Advanced materials for electrode modification : characterization and application in electrochemical and photoelectrochemical sensing /
مواد متقدمة لتعديل الاقطاب : توصيف وتطبيقات فى الحس الكهروكيميائي و الكهروكيميائي الضوئي /
by Mohamed Gamal Abd El-Kader Hammad ; Supervision Prof. Nada Farouk Ahmed, Prof. Maher Mohamed Hamed.
- 179 pages : illustrations ; 25 cm. + CD.
Thesis (Ph.D)-Cairo University, 2024.
Bibliography: pages 143-175.
The world is facing tremendous challenges namely environmental pollution and global warming, monitoring contamination such as hydroquinone and bisphenol A in water systems is the preliminary measure in order to confine pollution escalation. Two different sensing techniques were used in the work of thesis, electrochemical and photoelectrochemical sensing. The first part of thesis aimed to monitor hydroquinone concentration. A highly sensitive and selective photoelectrochemical sensor is fabricated by strongly interfacing two semiconductors by ultrasonication of hydrothermally prepared mixture of bismuth sulfide and bismuth ferrite. The composite PEC and its constituents were characterized using scanning electron microscopy/electron diffraction analysis by X-ray (SEM/EDAX), high resolution transmission electron microscopy/selected area electron diffraction (HR-TEM/SAED), X-ray diffraction (XRD), UV-vis-near IR diffuse reflectance spectroscopy (DRS), cyclic voltammetry (CV), chronoamperometry (CA) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The structure of the prepared materials and the successful formation of the hetero junction are confirmed. The conduction bands, valence bands and band gaps are determined for the prepared materials. The oxidation mechanism at the PEC showed a two-electron conversion of hydroquinone (HQ) and the formation of hydrogen peroxide in acid medium. Fine-tuning of the PEC structure allowed its application using visible light for the determination of HQ with high sensitivity and selectivity in different environments. The PEC sensor was successfully employed for the assay of HQ in tap water, sewage, and industrial waste dump areas. Low detection limits, selectivity and stability were the important characteristics of the sensor. The limits of detection (LOD) and sensitivities of HQ were 2.73 nM and 8.27 nM; 14.9 A/M and 0.463 A/M for the concentration ranges 0.025 nM to 500 nM and 1.0 M to 100 M under illumination and in dark were 49.2 nM and 0.239 A/M in the concentration range of 100 nM to 100 M. The second part of thesis aimed to monitor bisphenol A concentration. An efficient electrochemical sensor is constructed as follows, a thin layer of carbon nanotubes (CNTs) is applied to the surface of glassy carbon (GC) then β-CD and Aunano are sequentially electrodeposited. The performance of the sensor is optimized and shows excellent catalytic effect in wide concentration range 7 nM to 700 µM with low detection limit of 5.02 nM compared to other cited modified electrodes. Each of the sensor constituents share in the enhancement of its performance; Aunano has intrinsic surface electroactivity, β-CD “host” allows for BPHA “guest” surface accumulation, and CNTs with large conductive surface area realize homogeneous distribution of the other two components. The advantages of the bisphenol A electrochemical sensor are simple to prepare, timesaving, and shows good sensitivity, stability, selectivity in presence of interfering ions and compounds, it is suitable for use with portable simple equipment for in situ measurements. العالم يواجة تحديات كثيرة ومن اهمها مشكلة التلوث البيئى. تتبع تركيز الملوثات مثل الهيدروكينون و البيسفينول أ فى انظمة المياة يعتبر اول خطوة فى احتواء انتشار التلوث. تقدم هذة الرسالة اثنان من اساليب الاستشعار, الاستشعار الكهروكيميائى و الكهروكيميائى الضوئي. الجزء الاول من الرسالة يهدف لتتبع تركيز الهيدروكينون من خلال تطوير مستشعر كهروكيميائى ضوئي شديد الحساسية تم تركيبة من خلال مزج اثنان من اشباه الموصلات (كبريتيد البزموت و البزموت فريت) بالموجات الفوق صوتية تم تحضيرهم بالاساليب الحرارية المائية. التركيبة و مكوناتها تم التأكد منهم عن طريق تحليل حيود الاشعة السينية, تشكيلاتهم تمت قياسها عن طريق الميكروسكوب الالكترونى الماسح/ الحيود الالكتروني من الاشعة السينية و المجهر الالكترونى النافذ عالى الدقة/الحيود الالكترونى محدد المساحة, خصائصهم الضوئية و وفجوة النطاق تم تحليلهم من خلال قياس طيف الانعكاس المنتشر للاشعة الفوق بنفسيجية – الضوء المرئى و القريب من التحت حمراء, نطاقهم المسطح و تشكيل النطاق و الخصائص الشبة توصيلية تم تحليلها من خلال تجارب موت شوتكى, الاساليب الكهروكيميائية مثل الفولتاميترية الحلقية و قياس التيار المواقت و المعاوقة الكهربائية تم استخدامها لقياس الاداء الكهروكيميائى الضوئى للمستشعر و لتحديد المعلمات الحركية لعملية الكسدة الهيدروكينون مثل معامل الانتشار و ثابت المعدل الحركي و معامل انتقال الشحنة و كثافة تبادل التيار التعديل الدقيق للمحفزات الكهروكيميائية الضوئية يسمع بتطبيقها لقياس تركيزات الهيدروكينون تحت الضوء المرئي فى اوساط المياة المخلتفة. . الحد الادنى للقياس و الحساسية هم 2.73 و 8.27 نانومول ؛ 14.9 و 0.463 امبير/مول على نطاق من 0.025 نانومول حتى 500 نانومول و 1.0 ميكرومول حتى 100 ميكرومول تحت الإضائة , 49.2 نانومول و 0.239 امبير/مول فى نطاق 100 نانومول حتى 100 ميكرومول فى الظلام. الجزء الثانى من الرسالة يهدف لتتبع تركيز البيستفينول أ. تتبع تركيز البيسفينول أ تم من خلال تطوير مستشعر كهروكيميائي فعال تم تركيبة كالتالي, طبقة رقيقة من انابيب الكاربون النانوية متعددة الجدران تم تطبيقها على سطح قطب كاربون زجاجي و بعدها تم ترسيب طبقات من البيتا سيكلوديكسترين و جزيئات الذهب النانونية كهروكيميائياً. اداء المستشعر اظهر نتيجة تحفيزية فائقة فى نطاق واسع من التركيزات يمتد من 7 نانومول حتى 700 ميكرومول مع حد ادنى للقياس 5.02 نانومول. الاساليب الكهروكيميائية مثل الفولتامترية الحلقية تم استخدامها لقياس نسبة مشاركة كل تكوين فى اداء المستشعر؛ جزيئات الذهب النانونية لها خصائص التحفيز الالكترونى على السطح و البيتا سيكلوديكسترين (المضيف) يوفر للبيسفينول أ (المضاف) سطح للتراكم, و انابيب الكاربون النانونية متعددة الجدران توفر لهم مساحة سطح كبيرة عالية التوصيل لتحقيق التوزيع المتماثل. مميزات المستشعر المدروس (Aunano / β-CD /CNT/GC) هى بساطة التحضير وسرعتة و الحساسية والثبات والاختيارية الجيدة فى وجود المركبات المتداخلة المحتمل تواجدها فى الاوساط المائية.