Date of Award

11-2025

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Chemistry

Department

Chemistry

First Advisor

Fathy Hassan

Second Advisor

Yaser Greish

Abstract

Due to the high demand for sustainable energy storage options and efficient energy conversion devices, extensive research has been conducted on various electrode materials. This thesis is concerned with the fabrication of electrode material mainly using cobalt-based material, particularly cobalt layered double hydroxides (Co-LDH) with the combination of nitrogen-doped carbon nanotubes (N-CNTs) to be used in supercapacitors and oxygen evolution reactions (OERs) applications. The main objective is to enhance the electrochemical performance of supercapacitors and to develop a novel electrode material for a more stable and efficient OER in alkaline medium.

The methodology involved a one-step hydrothermal procedure to synthesize the two-dimensional ultrathin Co-LDH nanosheets, which also included the in-situ integration of N-CNT to form Co-LDH/N-CNT composites. Moreover, the electrodes were prepared by coating the material on conductive Ni foam substrates and then immersing them in an alkaline 2 M KOH (supercapacitor) and 1 M KOH (OER) electrolyte for characterization and electrochemical testing. Different characterization techniques such as XRD, FT-IR, SEM, and TEM were used to study surface morphology and the structure of the material. Their electrochemical performance was investigated using cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge–discharge tests (GCD), electrochemical impedance spectroscopy EIS), and cyclic stability tests The OER testing was conducted in 1 M KOH electrolyte using the same 3-electrode system set up for cyclic voltammetry (CV), linear sweep voltammetry (LSV), and Chronopotentiometry (CP).

The results of the experiment showed that the performance of the electrode has significantly improved in terms of specific capacitance after the integration of carbon nanotubes compared to pristine Co-LDH. This is mainly because the incorporation of nitrogen-doped carbon nanotubes plays a vital role in enhancing the conductivity and mechanical stability of Co-LDH.

Although the theoretical capacitance of Co-LDH is considered high, the material has consistently suffered from low electrical conductivity and structural stability, which limit its performance. Thus, this research fills this gap by developing a strategy that helps overcome the restrictions and limitations of conventional Co-LDH by combining it with N-CNTs, thereby extending the material's application to water splitting. This also demonstrates the role of hybridization in producing a high-performing energy technology.

This thesis contributes to the field of energy storage and energy conversion by filling the void between the development of supercapacitor electrode materials and water splitting catalysts by designing a single material for both applications, which is more practical and cost-efficient.

Arabic Abstract


المزدوجات الهيدروكسيدية الطبقية المحتوية على الكوبالت كمواد قطب متقدمة للمكثفات الفائقة والتحفيز الكهروكيميائي

نظرًا للطلب الكبير على حلول تخزين الطاقة المستدامة وأجهزة التحويل الطاقي عالية الكفاءة، تم إجراء أبحاث واسعة على مواد الأقطاب الكهربائية المختلفة. تركز هذه الأطروحة على تصنيع مادة للأقطاب الكهربائية باستخدام البُنى النانوية القائمة على الكوبالت، وبالأخص الهيدروكسيدات المزدوجة الطبقات للكوبالت (Co-LDH) مع دمج أنابيب الكربون النانوية المطعّمة بالنيتروجين (N-CNTs) لاستخدامها في المكثفات الفائقة وفي تطبيقات تفاعل إنتاج الأكسجين (OER) . الهدف الرئيسي هو تعزيز الأداء الكهروكيميائي للمكثفات الفائقة وتطوير مادة جدي دة للأقطاب الكهربائية تكون أكثر استقرارًا وكفاءة في تفاعل إنتاج الأكسجين في الوسط القلوي .

شملت المنهجية لتحضير مادة القطب الكهربائي إجراءً مائيًا حراريًا بخطوة واحدة لتصنيع صفائح Co-LDH ثنائية الأبعاد فائقة الرقة، كما شملت الدمج الموضعي (in-situ) لأنابيب الكربون النانوية المطعّمة بالنيتروجين لتصنيع مركبات Co-LDH/N-CNT. علاوة على ذلك، تم تحضير الأقطاب الكهربائية عن طريق طلاء المادة على ركائز من رغوة النيكل الموصلة وغمرها في محلول إلكتروليتي قاعدي من KOH بتركيز 2 م للتجارب الكهروكيميائية. وتم اختبار أدائها الكيميائي باستخدام تقنيات الفولتمترية الدورية (CV) ، اختبار الشحن والتفريغ الجلفانوستاتيكي (GCD) ، اختبار التحليل الطيفي للمقاومة الكهربائية (EIS) ، واختبار الاستقرار الدوري. أما اختبار تفاعل إنتاج الأكسجين (OER) فقد تم في محلول KOH بتركيز 1 م باستخدام نظام ثلاثي الأقطاب نفسه.

أظهرت نتائج التجارب أن أداء القطب الكهربائي قد تحسن بشكل ملحوظ في السعة النوعية بعد دمج أنابيب الكربون النانوية، مقارنةً بمركب Co-LDH النقي. ويعود ذلك بشكل أساسي إلى أن دمج أنابيب الكربون النانوية المطعّمة بالنيتروجين يلعب دورًا حيويًا في تعزيز التوصيلية والاستقرار الميكانيكي لمركب .Co-LDH وعلى الرغم من أن السعة النظرية لمركب Co-LDH تُعد مرتفعة، إلا أن هذه المادة عانت دائمًا من ضعف في التوصيلية الكهربائية والاستقرار البنيوي مما حدّ من أدائها. ومن هنا جاءت أهمية هذه الدراسة التي تملأ هذه الفجوة من خلال تطوير استراتيجية لتجاوز القيود والحدود المرتبطة بمركب Co-LDH التقليدي عبر دمجه مع N-CNTs ، إضافةً إلى توسيع تطبيق المادة لاستخدامها في عمليات تحليل الماء (water splitting). كما تُبرز هذه النتائج دور التهجين في إنتاج تقنيات طاقة قابلة للتوسع وذات أداء عال .

تُسهم هذه الأطروحة في مجال تخزين الطاقة وتحويلها من خلال سد الفجوة بين تطوير مواد أقطاب المكثفات الفائقة ومحفزات تحليل الماء عبر تصميم مادة واحدة لكلا التطبيقين، مما يجعلها أكثر عملية وكفاءة من حيث التكلفة. كما تُظهر هذه الدراسة دور التهجين في التغلب على قيود هيدروكسيدات المعادن .

Download

Included in

Chemistry Commons

COinS