Document
Optical and electrical studies of fluorescent carbon/dye/polymer nano-composites.
Source
Doctoral dissertation
Other titles
دراسة الخصائص البصرية والكهربائية للكربون الفلوري والأصباغ والبوليمرات النانوية المدمجة.
Country
Oman
City
Muscat
Publisher
Sultan Qaboos University.
Gregorian
2024
Language
English
Thesis Type
Doctoral dissertation
English abstract
Environmental-friendly and biocompatible fluorescent carbon quantum dots (CQDs)
show great potential for various applications. The functional groups on the surface of
CQDs could dramatically influence the light absorption and emission characteristics
of CQDs. A systematic investigation has been carried out by quantifying the oxygen
based function groups present on the surface of activated CQDs (AC), dehydrated
CQDS, and CQDs prepared by microwave synthesis to understand their role in the
fluorescent emission characteristics. The samples were subjected to further
treatments to achieve different levels of surface functionality with oxygen-containing
functional groups such as carbonyl, carboxyl, phenol, and lactone. Various emissive
pathways were identified by comparing the results of surface functionality and the
deconvoluted emission spectra. Our results suggest that the energy gap of isolated
sp 2 clusters on the surface of CQDs is the highest among the gaps related to various
functional groups. The non-radiative transitions from this level can populate the mid
level emissive states. As proof for this model, the integrated intensity of the high
energy peak was found to decrease, and corresponding enhancements of low-energy
peaks were observed as the surface functionality of carboxyl groups increased. Our
results suggest that selective surface functionalization could control various emissive
pathways in CQDs. These results are quite substantial for understanding the emission
mechanism of CQDs. We have also studied the adsorption mechanism of methylene
blue (MB) dye on the surface of CQDs at different contact times, pH, concentrations,
and temperatures. In this work, we used Langmuir, Freundlich, pseudo-Ξrst, and
second-order adsorption models for the analysis. Our results suggest the
physisorption of MB on CQDs. Various kinetic and thermal parameters associated
with MB adsorption were compared between CQDs prepared by different methods
to identify the best CQDs for applications. The results are essential for applying CQDs,
such as wastewater treatment. Further, a preliminary investigation of the electrical
conductivity of the CQD-PANI polymer composite was done. Our results suggest that
the increase in conductivity in the CQD-PANI composite is associated with electron
transfer from PANI to CQDs. Our studies give important information to increase
CQD's potential for applications.
Arabic abstract
تُظهِر النقاط الكمومية الكربونية الفلورية الصديقة للبيئة والمتوافقة حيويًا (CQDs) إمكانات كبيرة لمختلف التطبيقات. يمكن للمجموعات الوظيفية الموجودة على سطح النقاط الكمومية أن تؤثر بشكل كبير على خصائص امتصاص الضوء وانبعاثه. تم إجراء تحقيق منهجي من خلال قياس المجموعات الوظيفية المعتمدة على الأكسجين الموجودة على سطح النقاط الكمومية المنشطة (AC)، والنقاط الكمومية المجففة، والنقاط الكمومية المحضرة بواسطة توليف الموجات الدقيقة لفهم دورها في خصائص انبعاث الفلورسنت.
تم إخضاع العينات لمزيد من المعالجات لتحقيق مستويات مختلفة من الأداء الوظيفي السطحي مع المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين مثل الكربونيل، والكربوكسيل، والفينول، واللاكتون. تم تحديد مسارات انبعاثية مختلفة من خلال مقارنة نتائج وظائف السطح وأطياف الانبعاث غير الملتوية. تشير نتائجنا إلى أن فجوة الطاقة في مجموعات sp2 المعزولة على سطح CQDs هي الأعلى بين الفجوات المتعلقة بالمجموعات الوظيفية المختلفة.
يمكن للتحولات غير الإشعاعية من هذا المستوى أن تملأ الحالات الانبعاثية ذات المستوى المتوسط. كدليل على هذا النموذج، تم العثور على انخفاض في الكثافة المتكاملة للذروة عالية الطاقة، ولوحظت التحسينات المقابلة للقمم منخفضة الطاقة مع زيادة الوظيفة السطحية للمجموعات الكربوكسيلية.
تم أيضًا دراسة آلية امتصاص صبغة بروميد الميثيل (MB) على سطح النقاط الكمومية عند أوقات تلامس مختلفة، ومستويات pH، وتركيزات، ودرجات حرارة متعددة. في هذا العمل، استخدمنا نماذج الامتصاص من نوع لانجموير، وفروندليخ، والنظام الأول الكاذب، والنظام الثاني لتحليل النتائج.
تشير نتائجنا إلى أن الامتصاص الفيزيائي (physisorption) هو الآلية الرئيسية لامتصاص MB على CQDs. تم مقارنة المعلمات الحركية والحرارية المختلفة المرتبطة بامتصاص MB بين النقاط الكمومية المحضرة بطرق مختلفة لتحديد أفضل نقاط كمومية للتطبيقات.
تُعد النتائج ضرورية لتطبيق النقاط الكمومية، مثل معالجة مياه الصرف الصحي. علاوة على ذلك، تم إجراء تحقيق أولي حول التوصيلية الكهربائية لمركب البوليمر CQD-PANI. تشير النتائج إلى أن زيادة التوصيلية في المركب مرتبطة بنقل الإلكترونات من PANI إلى CQDs. تقدم دراساتنا معلومات مهمة لزيادة إمكانات CQDs في التطبيقات.
تم إخضاع العينات لمزيد من المعالجات لتحقيق مستويات مختلفة من الأداء الوظيفي السطحي مع المجموعات الوظيفية المحتوية على الأكسجين مثل الكربونيل، والكربوكسيل، والفينول، واللاكتون. تم تحديد مسارات انبعاثية مختلفة من خلال مقارنة نتائج وظائف السطح وأطياف الانبعاث غير الملتوية. تشير نتائجنا إلى أن فجوة الطاقة في مجموعات sp2 المعزولة على سطح CQDs هي الأعلى بين الفجوات المتعلقة بالمجموعات الوظيفية المختلفة.
يمكن للتحولات غير الإشعاعية من هذا المستوى أن تملأ الحالات الانبعاثية ذات المستوى المتوسط. كدليل على هذا النموذج، تم العثور على انخفاض في الكثافة المتكاملة للذروة عالية الطاقة، ولوحظت التحسينات المقابلة للقمم منخفضة الطاقة مع زيادة الوظيفة السطحية للمجموعات الكربوكسيلية.
تم أيضًا دراسة آلية امتصاص صبغة بروميد الميثيل (MB) على سطح النقاط الكمومية عند أوقات تلامس مختلفة، ومستويات pH، وتركيزات، ودرجات حرارة متعددة. في هذا العمل، استخدمنا نماذج الامتصاص من نوع لانجموير، وفروندليخ، والنظام الأول الكاذب، والنظام الثاني لتحليل النتائج.
تشير نتائجنا إلى أن الامتصاص الفيزيائي (physisorption) هو الآلية الرئيسية لامتصاص MB على CQDs. تم مقارنة المعلمات الحركية والحرارية المختلفة المرتبطة بامتصاص MB بين النقاط الكمومية المحضرة بطرق مختلفة لتحديد أفضل نقاط كمومية للتطبيقات.
تُعد النتائج ضرورية لتطبيق النقاط الكمومية، مثل معالجة مياه الصرف الصحي. علاوة على ذلك، تم إجراء تحقيق أولي حول التوصيلية الكهربائية لمركب البوليمر CQD-PANI. تشير النتائج إلى أن زيادة التوصيلية في المركب مرتبطة بنقل الإلكترونات من PANI إلى CQDs. تقدم دراساتنا معلومات مهمة لزيادة إمكانات CQDs في التطبيقات.
Category
Theses and Dissertations