Υβριδικά υλικά βασισμένα σε γραφένιο και χαλκογενίδια μετάλλων για ενεργειακές εφαρμογές

Abstract

This current thesis deals with the preparation and characterization of hybrid materials based on graphene and/or metal chalcogenides that possess interesting photophysical and electrochemical properties aiming to energy conversion schemes.The first part of the thesis involves the preparation and study of hybrid materials that are based on transition metal chalcogenides prepared by employing bottom-up approaches. In this frame, MoS2 nanostructures were prepared and functionalized at the same time with poly(methacrylic acid) by using microwave irradiation. Moreover, donor-acceptor hybrids were prepared between MoS2 and carbon nanodots and were studied as electrocatalysts for hydrogen evolution reaction. Furthermore, MoS2 nanostructures were developed and studied by employing either a sacrificial soft template (CaCO3) or a non-sacrificial hard template (graphene oxide-GO) while their electrocatalytic performance towards hydrogen evolution was tested. Moreover, GO was doped with sulfur and was used as template for the in situ growth of MoS2 and WS2 nanostructures that were used as catalysts for electrocatalytic hydrogen production.At the second part of this thesis we developed hybrid materials based on transition metal chalcogenides that were prepared by employing top-down approaches. In this frame, MoS2 nanosheets were prepared through exfoliation of the bulk and they were further functionalized with lipoic acid for the in situ growth and stabilization of cadmium sulfide nanoparticles for the preparation of photoelectrochemical cells. Finally, a donor acceptor core/shell material was prepared consisting of poly(3-hexylthiophene) nanoparticles and semiconducting quantum dots for the preparation of photoelectrochemical cells.SUBJECT AREA: Hybrid materialsKEYWORDS: graphene, transition metal dichalcogenides, hybrids, electron transfer

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την παρασκευή υβριδικών υλικών τα οποία έχουν ως βάση χαλκογενίδια μετάλλων ή/και γραφένιο και παρουσιάζουν φωτοφυσικές και ηλεκτροκαταλυτικές ιδιότητες, με στόχο την ανάπτυξη της λειτουργικότητάς τους σε εφαρμογές μετατροπής ενέργειας. Το πρώτο μέρος της Διδακτορικής Διατριβής περιλαμβάνει υβριδικά υλικά τα οποία βασίστηκαν σε διχαλκογενίδια μετάλλων μετάπτωσης τα οποία παρασκευάστηκαν με τεχνικές από «κάτω προς τα πάνω». Στο πλαίσιο αυτό, πραγματοποιήθηκε η ταυτόχρονη παρασκευή και τροποποίηση του MoS2 με πολυμεθακρυλικό οξύ με ακτινοβόληση με μικροκύματα. Επιπλέον, αναπτύχθηκαν συστήματα δότη-δέκτη ηλεκτρονίων MoS2 με κβαντικές τελείες άνθρακα τα οποία εξετάστηκαν ως ηλεκτροκαταλύτες για την παραγωγή υδρογόνου. Επιπρόσθετα, αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν νανοδομές MoS2 σε σκληρή και αναλισκόμενη βάση οξειδίου του γραφενίου (GO) και CaCO3, αντίστοιχα, ενώ εξετάστηκε η δραστικότητά τους για την ηλεκτροκαταλυτική παραγωγή υδρογόνου. Ακόμη, το GO ντοπαρίστηκε με άτομα θείου προκειμένου να χρησιμοποιηθεί ως υπόστρωμα για την in situ ανάπτυξη νανοδομών MoS2 και WS2 ώστε να χρησιμοποιηθούν ως ηλεκτροκαταλύτες για την παραγωγή υδρογόνου.Στο δεύτερο μέρος της Διδακτορικής Διατριβής αναλύονται υβριδικά υλικά τα οποία έχουν προκύψει χρησιμοποιώντας διχαλκογενίδια μετάλλων μετάπτωσης τα οποία παρασκευάστηκαν με τεχνικές από «πάνω προς τα κάτω». Σε αυτό το πλαίσιο, πραγματοποιήθηκε η αποφλοίωση MoS2 από το υλικό βάσης και η περαιτέρω τροποποίησή του με λιποϊκό οξύ για την in situ ανάπτυξη και ακινητοποίηση νανοσωματιδίων θειούχου καδμίου για την κατασκευή φωτοηλεκτροχημικών κελιών. Τέλος, παρασκευάστηκε υλικό τύπου πυρήνα/κελύφους αποτελούμενο από νανοσωματίδια πολυ(3-εξυλοθειοφαινίου) και κβαντικές τελείες τελλουριούχου καδμίου δότη δέκτη ηλεκτρονίων για την κατασκευή φωτοηλεκτροχημικών κελιών.ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ: Υβριδικά υλικά ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ: γραφένιο, διχαλκογενίδια μετάλλων μετάπτωσης, υβριδικά υλικά, μεταφορά ηλεκτρονίων