Electrochemical composite formation of thiophene and N-methylpyrolle onto carbon fiber microelectrodes and their characterizations
Tiyofen ve N-metilpirolün karbonfiber mikroelektrot üzerine elektrokimyasal kompozit oluşturulması ve karakterizasyonu
- Tez No: 172195
- Danışmanlar: PROF.DR. SEZAİ SARAÇ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2006
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 100
Özet
TIYOFEN VE N-METILPIROL'ÜN KARBON FİBER MİKRO- ELEKTROTLAR ÜZERİNE ELEKTROKİMYASAL YOLLA KOMPOZİT OLUŞTURULMASI VE BUNLARIN KARAKTERİZASYONU ÖZET Bundan 30 yıl öncesine kadar bütün karbon temelli polimerler yalıtkan olarak adlandırılıyorlardı. Plastiğin elektriği iletmesi fikri tamamen olanaksız gibi görünüyordu. Hakikaten, plastik bu özelliğinden dolayı elektronik endüstrisinde, aktif olmayan paketleme sistemlerinde ve yalıtkanlık işlevlerinde yaygın olarak kullanılmaktaydı. Bu dar görüşler iletken polimer veya elektroaktif polimer olarak adlandırılan yeni bir polimer sınıfının keşfedilmesi ile hızla değişmeye başlamıştır. 1970'li yılların başında bilim adamları, polimer biliminin temellerini atacak buluşların planlarım tasarlıyor ve çatışım oluşturmaya çalışıyorlardı. 1980'lerin başındaki en önemli olay solitonlar üzerine yapılan teorik çalışmalardı. Daha sonra ise metaller ve yan-iletkenlerle aynı optik özelliklere sahip işlenebilir polimerlerin yeni malzemeler olarak sentezlenebilmesi ön plana çıkmaya başlamıştı. O dönemde iki yeni konjuge polimer olan polipirol ve poliasetilen laboratuarlarda yerini almıştı. Bu polimerler nötral halde iken yalıtkan, oksitlenince ise iletken özellik gösterebilmekteydiler. Poliasetilen, havaya ve neme karşı son derece kararsız ve polipirol ise sadece oksitlenmiş iletken halde iken kararlı durumdaydı. Garnier ve çalışma grubu bu polimerlerin hem nötral hem de oksitlenmiş haldeyken kararlı davranış göstermesini sağlayacak durumları keşfettiler ve politiyofeni ilk defa olarak elektrokimyasal yolla polimerleştirdiler. İletken polimerlerin iletken olmasının sebebi konjuge yapısındaki elektronların hareketli olmasıdır. Bu diğer bir taraftan polimere, işlenebilirlik özelliğinin azalması ile sonuçlanan çözünmeme ve erimeme özellikleri getirmektedir. İletken polimerlerin işlenebilirliğini arttırmak amaçlı pek çok genel teknik geliştirilmiştir. Bu teknikler, blok kopolimerizasyonu, yan zincir eklenmesi, işlenebilir öncü polimerlerin kullanılması ve polimer karışımları ve kompozitlerinin oluşturulması işlemlerini içermektedir. Benzer olarak iletken polimer kompozitler oluşturmak da teknik uygulamalar açısından gittikçe önem kazanmaktadır. XIVBu çalışmadaki amaç, karbon fiberlerin üstün özellikleri ile iletken polimerlerin öne çıkan özelliklerini birleştirerek çok daha iyi termal, mekanik, iletkenlik ve işlenebilirlik özelliklerine sahip bir kompozit malzeme oluşturmaktır. Tiyofen ve N- metilpirolün (NMPy) karbon fiber elektrot üzerine elektrokimyasal kompozit oluşturmak yolu ile farklı NMPy konsantrasyonlarında ve döngü sayılarında elde edilen kompozitler incelenmiştir. Ayrıca farklı elektrolitlerin etkileri de incelenmiştir. Bütün kompozit kaplamalar ATR-FTTR, Döngülü Voltametri ve Elektrokimyasal İmpedans Spektroskopisi yolu ile incelenmiştir. Bununla beraber bazı kompozit kaplamalar morfolojik olarak Taramalı Elektron Mikroskobu ve Atomik Kuvvet Mikroskobu ile karakterize edilmiştir. Sonuçlar detaylı olarak tartışılmıştır. Malzemelerin elektriksel, mekanik ve termal özellikleri pek çok sayıda deneysel örnek ile tanımlanmıştır. Öncelikle, tiyofen karbon fiber elektrot üzerine elektrokimyasal yolla biriktirilmiştir. Döngülü voltametri ile elektrokimyasal özellikleri incelenmiştir. Platin elektrotun çalışma elektrotu olarak kullanılması yerine ise karbon fiberin kullanılmasının rolü tartışılmıştır. NMPy ile elektrokimyasal kompozit oluşturma işlemi sırasında en etkili olabilecek tiyofen konsantrasyonunun belirlenmesi de döngülü voltametri ile yapılmıştır. 0.5M tiyofen CFME/PTh olarak adlandırılan temel elektrot için bu çalışma boyunca standart olarak belirlenmiştir. İkinci adım ise NMPy'ün CFME/PTh baz elektrot üzerine farklı konsantrasyonlar ve döngü sayılarında elektrografting yapılmasıdır. Konsantrasyonun ve döngü sayısının arttırılması NMPy'ün de yapıya girişinde artış gözlenmiştir. Döngülü voltametri ve ATR-FTIR analiz sonuçlarından 0.08M NMPy elektrolit etkisini incelerken uygun koşul olarak seçilmiştir. Taramalı Elektron ve Atomik Kuvvet Mikroskoplarının sonuçlan da Döngülü Voltametri ve ATR-FTIR sonuçları ile belirlenen NMPy 'ün kompozitin yapısına girişindeki artışı desteklemektedirler. Termal analizlerle termal özellikler incelenmiş ve TGA sonuçlan karbon fiber üzerindeki kompozit malzemenin karbon fiberin termal dayanımım arttırdığını kanıtlamıştır. xvKatı iletkenlik ölçümlerini yapabilmek için polimerizasyon reaksiyonları sabit potansiyel altmda sodyumperklorat ve monomerleri içeren asetonitril çözeltisi içerisinde otuz dakika süreyle elektrokimyasal olarak gerçekleştirilmiştir. Polimer filmler sabit potansiyel altında platin levha elektrot üzerinde biriktirilmiştir. İletkenlik değerleri 0.5M tiyofen homopolimeri için 423. 7S cm"1 ve 0.08M NMPy ile hazırlanmış elektrokimyasal kompozit için 126. IS cm-1 olarak hesaplanmıştır. Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS) kompozit elektrotların elektrokimyasal özelliklerini görüntülemek amaçlı uygulanmaktadır. NMPy'ün değişik konsantrasyonlarının ve döngü sayılarının CFME/PTh temel elektrot üzerinde etkileri incelenmiştir. Homopolimerle kıyaslanınca kompozit elektrotların çok daha yüksek kapasitif davranış gösterdiği sonucuna ulaşılmıştır. Bütün EIS sonuçlan elektrolit etkisi incelenirken 0.08M NMPy konsantrasyonun CFME/Th elektrot üzerine en uygun kompozit kaplama konsantrasyonu olduğunu kanıtlamıştır xvı
Özet (Çeviri)
ELECTROCHEMICAL COMPOSITE FORMATION OF THIOPHENE AND N-METHYL PYRROLE ON CFME AND THEIR CHARACTERIZATIONS SUMMARY Until about 30 years ago all carbon based polymers were rigidly regarded as insulators. The idea that plastics could be made to conduct electricity would have been considered to be absurd. Indeed, plastics have been extensively used by the electronics industry because of this very property. They were utilized as inactive packaging and insulating material. This very narrow perspective is rapidly changing as a new class of polymer known as intrinsically conductive polymer or electroactive polymers are being discovered. In the early days, the 1970s, scientists were laying out the initial discoveries and then building up the framework of the polymer science field. The big thing in the early 1980s was the theoretical work on solitons etc., and then the synthesis of a range of new materials that really began to lead to the promise that they would have soluble, processable polymers that would still have the optical properties of metals and semiconductors. At that time, two main conjugated polymers had appeared in labs, polyacetylene and polypyrrole. These polymers were shown to switch between two states, one neutral insulating, and the other oxidized and electrically conducting. Polyacetylene showed, however, to be highly unstable toward air and humidity, and polypyrrole was only stable in its oxidized conducting state. Gamier and his research group developed their environmentally stable in their both neutral and conducting state and proposed in literature firstly polythiophenes were synthesized electrochemically. Conducting polymers are conducting because the electrons are delocalized in the conjugated structure. This in turn brings insolubility and infusibility to the polymers, resulting in a poor processability. A number of general techniques have been developed in order to improve the processability of conducting polymers. These techniques include block copolymerization, increase of chain flexibility via XIincorporation of flexible centers in the main chain, side chain substitution, use of processable precursor polymers, and the formation of polymer blends and composites. Similarly conducting polymer composites become increasingly important for technical applications. The aim of this study was to combine unique properties of carbon fibers and remarkable advantages of conducting polymers in order to obtain novel composite materials which have better thermal, mechanical, conductivity and processing properties. Electrochemical composite formation of thiophene (Th) and N- methylpyrrole (NMPy) onto carbon fiber microelectrodes were investigated in different monomer concentrations and cycle numbers of NMPy. Also effects of different electrolytes were investigated. All of the composites were characterized by ATR-FTIR, Cyclic Voltammetry (CV) and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS). Some of electrochemical composites were also characterized in morphology by Scanning Electron Microscopy (SEM) and Atomic Force Microscopy (AFM). The results were discussed in detail. The resulting electrical, mechanical and thermal properties of such materials are illustrated by a variety of experimental examples. Firstly, thiophene was electrodeposited on carbon fiber microelectrode. The electrochemical behaviors were investigated by cyclic voltammetry. The roles of using carbon fibre microelectrodes rather than platinium button electrode as working electrode were discussed. In order to determine the most efficient concentration of thiophene during electrochemical composite formation with NMPy was also investigated by cyclic voltammetry. 0.5M Thiophene concentration was chosen as a standard monomer concentration for the base electrode which will be entitled as CFME/PTh base electrode during this study. The second step is the electrografting of NMPy on CFME/PTh base electrode in different concentrations and cycle numbers. Increasing concentration and cycle number of NMPy also increases the inclusion of NMPy in the structure. From the cyclic voltammetry results and ATR-FTIR analysis, 0.08M NMPy was chosen as an optimum condition for the investigations in effect of electrolyte. SEM and AFM images were also supported the CV and ATR-FTIR results in inclusion of NMPy in composite electrode structure. xuThermal analyses were also performed and TGA results indicate that composite material on CF increases the thermal stability of CF. In order to perform solid state conductivity measurements, polymerization reactions were performed electrochemically at a constant current in ACN solution containing NaC104 and the monomers. Polymer films were deposited with galvanostatically onto platinum plate electrodes. The conductivity measurements were shown very high values as 423. 7S cm“1 for 0.5M Thiophene homopolymer and 126. IS cm”1 for 0.08M NMPy on platinum electrode. EIS was employed to monitor the electrochemical behavior of the composite electrodes. Effect of NMPy's different concentration and cycle numbers on CFME/PTh base electrode was investigated. Rather than homopolymer, composites showed a better capacitive behavior. All EIS results confirmed that 0.08M NMPy on CFME/PTh base electrode was the optimum composite coating concentration during effect of electrolyte investigations. xm
Benzer Tezler
- Lityum iyon batarya uygulamaları için polipirol esaslı anot bağlayıcılar
PPY based anode binder for lithium ion battery application
IŞIK İPEK AVCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BELKIZ USTAMEHMETOĞLU
- Bor triflorür dietil eterat'ın tiyofen (Th) ve türevlerinin elektropolimerizasyonuna etkisi: Elektrokimyasal empedans çalışması
The effect of boron tri-floride di-ethyl etherate on the electropolymerization of Th and their derivatives: The study of electrochemical impedance spectroscopy
HACER DOLAŞ
- İndol-Karbazol ve İndol-Tiyofen komonomerlerinin sentezi, elektropolimerizasyonu ve karakterizasyonu
Synthesis, electropolymerization and characterizatıon of Indole-Carbazole and Indole-Thiophene comonomers
MEHMET ERGİNER
- Preparation of metal organic framework added conducting polymer based materials and their supercapacitor applications
Metal organik kafes yapısı katkılanmış iletken polimer esaslı malzemelerin üretimi ve süperkapasitör uygulamaları
HİLAL YILDIRIM KALYON
Doktora
İngilizce
2024
EnerjiYıldız Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. METİN GENÇTEN
DOÇ. DR. SEMİH GÖRDÜK
- ZnO/ERGO/ITO nanokompozit elektrotların elektrokimyasal olarak hazırlanması ve karakterizasyonu
Electrochemical synthesis and characterization of ZnO/ERGO/ITO nanocomposite electrodes
EFTADE PINAR GÜR