پدیده ی جذب سطحی یکی از فرآیند های مهم در علم شیمی و در صنعت جداسازی است که در زمینه های مختلف ازجمله فرایندهای فیلتراسیون و حذف آلاینده های آب ، تولید و ذخیره انرژی، پزشکی و دارورسانی کاربرد دارد. جذب سطحی یون ها در سطح مواد آمفوتریک، به تنظیم بار سطحی می انجامد. بخش نخست این رساله به تنظیم بار سطحی مواد آمفوتریک و به طور خاص در سطح نانوحفره های سیلیکا اختصاص داده شده است. در بخش دوم این رساله واکنش های الکتروشیمیایی در سطح الکترود متخلخل با نانوحفره های پوسته- هسته بررسی شده اندکه نقشی کلیدی در ذخیره سازی بار در شبه خازن ها دارند. توزیع چگالی یون ها و در نهایت بررسی میزان واکنش های شیمیایی در سطح سیلیکا و الکتروشیمیایی در سطح الکترود از نظریه ی تابعی چگالی در سه قالب مدل محدودشده اولیه(RPM)، مدل اولیه(PM) و مدل محدودشده اولیه حلال(SRPM) بررسی شده است.
در بررسی RPM، بار سطحی نانوحفره های کروی سیلیکای غوطه ور در الکترولیت آبی از ترکیب نظریه ی مقادیر بنیادین اصلاح شده و مدل پیشنهادی برای توصیف واکنش های سطحی استفاده شده است. چگالی بار سطحی قابل تنظیم برای حفره های کروی سیلیکا به عنوان تابعی از غلظت، pH و اندازه حفره ها پیش بینی شده است. مشاهدات این تحقیق حاکی از آن است که با افزایش غلظت و pH، چگالی بار سطحی افزایش می یابد. در مطالعه ی تأثیر اندازه ی حفره ها مشاهده شد که در قدرت یونی های کم، با افزایش اندازه ی حفره مقدار مطلق چگالی بار سطحی ابتدا کاهش می یابد و بعد از رسیدن به یک کمینه، روند افزایشی را نشان می دهد. در قدرت یونی های بالا، مقدار مطلق چگالی بار سطحی با افزایش اندازه ی حفره، افزایش می یابد. همچنین در این بخش میزان بار سطحی سیلیکا به واسطه ی هم پوشانی لایه های دوگانه الکتریکی (EDL)، افت پتانسیل در ناحیه اشترن و انحراف از اصل خنثی بودن بارهای الکتریکی تفسیر شده است. یافته ها حاکی از این هستند که ساختار EDL تشکیل شده درون حفره ی کروی، لایه ی نفوذ، می تواند نتیجه ی هم پوشانی EDLها در نظر گرفته شود. به طوری که میزان هم پوشانی به غلظت و اندازه ی حفره و همچنین نوع الکترولیت بستگی دارد. نتایج نشان دهنده ی این هستند که پهنای لایه نفوذ با کاهش غلظت و افزایش انحنا، افزایش می یابد که خود منجر به کاهش چگالی بار سطحی می شود. کاهش غلظت و افزایش انحنای سطح حفره ها، می تواند منجر به انحراف بیشتر از اصل خنثی بودن بارهای الکتریکی شده و در نتیجه کاهش بار سطحی شود. در این رساله همچنین نشان داده ایم که افت پتانسیل قابل توجه در ناحیه اشترن باعث تشکیل لایه نفوذ فشرده ی یونی با پهنای کم می شود که در نهایت منجر به افزایش چگالی بار سطحی می شود.مقایسه ی چگالی بار سطحی در حفره های کروی و حفره های شیاری نشان می دهد که در غلظت های کم، چگالی بار سطحی در حفره های کروی بیشتر از حفره های شیاری است. مشاهدات این مقایسه می تواند حاکی از این باشد که یک لایه نفوذ فشرده تر و با پهنای کم در داخل منافذ کروی شکل می گیرد. با توجه به مقایسه انجام شده بین دو مدل RPM و SRPM، مشاهدات نشان می دهند که در غلظت های کم وpHهای بازی محلول، چگالی بار سطحی نانوحفره های کروی سیلیکا در مدل SRPM بیشتر از مدل RPM است. بخش دوم این رساله، به بررسی ذخیره بار در سطح الکترودهای متخلخل شبه خازن حاوی نانوحفره های کروی هسته- پوسته بر اساس دو مدل محدودشده اولیه و مدل اولیه پرداخته شده است. در این نوع ابرخازن ها، واکنش های الکتروشیمیایی علاوه برجذب فیزیکی یون ها، به عنوان یک مکانسیم ذخیره بار در الکترود هستند. نتایج مطالعات انجام شده نشان می دهد که ظرفیت شبه خازن در نانوحفره های کروی هسته- پوسته با افزایش غلظت، چگالی گروه های عاملی، کاهش هم پوشانی لایه دوگانه الکتریکی، افزایش می یابد. نکته ی قابل توجه دیگر از یافته های این رساله حاکی از آن است که ظرفیت فارادی برای نانوحفره های کروی هسته- پوسته در الکترود، که شامل هر دو سطح محدب و مقعر هستند بیشتر از ظرفیت پوسته و هسته های کروی به تنهایی است. در بررسی تأثیر اندازه ی حفره بر ظرفیت فارادی در غلظت های 1 مولار از الکترولیت اسیدی، نتایج نشان می دهد که حفره های کروی هسته- پوسته ای که در آنها دو لایه یون به صورت متراکم قرار بگیرد، ظرفیت بالاتری را نشان می دهد. تأثیر باردار و بدون بار بودن هسته ی کروی در نانوحفره ی هسته- پوسته نیز مورد مطالعه قرار گرفت و مشخص شد که ظرفیت در نانوحفره ی هسته- پوسته با هسته ی باردار بیشتر است. نتایج بررسی اندازه ی یون ها بر ظرفیت در شبه خازن ها نشان داد که برای نانوحفره ی با اندازه ی مشخص، انتخاب الکترولیتی با اندازه ی یونی کوچکتر، ظرفیت بالاتری را نشان می دهد. در نهایت مقایسه ی ظرفیت کل برای شبه خازن ه