این رساله دکتری، بر روی راهکارهای علمی و پایدار برای مواجهه با چالش های کلیدی محیط زیست و انرژی جهانی، بر مهندسی مولکولی و سطحی ترکیبات و بسترهای کربنی/آلی پیشرفته تمرکز دارد. پژوهش اول، تهیه یک جاذب مغناطیسی باقابلیت استفاده مجدد از طریق عامل دار کردن دوپامین با اتیلن دی آمین تترااستیک انیدرید و پلیمریزاسیون آن بر سطح نانولوله های کربنی مغناطیسی (EDTA@PD-CNT/Fe3O4) را نشان می دهد. جاذب سنتز شده با استفاده از تکنیک های XRD، FT-IR، پتانسیل زتا، FE-SEM، EDS، BET، TGA، DTA و VSM مورد بررسی قرار گرفت. جاذب سنتز شده برای حذف یون های سرب و کادمیوم از محلول آبی مورداستفاده قرار گرفت. فرایند جذب از طریق بهینه سازی پارامترهای کلیدی نظیر pH، مقدار جاذب، زمان تماس و غلظت یون بهبود یافت. برای هر دو یون، داده های ترمودینامیکی فرایندها و سینتیک جذب بررسی شد. بررسی داده های تجربی نشان داد که ایزوترم لانگمویر مناسب ترین مدل است و بررسی سینتیک جذب، مطابقت با معادله شبه مرتبه دوم را آشکار ساخت. بر اساس داده های ترمودینامیکی، فرایند جذب توسط جاذب EDTA@PD-CNT/Fe3O4 خودبه خودی و گرماگیر است؛ همچنین، بالاترین ظرفیت های جذب برای Cd2+ و Pb2+ به ترتیب 45/204 و 48/376 میلی گرم بر گرم گزارش شد.
در پروژه دوم ابتدا با استفاده از KOH و روش حکاکی شیمیایی مساحت سطح ویژه نمد فیبر کربنی (CF) از حدود 2 سانتی متر مربع بر گرم به 675 سانتی متر مربع بر گرم افزایش داده شد. سپس با استفاده از روش هیدروترمال و به صورت همزمانی MIL(101)-Fe-NH2 (چارچوب فلز - آلی مبتنی بر آهن) روی سطح نمد فیبر کربنی فعال شده (ACF) سنتز شد. الکترود سنتز شده با استفاده از تکنیک های XRD، FT-IR، FE-SEM، EDS، BET، TGA، DTA و رامان مورد بررسی قرار گرفت. عملکرد الکترود ACF@MIL-NH2 به عنوان الکترود کار در یک سیستم سه الکترودی با استفاده از تکنیک های الکتروشیمیایی شامل ولتامتری چرخه ای (CV) و شارژ/دشارژ گالوانواستاتیک (GCD)، بررسی شد. در این سیستم، از کالومل به عنوان الکترود مرجع، پلاتین به عنوان الکترود کمکی و از محلول آبی پتاسیم هیدروکسید (1 مولار) به عنوان الکترولیت استفاده شد. نتایج اولیه نشان داد که این الکترود ظرفیت خازنی تا06/3 فاراد بر سانتی متر مکعب را در چگالی جریان 7/0 میلی آمپر بر سانتی متر مکعب و در الکترولیت آبی پتاسیم هیدروکسید 1 مولار ارائه می دهد.
حامل های هیدروژن آلی مایع (LOHCs) سیستم های نویدبخشی برای ذخیره سازی هیدروژن به شمار می روند و متیل سیکلوهگزان (MCH) به دلیل محتوای بالای هیدروژن معمولا به عنوان مدل استفاده می شود. پژوهش سوم با استفاده از نظریه تابعی چگالی (DFT)، به بررسی تأثیر دو گروه عاملی -NH2 و -NO2 در موقعیت 4 متیل سیکلوهگزان در واکنش هیدروژن زدایی این ترکیب روی خوشه Pt13 تمرکز دارد. نتایج این بررسی، مطلوبیت بهبود یافته ای را برای هر دو ترکیب 4-متیل سیکلوهگزیل آمین (MCA) و 1-متیل-4-نیترو سیکلوهگزان (MNC) نسبت به MCH از نظر ترمودینامیکی نشان داد و روندهای مشابهی برای تغییرات آنتالپی مشاهده شد. با این حال، تجزیه و تحلیل سینتیکی، انرژی های فعال سازی (E) بالاتری را برای MCA و MCH نسبت به MNC نشان داد که به اثرات الکترونیکی و تغییر پیکربندی های جذب نسبت داده می شود و در نتیجه سرعت واکنش کندتر است. بررسی مختصات واکنش، مرحله دوم را به عنوان مرحله تعیین کننده سرعت برای MCH و MCA شناسایی کرد، در حالی که مرحله سوم برای MNC به عنوان مرحله تعیین کننده سرعت انتخاب شد.