Date of Award

3-2024

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Science in Chemistry

Department

Chemistry

First Advisor

Dr. Fathy M. Hassan

Second Advisor

Prof. Yaser Greish

Third Advisor

Dr. Nayla Munawar

Abstract

This thesis presents the work done developing nanotechnology-based compositions contributing to the advancement of two main sectors: Water and Energy. For they present vital impact and correspondence for sustainability and development worldwide. Composites constituted following the most recent trends in material science and nanotechnology while revolving around Manganese Oxide as the material of investigation. Water security is one of the most important challenges in our current times. Moreover, reports warn of the predicted restricted access to clean water by 2050, which is expected to impact more than half the population. Thus, many scientists and societies are exerting efforts to develop a sustainable and feasible solution. Modules of atmospheric water harvesting-based technology are sought as a promising answer. The attractiveness lies in the feasibility and low cost through a variety of materials. In our work, we aim to boost the collection of aluminum-based mesh. Natural creatures inspire us, adopting flowerlike sempervivum plants and constructing an architecture surface of alternating hydrophilic-hydrophobic chemistry referencing desert beetles (Stenocara gracilipes). Our composition illustrates a flowerlike morphology from nanostructured manganese oxide, tunable through a polymer linker; Polyacrylonitrile. Controlling the surface properties, our composed Nanoflake/ Nanoflower (NF-MnO2)/ PAN nanostructure paradigm advances the droplets to drop growth and release process with a collection efficiency estimate between 26 and 45 L/m2 per Hour. In the second part of this thesis, paving for a composition facilitating the rise in energy demand. Our extended efforts investigated materials applicable to supercapacitors (SC) type of energy storage devices. Supercapacitor’s attractive fundamentals value high energy and power factors. Our hybrid Supercapacitor (SC) joins the efficient electric double-layer capacitor’s (EDLC) fast charge and discharge of electrons and ions, on an increased surface area, with the pseudo-capacitance faradic current attributed to the redox reactions corresponding to the metal oxides composed. A composite material has been investigated, developed, and improved to bridge the gap between theoretical values and experimental outcomes by the insertion of carbon-based materials for better conductivity, supported by carbon nanotubes to modify their properties, increasing the stability with polymeric binders for easier proton transport and ionic migration. In our paradigm, a variety of manganese oxides with different morphologies and phases/ structures have been investigated for hybrid nanostructures with modified properties. Our resultant composite had successfully exerted very high specific capacitance in a cell of high eco-chemical stability with electrochemical capacitive retention where the specific capacitance of the composite reached 1456 F/g at 2 mV/s in cyclic voltammetry measurement and had a high retention profile above 95% after 11000 cycles during GCD at 1 A/g in an environmentally eco-friendly cell system suitable for industrial scale-up.

Arabic Abstract


مواد متطورة ذات بنية نانوية لتجميع المياه وتخزين الطاقة

تقدم هذه الرسالة تطويراً لتركيبات تقنية النانو التي تسهم في تقدم قطاعين رئيسيين: المياه والطاقة، حيث تقدم تأثيراً مطابقاً للاستدامة والتنمية على المستوى العالمي. ركائز ممكنة وفقاً لأحدث الاتجاهات في علوم المادة وتكنولوجيا النانو والتركيز على أكسيد المنجنيز كمادة لتحقيق. يعتبر أمن المياه أحد أهم التحديات في عصرنا الحالي. كما تحذر التقارير من صعوبة الوصول إلى المياه النظيفة بحلول عام 2050، والذي سيؤثر على أكثر من نصف السكان. لذلك، يبذل العديد من العلماء جهوداً لتطوير حل مستدام. يسعى لتكنولوجيا جمع المياه الجوية كأحد الجوانب تكمن في الجدوى والتكلفة المنخفضة من خلال مجموعة متنوعة من المواد. في عملنا، نهدف إلى تعزيز جمع الشبكة الألومينومية القائمة على تكنولوجيا جمع المياه الجوية. كما أننا نستأهم من المخلوقات الطبيعية، من خلال اعتماد نباتات مثل السبيرغون بنمط زهري وبناء سطح معماري يتميز بالعناصر الكيميائية المحبة للماء الطاردة للماء المتناوبة مبتدأً من الخنافس الصحراوية. (Stenocara gracilipes) توضح تركيبنا تشريحاً زهرياً من أكسيد المنجنيز النانوي المنظم، قابل للتعديل من خلال مرتبط بوليمري؛ البولي أكريلونيتريل. من خلال التحكم في خصائص السطح، تقدم تركيبات NF-MnO₂ / PAN النانوية تقدماً في عملية نمو وإفراج قطرات الماء وجمعها بكفاءة بتقدير يبلغ بين 26 و45 لتر/ متر مربع في الساعة. في الجزء الثاني من هذه الرسالة، نتوجه نحو تركيب يسهل تخزين الطاقة. جهودنا الموسعة تحقق في تطبيق المواد على أنواع أجهزة تخزين الطاقة من نوع المكثفات الفائقة (SC). الامتيازات المفيدة للمكثف الفائق تقدر قيمة الطاقة وعوامل القوة العالية. يجمع SC الهجين لدينا بين شحن وتفريغ إلكترونات وأيونات EDLC الكفء والسريع على مساحة سطح مكررة مع التيار الفارادي الزائف المرتبط بتفاعلات التخزين الكهروكيميائي لأكاسيد المعادن الممكنة. تم تحقيق تركيب مركب وتطويره وتحسينه لسد الفجوة بين القيم النظرية والنتائج التجريبية من خلال إدخال مواد قائمة على الكربون لتحسين التوصيلية، بدعم من أنابيب الكربون النانوية لتعديل خصائصها، مما يزيد من الاستقرار مع روابط البوليمرية لنقل البروتونات بسهولة وهجرة الأيونات. في عملنا، تمت دراسة مجموعة متنوعة من أكسيد المنجنيز تنوع الأشكال وأطوار/ هياكل مختلفة للهياكل النانوية الهجينة ذات الخصائص المعدلة. أظهرت تركيبتنا النهائية قدرة كبيرة جداً على التكييف الكهروكيميائي في خلية ذات استقرار كيميائي بنائي عالٍ مع الاحتفاظ الكهربائي التكيفي حيث بلغت السعة الكهربائية 1456 F/g بسرعة 2 مللي فولت/ثانية mV/s في قياس الفولتامتري الدوري وكان لها ملف احتفاظ على فوق 95% بعد 11000 دورة أثناء GCD عند 1 A/g في نظام خلية صديق للبيئة ومناسب للتصنيع على نطاق صناعي.

Download

Included in

Chemistry Commons

COinS