Design and manufacturing of dimensionally controlled graphene based hybrid structures by core-shell electrospinning for energy storage systems
Enerji depolama sistemleri için çekirdek-kabuk yapılı elektrodokuma yöntemi ile boyutsal kontrollü grafen tabanlı hibrit yapıların tasarımı ve üretimi
- Tez No: 509173
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET YILDIZ, DOÇ. DR. BURCU SANER OKAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Kimya, Mühendislik Bilimleri, Energy, Chemistry, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 146
Özet
Çalışmanın ilk bölümünde, iki boyutlu (2B) grafen oksit tabakaları, tek adımda çekirdek-kabuk elektrospreyleme/elektrodokuma tekniği ile farklı taşıyıcı polimerler kullanarak lif, köpük ve küre olmak üzere üç tip yapıya dönüştürülmüştür. Bu çalışmada grafen tabanlı köpük, mevcut kimyasal buhar biriktirme tekniklerinin yerine ilk defa çekirdek-kabuk elektrospreyleme teknolojisi kullanılarak üretilmiştir. Elektrospreyleme/elektrodokuma, birbirine bağlı yapı iskelesini oluşturarak grafen tabakalarının birikmesini önler ve elektrik alan altında polimer çözeltisine grafen tabakalarının homojen dağılımını sağlamaktadır. Uygun polimer konsantrasyonu ve çözelti viskozitesi, Mark-Houwink-Sakurada denklemi kullanılarak belirlenmiştir. Yapıların morfolojisi ve boyutu, çözelti ve süreç parametrelerinin uyarlanmasıyla kontrol edilmiştir. Ayrıca, 3B grafen tabanlı kürelerin boşluğu, işlem sırasında çekirdek çözücüyü değiştirerek kontrol edilmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde, platin (Pt) emprenye edilerek üretilmiş grafen bazlı küreler, köpük ve lifler elektrot olarak hazırlanmış olup morfolojilerinin ve boyutlarının elektrokimyasal davranış üzerindeki etkisi siklik voltametri ve galvanostatik şarj-deşarj yöntemleri ile incelenmiştir. Polialklonitril (PAN) polimeri hem grafen ağındaki hem de karbon içeriğindeki ara bağların arttırılması için taşıyıcı olarak seçilmiştir. Üç farklı elektrot arasında, Pt destekli 3B grafen bazlı küreler, eşsiz yapısı ve küçük boyutlu Pt parçacıklarına bağlı olarak 1 mV/s'lik bir tarama hızında 118 F/g'lik en yüksek özgül kapasiteyi ve iyi döngüsel stabiliteyi sergilemiştir. Diğer taraftan, Pt ile dekore edilmiş grafen bazlı fiber, 1 mV/s'lik bir tarama hızında 8 F/g'lık en düşük spesifik kapasitans göstermiştir. Bu tezin son bölümünde, grafen bazlı fiberlerin elektrokimyasal performansını daha da arttırmak için manganez oksit ve polianilin (PANI) ilavesiyle yeni ve hiyerarşik bir hibrit yapı oluşturulmuştur. Yüksek teorik özgül kapasitansı ve düşük maliyeti ile manganez oksit elektrodokuma sırasında lif yapısına entegre edilmiştir. Bununla birlikte, işlemin son aşamasında elektrotların elektrik iletkenliğini arttırmak için, PANI polimer anilin monomerinin in-situ polimerizasyonu yoluyla fiberlerin yüzeyi üzerinde biriktirilmiştir. Grafenin elektrotun yapısı ve elektrokimyasal performans üzerindeki etkisini tam olarak anlamak için, tabaka sayısına göre termal olarak genleştirilmiş grafen oksit (TEGO) ve grafen nano tabakalar (GNP) içeren iki farklı tip grafen seçilmiştir. GNP/PANI/manganez oksit karbon fiberleri, 1 mV/s'lik bir tarama hızında 454 F/g yüksek spesifik kapasitans göstermiştir. Bahsedilen elektrot, 1000 devir şarj-deşarjından sonra kapasitenin sadece % 11'ini kaybetmiştir. GNP'de bulunan yüksek miktardaki oksijen fonksiyonel grupları, pul pul dağıtılmış bir yapı sağlayarak elektrot bileşenleri arasındaki ara yüzey etkileşimlerini iyileştirdiği düşünülmektedir. Bu çalışma, özellikle enerji depolama cihazları için yüksek performanslı hibrit elektrotların üretilmesine yeni bir bakış getirmektedir.
Özet (Çeviri)
In the first part of study, two-dimensional (2D) graphene oxide sheets were converted into three forms of fibers, foam, and spheres by using different carrying polymers through one-step core-shell electrospraying/electrospinning technique. In this work, graphene-based foam was produced for the first time by utilizing core-shell electrospraying technology instead of available chemical vapor deposition techniques. Electrospraying/electrospinning prevents the aggregations and crumbling of graphene sheets by constructing interconnected framework and provides homogeneous dispersion of graphene sheets in polymer solution under electric field. The proper polymer concentration and solution viscosity were determined by using Mark-Houwink-Sakurada equation. Morphology and dimension of the structures were controlled by tailoring solution and process parameters. Moreover, hollowness of the fabricated 3D graphene-based spheres was altered by changing the core solvent during process. In the second part, platinum (Pt) decorated graphene-based spheres, foam, and fibers were prepared as electrodes via core-shell electrospinning/electrospraying technique followed by reduction and carbonization process. The effect of morphology and dimension of graphene-based carbon electrodes on the electrochemical behavior of electrodes were investigated by cyclic voltammetry and galvanostatic charge-discharge methods. Polyacrylonitrile (PAN) polymer was selected as a carrier to increase the interconnections in graphene network and carbon content. Among three different electrodes, Pt supported 3D graphene-based spheres exhibited the highest specific capacitance of 118 F/g at a scan rate of 1 mV/s as well as good cyclic stability owing to its unique structure and small size of Pt particles. On the other hand, Pt-decorated graphene-based fiber showed lowest specific capacitance of 8 F/g at a scan rate of 1 mV/s. In the last part, a novel and hierarchical hybrid electrode was constructed by the addition of manganese oxide and polyaniline (PANI) into the fiber structure to further improve the electrochemical performance of graphene-based fibers. Manganese oxide with its high theoretical specific capacitance and low cost was integrated to the fiber structure during electrospinning. Whereby, at the last step of process, to enhance the electrical conductivity of electrodes, PANI was deposited on the surface of fibers through in-situ polymerization of aniline monomer. In order to fully understand the effect of graphene on the structure and electrochemical performance of electrodes, two types of graphene including thermally exfoliated graphene oxide (TEGO) and graphene nanoplatelet (GNP) were selected based on the number of graphene layers. Among two fabricated electrodes with different graphene sources, GNP/PANI/manganese oxide carbon fibers showed the highest specific capacitance of 454 F/g at a scan rate of 1 mV/s. The mentioned electrode exhibited a high cycling stability whereby only 11% of capacitance lost after 1000 cycles of charging-discharging. High oxygen functional groups of GNP is believed to enhance the interfacial interactions between electrode components by providing an exfoliated structure. This study especially brings a new insight into the fabrication of high-performance hybrid electrodes for energy storage devices.
Benzer Tezler
- Tel erozyon işlemine yönelik CAD-CAM-CNC integrasyonu
CAD-CAM-CNC integration for CNC wire cutting process
AYDUYGU SEVİNÇ
- 6 serbestlik dereceli rotasyonel stewart platformu tasarımı ve yüzey pürüzlülük ölçümlerinde eğim sensörü ile konum kontrolü
Designing 6 degrees of freedom rotary stewart platform and positioning using tilt sensor during the surface roughness measurement
ENES UĞUROĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SIDDIK MURAT YEŞİLOĞLU
- Development of hexagonal boron nitride reinforced thermoplastic composites for advanced thermal management with multi-processing techniques
Çoklu işleme teknikleri ile ileri ısıl yönetim için hekzagonal bor nitrür takviyeli termoplastik kompozitlerin geliştirilmesi
SAHER GUL
Doktora
İngilizce
2024
Mühendislik BilimleriSabancı ÜniversitesiMühendislik ve Doğa Bilimleri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURCU SANER OKAN
- Elektronik kontrollü diz üstü protez bacağın tasarlanması ve üretilmesi
Design and manufacturing of electrical controlled above knee prosthetic leg
MÜCAHİT EGE
Doktora
Türkçe
2023
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolKocaeli ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERDAR KÜÇÜK
- Plastik enjeksiyon kalıplarının tasarımı ve üretimi
Başlık çevirisi yok
AHMET RAHMİ ALKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TEOMAN KURTAY