تاکنون راه¬کارهای بسیاری برای بهبود عملکرد فوتوکاتالیستی نیم¬رساناها ارائه شده است که از میان آن¬ها می-توان به ترکیب فلزات نجیب پلاسمونی با نیم¬رساناها به عنوان فوتوکاتالیست¬های پلاسمونی اشاره کرد. این دسته از کامپوزیت¬ها کاندیدای مناسبی برای بررسی اثرات ناشی از تشدید پلاسمون سطحی جایگزیده فلزات نجیب بر بهبود عملکرد فوتوکاتالیستی نیم¬رساناها می¬باشند. از آنجایی که پدیده تشدید پلاسمون سطحی جایگزیده فلزات نجیب به عوامل مختلفی چون اندازه، ریخت، جنس و محیط پیرامون نانوساختار فلز وابسته است با تغییر و کنترل این عوامل می¬توان عملکرد فوتوکاتالیستی کامپوزیت¬های شامل فلزات نجیب را کنترل و نهایتاً بهینه کرد.
در تحقیق حاضر، به منظور بررسی و مطالعه این نوع از فوتوکاتالیست¬های پلاسمونی، ابتدا نانوساختارهای مختلف نقره شامل نانوسیم¬، نانوکره و نانومکعب در اندازه¬های مختلف و نانوذرات نیم¬رسانای اکسید روی ساخته شدند. سپس وابستگی خواص پلاسمونی نانوساختارهای نقره به اندازه، ریخت، جنس و محیط پیرامون آن¬ها بررسی و مشخصه¬یابی شد. در ادامه نیز برای درک بیشتر از مفهوم تشدید پلاسمون سطحی و عوامل موثر بر آن، با استفاده از شبیه¬سازی به روش تفاضل متناهی در دامنه زمانی، به بررسی نظری آن پرداخته شد. پس از آن، کامپوزیت¬هایی از نانوذرات اکسید روی و نانوساختارهای مختلف نقره با غلظت¬های مختلف 1، 5/4 و 8 درصد وزنی تولید شدند. به منظور بررسی خواص فوتوکاتالیستی، این کامپوزیت¬های فوتوکاتالیست پلاسمونی بر روی زیرلایه¬های شیشه¬ای، لایه¬نشانی شدند. نتایج حاصل از بررسی تجزیه فوتوکاتالیستی رنگ آبی متیلن با استفاده از این کامپوزیت¬های پلاسمونی نشان داد که حضور نانومکعب¬های نقره در کامپوزیت¬های پلاسمونی نسبت به نانوکره¬های نقره و نانوکره¬ها نیز نسبت به نانوسیم¬های نقره می-توانند باعث بهبود بیشتر عملکرد فوتوکاتالیستی شوند. در ادامه نیز با بررسی اثرات ریخت، اندازه و غلظت نانوساختارهای نقره تایید شد که تمام این عوامل بر عملکرد فوتوکاتالیستی موثرند. از بین کامپوزیت¬های پلاسمونی ساخته شده، کامپوزیتی که شامل 5/4 درصد وزنی از نانومکعب¬های نقره با اندازه طول nm 65 است، بیشترین عملکرد فوتوکاتالیستی را داراست و نتایج نشان دادند که با استفاده از این کامپوزیت، پس از گذشت 120 دقیقه بیش از 68% از رنگ متیلن آبی با ثابت آهنگ تجزیه min-1 00921/0 حذف شده است. در نهایت نیز سازوکارهای فیزیکی حاکم بر فوتوکاتالیست¬های پلاسمونی موجود بررسی شدند و تایید شد که در تحقیق حاضر، سازوکار انتقال انرژی که به واسطه اثر میدان-نزدیک و پراکندگی میدان-دور حاصل از پدیده تشدید پلاسمون سطحی جایگزیده نانوساختارهای نقره موجود در کامپوزیت¬های فوتوکاتالیست پلاسمونی، انجام می¬شود می¬تواند سازوکار غالب باشد.

 لایه¬های نازک شفاف رسانای شبکۀ کاتوره¬ای از نانولوله¬های کـربنی چندجداره عامل¬¬دار شده با طول¬های مختلف به روش لایه¬نشانی چرخشی بدون استفاده از پایدارساز بر روی زیرلایه¬های شیشه¬ای ساخته شدند. به¬منظور پخش یکنواخت نانولوله¬های کربنی در مایعات مختلف و هم¬چنین تغییر طول آن¬ها، نانـولوله¬های کربنی چندجداره در حضور اسید¬های قوی نظیر اسید سولفوریک و اسید نیتریک به نسبت 1:3 در زمان¬های 15، 30، 60 و120 دقیقه عامل¬دار گردیدند. سپس خـواص الـکتریکی و نوری لایـه-هـای نازک ساخته شده بر حسب طـول آن¬هـا، خـاصیت آب¬دوستی، آب¬گریزی و خاصیت فوتـوکاتالیستی آن¬ها مطالعه¬ و بررسی شد. هـم¬چنین آلایش نانولوله¬های کربنی با نانوذرات نقره صورت گرفت تا تاثیر حضور نانوذرات فلزی بر خواص لایه¬ها مطالعه شود. نظر به¬این¬که چسبندگی نانولوله-هـای کـربنی به سطح شیشه ضعیف است زیرلایه¬های شیشه¬ای با استفاده از 3- آمینوپروپیل¬تری اتوکسی¬سیلان عامل¬دار شدند تا چسبندگی نانولوله¬ها به زیرلایه¬های شیشه¬ای تقویت گردد. آزمایش¬های انجام شده جهت بررسی خواص الکتریکی و نوری در ناحیۀ مرئی نشان داد که رسانش الکتریکی لایه-های تولید شده با نانولوله¬هـای 30 دقیقه رفلاکس شده نسبت به 60 و 120 دقیقه رفـلاکس به شـکل قـابل ملاحظه¬ای بهبود پیدا می¬کند. اثر بازپخت نمونه¬ها پس از ساخت در دمـای¬های مختلف بررسی گـردید و اندازه¬گیری¬ها نشان دادند که در دمای °C285 در فشار اتمسفر، مقاومت الکتریکی سطحی به¬میزان یک مرتبه کاهش پیدا می¬کند. این تغییر در نمونه¬هـای عـامـل¬دار شده با 30 دقیقه رفـلاکس به¬شکل خوبی مشاهده گردید. نسبت رسانندگی الکتریکی جریان ثابت به رسانندگی نوری که معیار شایستگی لایه¬های نازک شفاف رسانا را معرفی می¬کند بـرای نمونۀ 30 دقیقه رفلاکس 37 بدست آمد که نسبت به نمونه¬های با زمان 60 و 120 دقیقه رفلاکس بهتر بود. خواص الکتریکی و نوری نمونه¬های ساخته شده جهت اثر افزودن نانوذرات فلزی شامل نانوسیم¬های نقره مورد بررسی قرار گرفت و نتایج بدست آمده نشان داد خواص الکتریکی به¬شکل قابل ملاحظه¬ای بهبود پیدا می¬کند. عدد شایستگی لایه-های تهیه شده با نمونۀ 1/5 درصد وزنی نانوسیم¬های نقره 4/92 بدست آمد که افزایش چشم¬گیری نسبت به نمونه¬های بدون نانوسیم نقره بود. هم¬چنین خاصیت فوتوکاتالیستی، آب¬دوستی و آب¬گریزی لایه¬های ساخته شده با نانولوله¬های 30، 60 و 120 دقیقه رفلاکس مورد بررسی قرار گرفت. نتایج بدست آمده نشان داد خاصیت فوتوکاتالیستی لایه¬های ساخته شده با نانولوله¬های 30 دقیقه رفلاکس شده با افزایش ضخامت لایه نسبت به نمونه¬های 60 و 120 دقیقه رفلاکس، در تجزیه رنگ قرمز کنگو بهتر بود. وابستگی خاصیت فوتوکاتالیستی به ضخامت برای هر سه نمونه وابستگی زیادی به ضخامت¬های کمتر از 200 نانومتر نشان نداد، ولی اندازه¬گیری¬های درصد نسبی جذب برای زمان¬های رفلاکس 30 ، 60 و 120 دقیقه نشان داد خاصیت فوتوکـاتـالیستی به طـول نانـولولـه¬هـا وابسته است. هم¬چنین انـدازه-گیری¬هـای انـجام شده جهت خاصیت آب¬دوستی و آب¬گریزی نشان داد لایه¬های ساخته شده با ضخامت کمتر از 100 نانومتر با نانولوله¬های مختلف خاصیت آب¬گریزی نشان می¬دهند ولی برای ضخامت¬های بیشتر از 100 نانومتر خاصیت آب¬دوستی لایـه¬های ساخته شده از نانولوله¬های مختلف، متفاوت می¬باشد.

چکیده: در پایان نامه¬ی حاضر، حسگرهای گازی مقاومتی اکسید فلزی نیم‌رسانا با پایه¬ی ZnO و همچنین حسگرهای هیبریدی متناظر، با جزءِ هیبریدی نانولوله¬های کربنی چندجداره ساخته شده و پارامترهای حسگری آن‌ها در پاسخ به ترکیب¬های هیدروکربنی فرّار (اتانول-متانول-استون-اتر-زایلن-فرمالدهید و تولوئن) مورد بررسی قرار گرفت. برای تولید پودر پایه¬ی نانوذرات اکسید روی، نانوساختارهای اکسید روی با ریخت کره¬ی توخالی با روشی شیمیایی مبتنی بر استفاده از قالب¬های کربنی و با استفاده از محلول اولیه¬ی استات روی در دی متیل فرمامید ساخته شدند. برای این منظور در ابتدا قالب¬های کروی کربن (میکروکره¬های کربنی) با استفاده از روش آبی- حرارتی درون اوتوکلاو و با استفاده از محلول ساکروز در آب تهیه شدند. نتایج حاصل از آزمایش-های انجام شده نشان می¬داد که: با کاهش غلظت محلول ساکروز اولیه از mollit-1 5/0 تا mollit-1 1/0 اندازه¬ی کره¬های کربنی نهایی از حدود nm 2500 تا حدود nm 300 کاهش می‌یابد. تشکیل میکرو(نانو)کره¬های کربنی و نانوکره¬های توخالی اکسید روی، تخمین اندازه¬ و خلوص محصول نهایی، با استفاده از آنالیزهای SEM، TEM و XRD مورد بررسی قرار گرفت. برای تهیه¬ی پودر مواد حسگر هیبریدی، پودر نانوکره¬های توخالی اکسید روی و نانولوله¬های کربنی عامل¬دار شده با نسبت¬های وزنی مختلف (02/0، 05/0، 1/0، 3/0 و 5/0 درصدِ وزنی) توسط امواج فراصوت با یکدیگر مخلوط شدند. تصاویر SEM، پخش نسبتاً همگن نانولوله¬ها درون ماتریس کره¬های توخالی و تماس مناسب بین این دو جزء را نشان می‌داد. نتایج حاصل از اندازه¬گیری‌های BET نشان می‌دادند که افزودن تنها wt%05/0 نانولوله کربنی به ماتریس حاصل از کره‌های توخالی اکسید روی مساحت سطح تماس موثر پودر هیبریدی را تا حدود 3/1 برابر افزایش می دهد. به‌کمک پودر مواد حسگر به‌دست آمده، 6 دسته حسگر لایه ضخیم با روش چاپ صفحه¬ای برروی زیرلایه¬های شیشه¬ای تهیه شدند؛ یکی، متناظر با پودر اکسید روی خالص (S-Blank) و پنج تای دیگر متناظر با پودرهای هیبریدی با درصدهای وزنی نانولوله¬ی متفاوت: S-0/02, S-0/05, S-0/1, S-0/3, S-0/5. در مرحله¬ی اندازه¬گیری حسگر؛ نمودارهای پاسخ برحسب دما برای حسگرهای مختلف خالص و هیبریدی نشان می¬دادند که نه¬تنها تمام حسگرهای هیبریدی نسبت به حسگر خالص پاسخ بزرگ‌تری به ترکیب¬های هیدروکربنی فرّار مورد هدف از خود نشان می‌دهند، بلکه بیشینه¬ی افزایش پاسخ نسبت به یک هیدروکربن خاص به‌ازای یک درصدِ وزنی معین از نانولوله کربنی صورت می‌گیرد. برای اتانول و متانول 0/05wt% نانولوله¬ی کربنی به¬عنوان درصدِ وزنی بهینه تعیین شد؛ درحالی¬که برای استون و اتر حسگر S-0/1 بیشینه¬ی پاسخ را نشان می‌داد. همچنین مشخص شد که افزودن مقادیر بسیار جزیی نانولوله¬ی کربنی منجر به کاهش قابل ملاحظه در دمای بهینه¬ی عملکرد حسگر می‌شود. در مورد متانول افزودن 02/0 درصد نانولوله، دمای بهینه را به‌اندازه¬ی C°20 کاهش داد؛ درحالی¬که در مورد اتانول افزودن 05/0 درصدِ وزنی نانولوله، دمای بهینه را به‌اندازه¬ی C°50 کاهش می¬داد. بررسی نمودارهای پاسخ- غلظت برای حسگرهای خالص و هیبریدی نشان می‌داد که غلظت اشباع حسگر متاثر از مقدارنانولوله¬ی افزوده می‌باشد؛ به¬طوری¬که برای اتانول و متانول، حسگر S-0/05 و برای استون و اتر حسگر S-0/1 بیشینه¬ی گستره¬ی همبستگی خطی و غلظت اشباع را نشان می‌دادند. رسم نمودارهای ستونی پاسخ برای حسگرهای S-0/05 و S-0/1 در پاسخ به هیدروکربن¬های مختلف، وجود یک انتخاب¬گری قابل‌ملاحظه¬، وابسته به‌مقدار نانولوله و دما را برای چهار هیدروکربن: اتانول، متانول، استن و اتر را نشان می‌داد. همچنین اندازه¬گیری¬ها نشان می‌داد که حسگرهای هیبریدی زمان‌های مشخصه¬ی پاسخ و بازیافت کم¬تری نسبت به حسگر خالص از خود نشان می‌دهند؛ به‌عنوان مثال،‌ زمان‌های پاسخ و بازیافت برای حسگر هیبریدی S-0/05، در C°300 و در پاسخ به ppm 320 اتانول، به‌ترتیب برابر با 44 و s 72 به¬دست آمدند که در مقایسه با اعداد متناظر محاسبه شده برای حسگر خالص در همان دما،‌ یعنی 82 و s 103 کاهش قابل‌ملاحظه‌ای را نشان می¬داد. اندازه¬گیری پاسخ حسگرهای خالص S-Blank و هیبریدی S-0/05 به ppm 320 اتانول در 11 هفته¬ی متوالی و ثبت شدت پاسخ¬ها و و زمان‌های مشخصه¬ای با اختلاف کمتر از ٪7، نشان دهنده¬ی تکرار پذیری مناسب نتایج و پایداری هر دو نوع حسگر می‌باشد.

 به¬منظور رسیدن به سیستم¬های انتقال گرمای کوچک¬تر و موثرتر، روش¬های متفاوتی برای افزایش انتقال گرمای سیال¬ها پیشنهاد شده ¬است. نانوسیال¬ها، نوع جدیدی از مواد مهندسی هستند که شامل ذرات نانو اندازه¬ی پراکنده شده در یک سیال پایه (آب، اتیلن گلیکول، روغن و ...) می¬باشند. نانوسیال¬ها در مقایسه با سوسپانسیون¬های معمول، دارای پایداری و رسانندگی حرارتی بالاتر و اثرات خوردگی کم¬تر بوده و نیاز به توان پمپ کم¬تری دارند. نانوذرات پراکنده شده در سیال¬های پایه، ممکن است نانوذرات فلزی (Ag, Au, Fe, Al, Cu) یا غیر فلزی (SiO2, SiC, TiO2, Fe3O4, CuO, Al2O3)، نانوفیبرها، نانومیله‌ها یا نانولوله‌ها باشند. به¬دلیل این¬که نانولوله¬های کربنی دارای رسانندگی حرارتی بسیار بالا (حدود W/m.K 3000) و نسبت ظاهری بزرگ هستند، گزینه¬ای مناسب برای افزایش رسانندگی حرارتی سیال¬های پایه می¬باشند.
در این تحقیق، نانوسیال¬های حاوی نانولوله¬های کربنی با طول¬های مختلف و غلطت¬های 1/0، 25/0 و 5/0 درصد حجمی و دماهای متفاوت در سیال¬های پایه¬ی آب یون¬زدایی شده، اتیلن گلیکول، ۵۰٪ آب یون¬زدایی شده + ۵۰٪ اتیلن گلیکول و روغن موتور (بهران تکتاز با گرید SAE 20W50) تهیه و رسانندگی حرارتی آن¬ها اندازه¬گیری شد. به¬منظور تغییر طول نانولوله-های کربنی و افزایش پخش¬شدگی آن¬ها در سیال¬های مختلف، نانولوله¬ها عامل¬دار شدند. از مخلوط اسیدهای سولفوریک و نیتریک با نسبت سه به یک برای عامل¬دارسازی آن¬ها استفاده گردید و مدت زمان ماندگاری نانولوله¬های کربنی در مخلوط اسیدها (زمان رفلاکس) به¬عنوان یکی از عوامل متغیر مورد بررسی قرار گرفت. با وارد کردن نانولوله¬های کربنی در مخلوط اسیدها، نانولوله¬ها از محل نواقص سطحی خود شکسته شده و در این محل¬ها، گروه¬های عاملی مانند -COOH،-OH و غیره متصل می¬شوند، بنابراین انتظار داریم با تغییر زمان رفلاکس، نانولوله¬های کربنی با طول¬های مختلف داشته باشیم. بر اساس اندازه¬گیری¬های انجام شده با استفاده از تصاویر SEM و نرم¬افزار اندازه¬گیری، طول نانولوله¬های کربنی برای زمان¬های رفلاکس یک، دو و چهار ساعت به¬ترتیب ۲۰۳، ۱۷۱ و ۱۳۵ نانومتر بدست آمدند. به¬منظور تخمین میزان پایداری نانوسیال-های بر پایه¬ی آب ¬یون¬زدایی شده و اتیلن گلیکول ، به¬جای روش¬های تصویری کیفی از روش کمی طیف¬سنجی جذبی UV-vis و آنالیز پتانسیل زتا استفاده گردید. نتایج نشان دادند که نانوسیال¬های حاوی نانولوله¬های کربنی چهار ساعت رفلاکس در سیال پایه¬ی آب یون¬زدایی شده دارای پایداری بهتری نسبت به سایر نمونه¬ها هستند. به¬طوری¬که پس از گذشت حدود سه ماه از تهیه¬ی نانوسیال، کاهش چندانی در شدت قله¬ی جذبی است.
نتایج اندازه¬گیری¬های رسانندگی UV-vis آن مشاهده نشده حرارتی نشان دادند برای تمامی سیال¬های پایه¬ی مورد بررسی، پخش کردن نانولوله¬های کربنی در سیال¬های پایه موجب افزایش رسانندگی حرارتی شده است. به¬علاوه، رسانندگی حرارتی نانوسیال¬های حاوی نانولوله¬های کربنی عامل¬دار شده نسبت به نانوسیال¬های حاوی نانولوله¬های اولیه بالاتر می¬باشد. همچنین ملاحظه گردید که با افزایش زمان رفلاکس، رسانندگی حرارتی نانوسیال¬های بر پایه¬ی اتیلن گلیکول (حدود ۴۸ درصد افزایش در نانولوله¬های عامل¬دار پس از ۱۱۵ روز از تهیه¬ی نانوسیال¬ها) و روغن موتور بهران تکتاز (حدود 5/9 درصد افزایش برای نانوسیال¬های حاوی نانولوله¬های کربنی چهار ساعت رفلاکس با غلظت 5/0 درصد حجمی)، افزایش یافته است ولی برای نانوسیال¬های بر پایه¬ی آب یون¬زدایی شده بیش¬ترین مقدار رسانندگی حرارتی در نانوسیال¬های حاوی نانولوله¬های یک ساعت رفلاکس (حدود ۱۵ درصد) مشاهده گردید. از سوی دیگر، با افزایش غلظت نانولوله¬های کربنی، برای هر سه نوع سیال پایه، افزایش در رسانندگی حرارتی مشاهده گردید، اما افزایش مشاهده شده برای سیال پایه¬ی روغن موتور قابل ملاحظه¬تر بود. اثر افزایش دمای نانوسیال¬ها بر رسانش حرارتی آن¬ها در دماهای 20، 30، 40 و 50 درجه¬ی سانتی گراد مورد تحقیق واقع شد. نتایج نشان دادند که با افزایش دما، رسانندگی حرارتی در نانوسیال¬های بر پایه¬ی آب یون¬زدایی شده افزایش یافته است در حالی که افزایش رسانندگی حرارتی با دما برای نانوسیال¬های بر پایه¬ی اتیلن گلیکول و روغن موتور بسیار کم¬تر می¬باشد.
علاوه بر این، اثر تزیین نانولوله¬های کربنی با نانوذرات نقره با درصدهای وزنی یک، دو و چهار درصد بر رسانندگی حرارتی نانوسیال¬ها مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان دادند که در مجموع، تزیین نانولوله¬های کربنی با نانوذرات نقره منجر به افزایش رسانندگی حرارتی نانوسیال¬ها می¬شود. بیش¬ترین درصد افزایش نسبت به آب یون¬زدایی شده حدود ۲۰ درصد بدست آمد و در نانوسیال¬های حاوی نانولوله¬های کربنی با چهار درصد نانوذرات نقره مشاهده گردید.
مدل¬سازی میزان رسانندگی حرارتی با تغییر عوامل مختلف موثر بر آن، یکی از موضوعاتی است که ذهن بسیاری از محققان را در سال¬های اخیر به خود جلب کرده است. در این تحقیق، از روش شبکه¬های عصبی مصنوعی که روشی مبتنی بر داده¬های تجربی است، استفاده شد. با این روش در حقیقت می¬توان با استفاده از اطلاعات مربوط به آزمایش¬های تجربی انجام شده، آزمایشگاهی مجازی طراحی و نتایج را در شرایط مختلف پیش¬بینی نمود. روش شبکه¬های عصبی مصنوعی برای نانوسیال¬های بر پایه¬ی آب یون¬زدایی شده و روغن موتور مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان دادند که برای هر دو سیال پایه، شبکه توانسته است به¬منظور پیش¬بینی نتایج، به¬خوبی آموزش ببیند اما به¬دلیل روند منظم¬تری که داده¬های مربوط به نانوسیال¬های بر پایه¬ی روغن موتور داشتند، در این مورد شبکه آموزش بهتری را داشته و با درصد خطایی کم¬تر از 4 درصد نتایج را پیش¬بینی نموده است.