Synthesis of graphene aerogel and its applications
Grafen aerojel sentezlenmesi ve uygulamaları
- Tez No: 648688
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ONUR ERGEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 93
Özet
İyi tanımlanmış, birbirine bağlı gözenekli ağlara sahip, üç boyutlu (3D) grafen bazlı aerojeller, dünyadaki en hafif malzemelerden biridir. Geniş yüzey alanı, kontrol edilebilir gözenekli yapı ve işlevselleştirilebilir yüzey alanları içeren mükemmel özellikleri sayesinde, sadece elektronik iletim kapasitesine değil, aynı zamanda birbirine bağlı ağların benzersiz özelliklerine de sahiptirler ve farklı malzemelere gömülebilirler. Ek olarak, grafen aerojeller (GA'lar) düşük yoğunluk, düşük termal iletkenlik, yüksek adsorpsiyon kapasitesi, yüksek mekanik mukavemet ve elektrik iletkenliği gibi büyüleyici özelliklere sahiptir. Bu özellikleri nedeniyle çeşitli araştırma alanlarının dikkatini çekmektedirler. Şimdiye kadar, performans ve yapı bakımından farklılık gösteren GA'ları üretmek için birçok sentez yöntemi kullanılmıştır. Bu tez, modifiye Hummer metoduna dayanan grafen oksit (GO) çözeltilerinin tek aşamalı hidrotermal muamelesi ve uygulamaları için üretilen bu GA'lara dayanan farklı gerinim sensörlerinin üretilmesi yoluyla grafen aerojel sentezine ayrılmıştır. Bu amaçla, süperkritik CO2 (scCO2) kurutma desteği ile yüksek yüzey alanı olan GA'ları (~ 700 m2/g) üretmek için öncü olarak GO ve indirgenmiş grafen oksit (rGO) çözeltileri sentezlenmiştir. Elde edilen GA'lar, gerinim sensörlerinin uygulamaları için GA tabanlı hibrid malzemeleri oluşturmak için kullanılmıştır. Gerinim sensörleri yapısal sağlık izleme uygulamaları ve akıllı yönetim için ilgi çeken bir materyaldir. Özellikle esnek piezotronik gerinim sensörlerinin yüksek hassasiyetleri ve hızlı tepki süreleri bu uygulamalar için onları ideal birer aday yapar. Bu alanda nanoyapılı tasarımları oluşturmak çok zorlayıcı bir hal alması nedeniyle araştırmaların ilgisini çekmektedir. Bu nedenle, birçok farklı piezoelektrik malzeme için çeşitli tasarımlar olmuştur, ancak bu malzemeler arasında birçok uygulama, biyouyumluluk ve optik özellikler gibi benzersiz avantajları nedeniyle ZnO nanomalzemelerini kullanmaktadır. Bununla birlikte, bu nanoteller, elektronik olarak ZnO içeren ve esnek bir harekete izin veren uyumlu bir ana malzeme gerektirir. Bu ihtiyaç ile ilgili olarak, ZnO nanoteller esnek gerinim sensörleri oluşturmak için sürekli olarak çeşitli malzemelere gömülüdürler. Bu tezde, GA'lar, ZnO piezoelektrik özelliklerinin her koşulda muhafaza edilebileceği mükemmel alıcı substrat özellikleri sağladığından, sentezlenen GA substratlarına gömülü ZnO nanotellerine dayanan esnek piezotronik gerinim sensörü üretmek için bir teknik geliştirilmiştir. Ayrıca, bu tanımlanmış gerinim sensörü, sentezlenen grafen aerojel substratı üzerinde kimyasal buhar birikimi yöntemi ile büyütülmüş ZnO nanotel filmi ile elde edilmiştir. Gerinim algılamanın, hem statik hem de dinamik yüklemenin, GA'ların, dikkate değer özelliklerinden ötürü ev sahibi materyal olarak umut verici adaylar olduklarını gösterdikleri bulunmuştur. Ek olarak, sensörün IV karakteristiği, hem statik hem de dinamik yükler altında arzu edilen piezotronik özellikler, Schottky bariyer yüksekliğinde piezo potansiyel modüle edilmiş değişiklikler nedeniyle yüksek hassasiyet gösterir. Herhangi bir ZnO / Karbon bazlı gerinim sensörü için gerinim faktöründen (GF) neredeyse % 50 daha yüksek olan 120' ye kadar yüksek bir GF göstermektedir. Ayrıca, nanoteller, karbon nanotüpler ve iki boyutlu (2D) malzemeler de dahil olmak üzere nanomalzemelerin kullanılmasıyla giyilebilir cihazlar geliştirmek için çok çaba sarf edilmektedir. Özellikle grafen, mükemmel elektriksel ve mekanik özellikleri sayesinde giyilebilir uygulamalar için kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Bu konuda odak, iletken köpük ve nano kağıtlar gibi üç boyutlu grafen tabanlı sensör mimarileri üzerindedir. Bununla birlikte, tüm geometriler hala konformal entegrasyon ve hassasiyet ile ilgili bazı engellerle karşılaşmaktadır. Bu nedenle, bu tezde, istemsiz insan hareketinden bilgiyi etkili bir şekilde çıkaracak GA tabanlı gerinim sensörleri oluşturmanın yeni yöntemi gösterilmektedir. GA'lar, üç boyutlu hibrid çerçeveler üretmek için karbon nanotüplerle (CNT'ler) benzersiz bir şekilde güçlendirilmiştir. Bunlar, iletken yolların genellikle yüksek gerilme veya stres koşulları altında tutulduğu gerilebilir özellikler sağlamaktadırlar. İletken yolların korunması, güvenilir bilgi sağlamak için son derece önemlidir ve bu da gerinim sensörü tasarımları için zorlu problemlerden biridir. Bununla birlikte, GA ve CNTs karışımı, güvenilir veri toplama için mükemmel bir çerçeve sağlar ve malzeme işlevselleştirme özellikleri, hassas sensörler sağlamak için mükemmel bir fırsat sunmaktadır. Bu çalışma sırasında, CNT'lerle yeniden yapılanma ve basit, düşük maliyetli ve ölçeklenebilir olan dispersiyon tekniği ile oldukça işlevselleştirilmiş üretilmiş GA'dan bir gerinim sensörü hazırlanmıştır.
Özet (Çeviri)
Three-dimensional (3D) graphene-based aerogels with well-defined interconnected porous networks are one of the lightest materials in the world. Thanks to their excellent properties, which include large surface area, controllable porous structure and functionalizable surface properties, they have not only electronic transmission capability but also unique features of interconnected networks and can be embedded in different materials. Also, graphene aerogels (GAs) have fascinating properties such as low density, low thermal conductivity, high adsorption capacity, high mechanical strength, and electrical conductivity. Due to these features, they attract the attention of various research areas. Up to now, many synthesis methods have been used to produce GAs, which differ in performance and structure. This thesis is devoted to the synthesis of GA via one step hydrothermal treatment of graphene oxide (GO) solutions based on modified Hummer's method and the fabrication of different strain sensors based on these produced GAs for its applications. To achieve this, GO and reduced graphene oxide (rGO) solutions are synthesized as precursors to produce the high surface area GAs (~700 m2/g) with the support of supercritical CO2 (scCO2) drying. Obtained GAs are used to construct GA based hybrid materials for the fabrication of strain sensors as its applications. Strain sensors are very attractive tools for structural health monitoring applications and intelligent management. Especially, flexible piezotronics strain sensors provide high sensitivity and fast response times which make them an ideal candidate for these applications. Therefore, the nanostructured architectures have become very attractive but challenging in the recent years. Various designs have been developed using different piezoelectric materials, yet most applications use ZnO nanomaterials due to their unique advantages such as biocompatibility and optical properties. However, these nanowires require a compatible host material that includes ZnO electronically and permits them a flexible movement. To satisfy this need, ZnO nanowires (ZnO-NWs) are constantly embedded in various materials to build flexible strain sensors. In this thesis, we develop a technique to produce a flexible piezotronics strain sensor based on ZnO-NWs embedded in the synthesized GA substrates, since GAs provide excellent receiving substrate properties, which in turn helps to maintain ZnO piezoelectric properties under any conditions. Moreover, this defined strain sensor is fabricated with chemical vapor deposition (CVD) grown ZnO-NWs film on the synthesized GA substrate. Strain sensing, both static and dynamic loading, is demonstrated to show that GAs are promising candidates as a host material due to their remarkable properties. Additionally, the I-V characteristic of the sensor shows high sensitivity owing to the desirable piezotronics properties, piezo potential modulated changes in Schottky barrier height (SBH), under both static and dynamic loads. A good gauge factor (GF) of as high as 120 has been demonstrated, which is almost 50 % higher than GF for any ZnO/Carbon based strain sensor. Besides, numerous efforts are made to develop wearable devices through the utilization of nanomaterials, including nanowires, carbon nanotubes, and twodimensional (2D) materials. Particularly, graphene has been extensively studied for wearable applications thanks to its excellent electrical and mechanical properties. Especially, the focus is on the 3D graphene-based sensor architectures such as conductive foam, nano-papers, etc. However, all geometries still confront some obstacles with conformal integration and sensitivity. Hence, a novel method to create GA based strain sensors which can effectively extract information from involuntary human motion is demonstrated in this thesis. GAs were uniquely strengthened with carbon nanotubes (CNTs) to produce 3D hybrid frameworks. These provide stretchable characteristics, which is desirable since the conductive pathways are often maintained under high strain or stress conditions. Maintaining the conductive pathways is extremely important to supply reliable information, yet it is one of the challenges in strain sensor design. However, combination of GA and CNTs provides a superb framework for reliable data gathering and their material functionalization properties provide great opportunity to supply sensitive sensors. During this study, a strain sensor was prepared from highly functionalized GA by reconstruction with CNTs and dispersing technique, which is straightforward, low cost, and scalable.
Benzer Tezler
- Sıvı beslemeli yakıt pili uygulamaları için katalizör sentezi ve karakterizasyonu
Catalyst synthesis and characterization for liquid feed fuel cell applications
MEHMED SELİM ÇÖGENLİ
Doktora
Türkçe
2020
EnerjiAtatürk ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYŞE BAYRAKÇEKEN YURTCAN
- Plasmonic nanoparticle modified substrate for SERS sensing applications
SERS algılama uygulamaları için plazmonik nanoparçacık modifiyeli substrat
GİZEM HASİBE KANAT
- PEM yakıt pilleri için 3D grafen ve azot katkılı karbon destekli Pt nanoparçacıkların sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of 3D graphene and nitrogen-doped carbon supported Pt nanoparticles for PEM fuel cells
EMİNE TEKE ÖNER
Doktora
Türkçe
2022
Kimya MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE BAYRAKÇEKEN YURTCAN
- Preparation of metal/graphene composites for ammonia decomposition reaction
Başlık çevirisi yok
BERTİ MANİSA
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
EnerjiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. UĞUR ÜNAL
- Metal katkılı TiO₂-grafen aerojel nanokompozit malzemelerin sentezi ve Karakterizasyonu, fotokatalitik aktiviteleri ve fotokorozyonu
Metal doped TiO₂-graphene aerogel nanocomposite materials synthesis and characterization, photocatalytic activities and photocorrosion
FATMA SEMA ÖZPEKER
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Metalurji MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DERYA TEKİN