Investigation on lithium salt-surfactant lyotropic liquid crystalline mesophases: Characterization, role of water, and electrochemical behaviors
Lityum tuzlarının oluşturduğu liyotropik sıvı kristal fazlar: Karakterizasyon, suyun rolü, ve elektrokimyasal davranışlar
- Tez No: 695376
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖMER DAĞ, DOÇ. DR. BURAK ÜLGÜT
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Liyotropik Sıvı Kristaller, Mezofaz, Suyun Rolü, Lityum Tuzları, Güneş Pili, Jel Elektrolit, Redoks Çifti, Lyotropic Liquid Crystals, Mesophase, Role of Water, Lithium Salts, Solar Cell, Gel Electrolyte, Redox Couple
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 226
Özet
Bu tezde lityum tuzlarının (LiCl, LiBr, LiNO3, LiSCN, LiI, LiI/I2 ve LiH2PO4) ve 10-lauril eterin (C12H25(OCH2CH2)10OH, C12EO10) oluşturduğu liyotropik sıvı kristal (LSK) mezofazları araştırıldı ve LiI/I2 LSK mezofazı bir boya duyarlı güneş hücresinde (DSSC) jel elektrolit olarak kullanıldı. LiCl, LiBr, LiNO3, LiSCN ve LiH2PO4 tuzları, geniş bir tuz derişimi aralığında 2 ila 10 tuz/yüzey aktif madde mol oranları arasında kararlı olan LSK mezofazları olarak hazırlandı. LiI numuneleri 3 mol oranı üzerinde mezokristalizasyona uğramaktadır ve bu yüzden yüksek oranları araştırılmamıştır. LiH2PO4 LSK numuneleri yarı kararlıdır, düşük su tutma kapasiteleri nedeniyle bir süre sonra tuz kristalleri oluşturmaktadır; bu nedenle, LiH2PO4 mezofazlarının su kapasitesini ve kararlılığını iyileştirmek için mezofazın içerisinde tutulan su miktarını artırarak tuzun kristalleşmesini önleyen çeşitli miktarlarda H3PO4 eklenmiştir. Bu nedenle, bu tez üç ana bölüme ayrılmıştır, ilki LiCl, LiBr, LiNO3 ve LiSCN'nin kararlı LSK mezofazları üzerinde suyun etkisidir. İkincisi LiH2PO4 LSK mezofazları ve kristal oluşumunu önlemek için H3PO4 ilavesidir. Ve sonuncusu, LiI/I2 LSK mezofazlarının boya duyarlı güneş hücrelerinde jel elektrolit olarak kullanımı ile ilgilidir. Mezofazlar, tüm bileşenlerin sulu çözeltilerinin buharlaştırılmasıyla elde edildi. İlk olarak LSK numuneleri, Azaltılmış Toplam Yansıma-Fourier Dönüşümlü Kızılötesi (ATR-FTIR), Raman, UV-Vis soğurma spektroskopisi, X-ışını kırınımı (XRD), alternatif akım iletkenlik ölçümleri, gravimetrik ölçümler ve polarize optik mikroskop (POM) görüntüleme ile yapısal ve elektriksel özellikleri ve su alımını belirlemek için kullanıldı. Suyun buharlaşması gravimetrik, spektroskopik ve iletkenlik ölçümleri ile izlendi. Su buharlaşma hızı, buharlaştırılmış su ağırlığının 2/3'lük bir gücünü takip eder. Suyun tamamen buharlaşmasından sonra, LiCl ve LiBr sistemleri mezofazlarında benzer miktarda su tutar (nem durumuna bağlı bir şekilde tipik olarak 3-8 su/Li+). Buna karşın, LiSCN ve LiNO3 sistemleri, mezofaz içinde önemli ölçüde daha düşük miktarda su tutar (nem durumuna bağlı bir şekilde 1.5-5 su/Li+). Su, lityum tuz-yüzey aktif madde mezofazlarının oluşumunda ve yapısal özelliklerinde kritik rollere sahiptir. Suyun rolünü araştırmak için gravimetri, spektroskopi, alternatif akım iletkenlik ölçümleri ve polarize optik mikroskop teknikleri kullanılarak neme bağlı ölçümler yapılmıştır. Gravimetrik ve spektroskopik veriler, H2O/Li+ mol oranının nem başına doğrusal olarak 0.08-0.09 oranında arttığını göstermektedir. Nem oranını %20'den %40'a çıkararak mezofazlarda tutulan su miktarını artırmak bu numunelerin iyonik iletkenliklerini yaklaşık iki kat artırır. Su/Li+ mol oranları, su-iyon, su-su, su-yüzey aktif madde ve iyon-yüzey aktif madde etkileşimleri, lityum tuzlarının karşı anyonlarına güçlü bir şekilde bağlıdır ve Hofmeister anyon serisini yakından takip eder; öyle ki su molekülleri LiCl mezofazında güçlü bir şekilde tutulur, ancak LiNO3 ve LiSCN mezofazlarında zayıf bir şekilde tutulur. Lityum tuzu-yüzey aktif madde mezofazlarına uygulanan nemi kontrol etmek, LSK mezofazlarının özelliklerini gerektiği gibi ayarlamanın umut verici bir yoludur. Ayrıca, iki farklı lityum tuzunun karıştırılması da ayrıca jel fazındaki su miktarını ayarlayabilir. Örneğin, LiNO3 mezofazına LiCl eklenmesi, mezofazdaki nihai su içeriğini ve dolayısıyla iletkenliği arttırır. Mezofaz içerisindeki su miktarını kontrol edebilmek çeşitli elektrokimyasal uygulamalarda lityum tuzu-yüzey aktif madde mezofazlarının kullanımı için faydalı olabilir. LiH2PO4 mezofazı ayrıca tuz/yüzey aktif madde mol oranı değiştirilerek kapsamlı bir şekilde araştırılmış ve yüksek nemde mezofazın oluştuğu ancak düşük nemde kararsız olduğu sonucu bulunmuştur. LiH2PO4 mezofazı, önce yüzey aktif maddeyi ve ardından tuz kristallerini mezofazdan dışarı atarak bir faz değişikliğine uğrar. Mezofazda tuz miktarının arttırılması tuz kristallenmesini geciktirebilir ancak tamamen durduramaz. Fakat, LiH2PO4 mezofazları, çok yüksek miktarda su tutan H3PO4 eklenerek de kararlı hale getirilebilir. LiH2PO4-H3PO4 mezofazı, jel elektrolitler olarak sabit bir pH değeri gerektiren elektrokimyasal cihazlarda da kullanılabilecek bir tampon LSK mezofazı oluşturur. Ayrıca LiI-I2 redoks çifti de LSK mezofazı olarak hazırlanmış, yukarıdaki yaklaşımlarla karakterize edilmiş ve jel-elektrolit olarak boya duyarlı bir güneş pilinde kullanılmıştır. Mezofaz içerisindeki su miktarının öneminin araştırılması için jelleşmede farklı nem seviyeleri test edilmiştir. Bu boya duyarlı güneş pillerinin verim değerini % 3.67'den % 5.36'ya çıkardığı için %40 nem oranının en iyisi olduğu gösterilmiştir. Nem seviyesinin daha da artması boyanın ayrılmasına ve serbest iyot oluşumuna neden olur; bu nedenle, verimlilik değerleri tekrar düşmeye başlar. Anot üzerine boya ve elektrolitin nasıl uygulanacağının değiştirilmesi, boya ve elektrolitin aynı anda verilmesi ve jelleşmenin % 40 nemde gerçekleştirilmesi verimlilik değerlerinde boya duyarlı bir güneş pilinde bir LSK jel-elektroliti için elde edilmiş en yüksek verim olan % 7.32'ye kadar bir artışla sonuçlanır.
Özet (Çeviri)
In this thesis, lyotropic liquid crystalline (LLC) mesophases of lithium salts (LiCl, LiBr, LiNO3, LiSCN, LiI, LiI/I2, and LiH2PO4) and 10-lauryl ether (C12H25(OCH2CH2)10OH, C12EO10) have been investigated and the LiI/I2 LLC mesophases was used as gel electrolyte in a dye sensitized solar cell (DSSC). The LLC mesophases of LiCl, LiBr, LiNO3, LiSCN, and LiH2PO4 salts were prepared in a broad range of salt concentrations and found that the mesophases of LiCl, LiBr, LiNO3, and LiSCN salts are stable between 2 and 10 salt/surfactant mole ratios. The LiI-C12EO10 samples undergo meso-crystallization over a 3 mole ratio and not investigated at high salt mole ratios. The LiH2PO4-C12EO10 LLC samples are semi stable and leach out salt crystals upon aging because they cannot hold sufficient water; the water holding capacity and stability of the LiH2PO4 mesophases can be improved by adding various amount of H3PO4 that prevents salt crystallization by increasing the water content of the mesophase. Therefore, this thesis was divided into three main chapters, the first chapter is on the role of water in the LLC mesophases of LiCl, LiBr, LiNO3, and LiSCN. The second chapter is on the LiH2PO4 LLC mesophases, and addition of H3PO4 to prevent crystal formation. And the last one is about the use of the LiI/I2 LLC mesophase as gel electrolyte in DSSCs. The mesophases were obtained by evaporating clear solutions of all ingredients. First, they were fully characterized by using Attenuated Total Reflectance-Fourier Transform Infrared (ATR-FTIR), Raman, and UV-Vis absorption spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), AC conductivity, gravimetric measurements, and polarized optical microscope (POM) imaging to identify structural and electrical properties and water up takes of the mesophases. The water evaporation has been monitored by gravimetric, spectroscopic, and conductivity measurements. The water evaporation rate follows a 2/3 power of the evaporated water weight. After complete water evaporation, the LiCl and LiBr systems keep a similar amount of water in their mesophases (typically 3-8 water/Li+, depending on the humidity condition). However, the LiSCN and LiNO3 systems keep a significantly lower amount of water inside their mesophase (1.5-5 water/Li+ depending on the humidity condition). Water has a critical role in forming the lithium salt-surfactant mesophases and their structural properties. To investigate the role of water, humidity-dependent measurements have been carried by using gravimetry, spectroscopy, AC conductivity, and POM techniques. The gravimetric and spectroscopic data show that the H2O/Li+ mole ratio increases linearly by 0.08-0.09 per humidity. Increasing water amount in the mesophases improves their ionic conductivities with at least a factor of two when the humidity was changed from 20 % to 40 %. The water/Li+ mole ratios, water-ion, water-water, water-surfactant, and ion-surfactant interactions strongly depend on the counter anions of the lithium salts and closely follows the Hofmeister series of anions, such that the water molecules are strongly held in the LiCl mesophase but weakly held in the LiNO3 and LiSCN. Controlling the humidity over the lithium salt-surfactant mesophases is a promising way of tuning the properties of the LLC mesophases as needed. Furthermore, mixing two different lithium salts may also improve/adjust the water amount in the gel-phases. For instance, adding LiCl to LiNO3 mesophase increases the final water content in the mesophase and, therefore, the conductivity. Controlling the water amount in the mesophase can be beneficial for the use of the lithium salt-surfactant mesophases in various electrochemical applications. The LiH2PO4 mesophase has also been extensively investigated by changing the salt/surfactant mole ratio and found out that it forms at high humidity but is unstable at lower humidity. The LiH2PO4-mesophase undergoes a phase change by leaching out first surfactant and then the salt crystals. Increasing the salt amount in the mesophase can postpone the salt crystallization but it cannot stop completely. However, the LiH2PO4 mesophases can also be stabilized by adding H3PO4 that holds an extensive amount of water. The LiH2PO4-H3PO4 mesophase forms a buffer LLC mesophase that can be used in electrochemical devices as gel-electrolytes where constant pH is needed. The LiI-I2 redox couple was also prepared in LLC mesophase, characterized by the above approaches, and used in a DSSC as gel-electrolyte. To investigate the importance of the water content in the mesophase different humidity levels were tested for gelation. It was shown that 40 % humidity is the best since it increases the efficiency of DSSC from 3.67 % to 5.36 %. Further increase in the humidity level causes dye detachment and free iodine formation; therefore, the efficiency of DSSC start to decline. Altering how to introduce dye and electrolyte over the working electrode, such as introducing dye and electrolyte simultaneously and carrying gelation at 40 % humidity, results a further increase in the cell efficiency to 7.32 %, which is the highest efficiency achieved for an LLC gel electrolyte in DSSC.
Benzer Tezler
- Investıgatıon of lıthıum salts-nonıonıc surfactant lyotropıc lıquıd crystallıne mesophases ın a dye sensıtızed solar cell as gel electrolytes
Li̇tyum tuzlari ve i̇yoni̇k olmayan yüzeyakti̇f li̇yotropi̇k sivi kri̇stal fazlarin boya duyarli güneş hücreleri̇nde jel elektroli̇t olarak kullanilmasi
EZGİ YILMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER DAĞ
- Investigation of lithium salt-nonionic surfactant mesophases and their applications in solar cells as gel electrolyte
Lityum tuzlarının iyonik olmayan yüzey aktiflerle oluşturdukları arahaller ve bu yapıların güneş hücrelerinde jel elektrolit olarak uygulamaları
GÖZDE BARIM
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER DAĞ
- Bor minerallerinin elektrostatik ve elektrokinetik özellikleri
Electrostatic and electrokinetic properties of boron minerals
EMRE YAŞAR
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. YALÇIN KAYTAZ
- Lityumun karbonik anhidraz II enzim aktivitesi üzerine etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of lithium on enzyme activity of carbonic anhydrase II
İLHAN İRENDE
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
BiyokimyaKaradeniz Teknik ÜniversitesiTıbbi Biyokimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET ALVER
- Polimer-iyonik tuz elektrolitlerinin iletkenlik-serbest hacim ilişkilerinin pozitron yokolma ömür spektroskopisi ile incelenmesi
Investigation of relationship between free volume and ionic conductivity of polymer-salt electrolytes by using positron annihilation lifetime spectroscopy
BİLGEHAN COŞKUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2009
Fizik ve Fizik MühendisliğiMarmara ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. UĞUR YAHŞİ