Pt/MWCNT composites exhibited excellent transparency and Power Conversion Efficiencies (PCE) of 6.92% and 6.09% for front and rear illumination. These results emphasize the significance of tailored nanostructures in optimizing the performance of optoelectronic devices and are expected to bring significant advances in DSSCs.

Furthermore, the developed Iron (Fe) doped MOF derived materials were applied for their performance studies for supercapacitor applications as a third objective. The pseudo capacitors were fabricated using TiO2/Fe-TiO2 material as electrodes with KOH electrolytes at 0.6 V, and the supercapacitive performance was studied using CV, GCD, and EIS analysis. A remarkable cycling life of 78% up to 2500 cycles and a superior capacitance of 925 F/g were obtained using the synthesized material. The fabricated asymmetric supercapacitor exhibits supercapacitive performance, favorable rate capability, and exceptional flexibility. The obtained properties demonstrate that nanostructured Fe-doped TiO2 is an attractive, active electrode material for high-performance supercapacitor applications.

As a fourth objective, an efficient composite material based on Ag NPs, MOF-derived Cobalt-doped TiO2 NPs, and MXene is developed for clean water production via photocatalysis. A simple one-pot solvothermal method fabricated Ti3C2 MXene decorated with MOF-derived Cobalt-doped TiO2 and Ag nanoparticles. The composite material combines the unique antibacterial properties of Ag NPs, high absorptive properties of metal-organic framework-derived cobalt-doped titanium dioxide (TiO2), and catalytic properties of MXene. The resulting composite materials were characterized thoroughly to examine their effectiveness in the photocatalytic degradation of industrial dyes such as Methylene Blue (MB) and Methyl Orange (MO). The results show that 0.025 mg and 0.05 mg of the composite can degrade the MO and MB dyes under sunlight in 60 min.

The successful synthesis of Metal-Organic Frameworks (MOFs), MOF-derived metal oxides, MXene, and MXene composites provides promising opportunities for enhancing energy and environmental applications in various industries.

Arabic Abstract


توليف وعلاقات بين الهيكل والخصائص للمواد النانوية المستدامة نحو تطبيقات الطاقة والبيئة

يقدم هذا البحث تقنيات الطاقة النظيفة من خلال تطوير مواد نانوية متخصصة. تغطي الدراسة مواضيع بحثية هامة، حيث تشكل كل منها أقساماً مفصلة في الرسالة، تشرح الدور الهام للهياكل النانوية في تعزيز كفاءة واستدامة أجهزة الطاقة وتقنيات التفاعل الضوئي.

كما أن الجهد المستمر نحو تطوير وتحسين كفاءة الخلايا الشمسية المحسسة بالأصباغ (DSSCs) دفع مجتمع البحث الشمسي إلى اتباع طرق مبتكرة. الهدف الرئيسي للبحث يتركز حول تصميم مواد القطب، التي تحسن كفاءة جمع الضوء (LHE) للأدوات الضوئية من أجل تحسين الأنود الضوئي لخلايا DSSCs. تم تطوير أدوات ضوئية مسامية مشتقة من إطارات نانوية معدنية (MOF) التي يمكن أن تمتص بفعالية جزيئات الأصباغ وتحسن LHE، مما يؤدي إلى كفاءة تحويل طاقة عالية (PCE). التسريب هو منهجية محتملة لضبط فجوة النطاق الضوئي وتوسيع الامتصاص الطيفي. لذلك، تم استكشاف توليف جديد وفعال من حيث التكلفة لكريستالات تيتانيوم ثنائية الأكسدة معدنية عالية المساحة ومشوبة بعناصر انتقال الفلزات (TM) عبر طريقة MOF لـ DSSCs يؤدي المشوبات بعناصر TM مثل (Co و Mn و Fe و Ni في TiO₂) إلى زيادة امتصاص الضوء في المنطقة المرئية. من بين عناصر TM المشوبة، تم الحصول على كفاءة تحويل طاقة ملحوظة تبلغ %7.03 للعينات المشوبة بالنيكل مع زيادة في Jsc (14.66 mA/cm²) بسبب تضييق فجوة النطاق والتشكيل المسامي لـ TiO₂ كهدف ثانوي، تم تطوير مواد الكربون النانوية المتعددة الجدران (MWCNT) المشبعة بجسيمات البلاتين (Pt NPs) بنسبة منخفضة من البلاتين كمواد كهربية مضادة فعالة لتطبيقات DSSC وتم تحسين Pt NPs بشكل متجانس على سطح MWCNT باستخدام طريقة بسيطة ببوليول عند درجات حرارة منخفضة نسبياً. أظهرت الكهاربات المصنوعة باستخدام مركبات Pt/MWCNT شفافية ممتازة وكفاءات تحويل طاقة (PCE) تبلغ %6.92 و %6.09 للإضاءة الأمامية والخلفية. تؤكد هذه النتائج أهمية الهياكل النانوية المصممة خصيصاً في تحسين أداء الأجهزة الكهروضوئية ومن المتوقع أن تحقق تقدماً كبيراً في خلايا DSSC. علاوة على ذلك، كهدف ثالث، تم تطبيق مواد الإطار النانوية المعدنية المشوبة بالحديد المطورة لدراسة أدائها في تطبيقات المكثفات الفائقة.

تم تصنيع المكثفات الزائفة باستخدام كل من مادة TiO₂/Fe-TiO₂ ككاثودات مع محلول كهربائي KOH عند 0.6 فولت ودرست أداء المكثف الفائق باستخدام تحليل CV و GCD و EIS وتم الحصول على عمر دورة ملحوظ بنسبة %78 حتى 25000 دورة وسعة تحميل فائقة بلغت 925 F/g باستخدام المواد المركبة. يظهر المكثف الفائق الأحادي القطب أداءً فائق السعة وقابلية للتطبيق المواتية ومرونة استثنائية. تظهر الخصائص المحصلة أن TiO₂ المشوب بالحديد ذو الهياكل النانوية هو مادة قطب نشطة جذابة لتطبيقات المكثفات الفائقة عالية الأداء.

كهدف رابع، تم تطوير مادة مركبة فعالة استناداً إلى جسيمات الفضة (Ag NPs) وجسيمات TiO₂ المشوبة بكوبالت المشتقة من MOF، و MXene لإنتاج مياه نظيفة عن طريق التفاعل الضوئي. تم تصنيع المادة المركبة بطريقة مذيبية حرارية واحدة بسيطة زينوثرمال باستخدام Ti₃C₂ MXene المحسنة بـ MOF-TiO₂ المشوبة بالكوبالت وجسيمات الفضة (Ag NPs). تجمع المادة المركبة بين الخصائص المضادة للبكتيريا المميزة لجسيمات الفضة، والخصائص الامتصاصية العالية لإطار النانو العضوي المعدني (MOF) المشتق من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂)، والخصائص الحافزة لـ MXene. تمت دراسة المواد المركبة الناتجة بشكل شامل لفحص فعاليتها في تفكك الأصباغ الصناعية (ميثيلين بلو وميثيل أورانج) باستخدام الضوء. تظهر النتائج أن 0.025 ملغ و 0.05 ملغ من المركب يمكن أن تحلل الأصباغ في ظل الشمس في 60 دقيقة.

 يتيح التركيب الناتج للأطر الفلزية العضوية (MOFs)، وأكاسيد المعادن المشتقة من MOF، و MXene، ومركبات MXene فرصاً واعدة لتعزيز التطبيقات الطاقوية والبيئية في مختلف الصناعات.

Download

Share

COinS