Designing, developing and using the anode of a microbial fuel cell by containing PDMS,carbon nanotubes and graphene
PDMS, karbon nanotüpler ve grafen içeren bir mikrobiyal yakıt hücresinin anotunun tasarlanması, geliştirilmesi ve kullanılması
- Tez No: 713487
- Danışmanlar: PROF. DR. LEVENT TRABZON
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Enerji, Mühendislik Bilimleri, Biotechnology, Energy, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 77
Özet
Son birkaç yıl ile birlikte micro/nano elektro mekanik sistemler çok hızlı bir şekilde yükselmekte olan ve araştırmacıların fazlaca ilgisini çeken bir alandır. MEMS zaten var olan elektronik ve mekanik sistemlerin, minyatürize edilerek mikron boyutlara entegrasyonu ile sağlanan bir sistemler topluluğudur. NEMS ise nano boyutlarda aynı şekilde çalışan sistemler topluluğudur. Eğer MEMS üretim tekniklerini sıralayacak olursak; depolama, litografi ve aşındırma (asit ile) olarak sayabiliriz. MEMS bağlamında litografi, ışık gibi bir radyasyon kaynağı kullanarak bir modelin ışığa duyarlı bir malzemeye aktarılmasıdır. MEMS yapıların kendi içinde bazı limitleri vardır. Bu limitler teknolojinin gelişmesi ile gittikçe azalmaktadır. Geleceği oldukça açık olan bu alanın kapsadığı birçok çalışma konusu bulunmaktadır. MEMS/NEMS alanının da kapsadığı bir konu olan mikrobiyal yakıt hücreleri ayrıca çok ilgi çeken bir çalışma alanıdır. Bunun sebebi, dünyada her geçen gün ile beraber enerji tüketiminin artması ve yenilenebilir bir enerji kaynağı arayışının bir zorunluluk haline gelmesidir. Dünyada birçok ülke yenilenebilir enerji kaynağı olarak MFC'lerin oldukça fazla umut vaat ettiğini düşünmekte ve bu doğrultuda MFC çalışmaları yürütmektedirler. MFC'lerin tercih edilmesinin bir diğer sebebi ise diğer enerji üretim yöntemlerine göre daha çevreci ve yüksek verimlilikte çalışan sistemler olmalarından dolayıdır. Yakıt hücre sistemi, bir reaksiyonun kimyasal enerjisi doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren elektrokimyasal cihaz sistemleri olarak tanımlanabilir. Temel bir yakıt hücresinin ana malzemesi, her iki tarafında da bulunan gözenekli anot ve katotla temas eden elektrolit tabakasından oluşur. Anot ve katot elektrotlarının verimli bir şekilde çalışması için uygun malzemelerin kullanılması gerekmektedir. Bu malzemeler arasında ise nanoteknolojide oldukça fazla kullanılan karbon nanotüpler ve grafen sayılabilmektedir. Grafen, tekrar eden altıgenler şeklinde birbirine bağlanmış ve tek bir katmana sahip karbon atom tabakasının almış olduğu isimdir. Grafen atomik düzenlemesinden dolayı olağanüstü özelliklere sahiptir. Karbon nanotüpler, grafen tabakasının ya da tabakalarının sarılarak oluşturmuş olduğu silindir şeklindeki yapılardır. Karbon nanotüpler de tıpkı grafen gibi olağanüstü özelliklere sahiptirler. Bu iki önemli malzemenin MFC elektrotlarında kullanılabilmesi oldukça önemlidir. MFC'lerde kullanılacak elektrotların önemli özelliklere sahip olması beklenir. Yüksek bir yüzey alanının olması, kimyasal ve mikrobiyal floraya karsı iyi bir stabilite, yüksek iletkenliğe sahip olması ve maliyetenin makul olması olarak sıralanabilmektedir. Bu mükemmel özelliklere sahip malzemeler ile kullanıma uygun bir polimer olan polidimetilsiloksan (PDMS) ise gözenekli elektrot yapısını sağlamakta uygun bir polimerdir. MFC'lerin anot ve katotlarının hem düşük maliyetli hem de yüksek verimlilikte çalışması amaçlanmaktadır. Bu alanda fazlaca kullanılan ve geliştirilmeye çalışan malzemeler arasında ise grafen, karbon nanotüpler ve organik bir polimer olan PDMS sayılabilmektedir. Bu malzemelerin kullanılması durumunda teorik olarak yüksek bir verimlilik sağlanmalıdır. Ayrıca maliyet ise tek nanomalzeme kullanılması durumuna göre daha azdır. Bu sebeple karbon nanotüp, grafen ve PDMS hibrit nanokompozit malzemeler ilgi çekici bir araştırma konusu olmaktadır. Kendi çalışmamızda da bu malzemeleri hibrit nanokompozitler olarak kullandık. Literatürde bulunan MFC anot elektrot çalışmalarına ek olarak daha düşük maliyetli ve daha yüksek verimlilikle elektriksel iletkenlik elde etmeye çalıştık. Bu amaçların sağlanması için anot elektrodunda, mikrobiyal floranın en etkin kullanılabilecek şekilde elektrot yüzey alanını arttıracak ve mikrobiyal floranın verimli bir şekilde tutunumu sağlayacak, elektronları en yüksek kapasite ile çekebilmek için özel bir pattern tasarlayıp, fotolitografi tekniği ile üretimini gerçekleştirdik. Optimum elektrodu bulabilmek için 6 farklı oranda PDMS/MWCNT/GNP hibrit nanokompozit numuneler üretildi. Numunelerin elektriksel iletkenlik ölçümleri yapıldı. Yapılan bu ölçümler sonucunda tek nano dolgu kullanılan numunenin elektriksel iletkenlik değerine en yakın olan hibrit nanokompozit numune tespit edildi. Tespit edilen anot elektrot numuneleri sülfürik asit ile aşındırma muamelesine maruz bırakıldı. Sülfürik asit ile aşındırma işleminin amacı ise bu işlemin elektriksek iletkenlik üzerine etkisini araştırmak ve pozitif bir etki var ise literatüre kazandırmaktı. Yaptığımız üretim sonucunda ise anot elektrotlarını nanoteknoloji çalışmalarında oldukça fazla kullanılan birkaç karakterizasyon cihazları ile analiz ettik. Bu cihazlar; taramalı elektron mikroskobu, enerji dağıtıcı X-ray spektroskopisi, Fourier dönüşümlü IR spektroskopi ve optik mikroskop olarak sayılabilir. Yapılan analizler sonucunda literatürde bulunan örnekleri ile karşılaştırıldığında, üretilen elektrotların oldukça başarılı bir elektriksel iletkenliğe sahip olduğu gözlemlendi. Sülfürik asit ile muamelenin belli muamele süresi içerisinde elektriksel iletkenlikte oldukça başarılı bir artışa neden olduğu gözlemlenmiştir. Önemli bir sonuç olarak elektriksel iletkenliğin, karışım oranlarına ve kullanılan nano dolgu cinsine göre çok çeşitli olabileceği görülmüştür. Bu deneysel çalışmanın sonucu olarak literatürdeki önceki çalışmalara göre düşük maliyetli ve belli oranlarda (CNT/GNP/PDMS) üretilen elektrotların başarılı elektriksel iletkenliğe sahip olduğu kanısına varılmıştır. Nanoteknolojinin son yıllarda çok çalışılan ve popüler bir alan olmasının nedeni, nanomalzemelerin hem mikro hem de makro yapılara entegre edilmesi, böylece mikro ve makro yapıların malzeme özelliklerini yüksek oranda iyileştirmesidir. Nanoteknoloji alanında ise polimer teknolojileri özel bir yere sahiptir. Çünkü polimerler daha verimli çalışacak malzemelerin üretimini destekler. Bu gerçekler göz önüne alındığında, belirli polimerlerle nanomalzemelerin incelenmesi oldukça ilginç hale gelmiştir. MWCNT/GNP/PDMS karışımı, MFC çalışmalarında çalışılan anot elektrotunun hem verimli çalışması hem de düşük maliyeti açısından araştırılmış ve kullanılmıştır. Nanomalzemeleri uygun polimerlerle birleştirmek, çeşitli uygulama projelerinde çok iyi malzeme özellikleri sağlamaktadır. Sülfürik asit muamelesi ile aşındırma aşamasının numunelerin elektriksel iletkenliğinde önemli bir artışa neden olduğu gözlendi. Herhangi bir işlem veya nano dolgu maddesi eklenmemiş PDMS'de bile, sülfürik asit işleminin elektrik iletkenliğinde hafif bir artış olduğu gözlemlendi. Sülfürik asit ile muamele sonrası yapılan ATR-FTIR analizleri ile numunelerin yüzey elementel kompozisyonlarının değiştiği anlaşılmıştır. Ayrıca sülfürik asit ile muamelenin elektrot yüzeyinde beyaz degrede PDMS oligomerleri ile mikro kolonları tıkadığı da gözlemlenmiştir. Sülfürik asit ile muamelenin, maruziyet zamanının oldukça önemli olduğu kanısına varıldı. En önemli bulgu, çalışmamızla karşılaştırıldığında literatürdeki en yüksek değerlerden birine sahip olmasıdır. Sonuç olarak, mikroelektromekanik cihaz uygulamalarında kullanılabilecek çok iyi elektriksel iletkenliğe sahip PDMS tabanlı hibrit nanokompozitlerin üretimini başarıyla tamamladık. Gelecekte, bu çalışmaya dayanarak, MFC'lerde anot elektrotunun elektrik iletkenliğini daha da artırmak için önemli bilgiler açıklanacaktır. Bu artış mikrobiyal flora, kullanılan malzemelerin kalitesi ve optimum aşındırma süresi gibi parametrelerle sağlanabilir.
Özet (Çeviri)
In the last few years, micro/nano electromechanical systems are an area that has been rising very rapidly and attracting a lot of attention of researchers. Microbial fuel cells, which is also a subject covered by the MEMS/NEMS field, is also a very interesting field of study. The reason for this is the increase in energy consumption in the world with each passing day and the search for a renewable energy source has become a necessity. The anodes and cathodes of MFCs are intended to operate at both low cost and high efficiency. Graphene, carbon nanotubes and PDMS, an organic polymer, can be counted among the materials that are widely used in this field and are trying to be developed. In our own study, we used these materials as hybrid nanocomposites. In addition to the MFC anode electrode studies in the literature, we tried to obtain electrical conductivity with lower cost and higher efficiency. In order to achieve these goals, we designed a special pattern in the anode electrode, which will increase the electrode surface area in a way that the microbial flora can be used most effectively, ensure the efficient adhesion of the microbial flora, and to attract electrons with the highest capacity, and we have produced it by photolithography. In order to find the optimum electrode, PDMS/MWCNT/GNP hybrid nanocomposite samples were produced at different ratios. In addition, the effect of treating the produced anode electrodes with sulfuric acid on the electrical conductivity was investigated. As a result of our production, we analyzed the anode electrodes with a few characterization devices that are widely used in nanotechnology studies. As a result of the analyzes made, it was observed that the produced electrodes had a very successful electrical conductivity when compared with the examples in the literature. It has been observed that the treatment with sulfuric acid causes a very successful increase in electrical conductivity within a certain treatment time. As an important result, it has been observed that the electrical conductivity can vary greatly depending on the mixing ratios and the type of nanofiller used. As a result of this experimental study, it has been concluded that the electrodes produced at low cost and at certain rates have successful electrical conductivity compared to previous studies in the literature.
Benzer Tezler
- Recovery of transition metals from orthodontic waste and designing composites as negative electrode active materials for lithium ion battery
Ortodontik atıktan geçiş metallerinin geri kazanılması ve kompozitlerin lityum iyon pil için negatif elektrot aktif materyaller olarak tasarlanması
MUHAMMAD HUMZA ASHRAF
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Bilim ve Teknolojiİstanbul Medipol ÜniversitesiBiyomedikal Mühendisliği ve Biyoenformatik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BİLLUR DENİZ KARAHAN
- Enerji depolamada yenilikçi karbon yapılı esnek yüzeylerin üretimi ve analizi
Production and analysis of novel carbon structured flexible surfaces for energy storage applications
ESRA ŞERİFE KILIÇ
Doktora
Türkçe
2024
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ DEMİR
- Yerel alan ağları ve ATM (asenkron iletim metodu) ağları bağlantılılığı
Başlık çevirisi yok
M.BÜLENT MORTEN
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. A. EMRE HARMANCI
- Proje yönetiminde kantitatif yöntemlerin uygulanması
The application of the quantitative methods in project management
ZİYA ULUKAN
- Yapı örtüsü olarak mütekabil elemanların incelenmesi
Investigation of reciprocal frame structures as roofing system
ZEHRA KARAKOÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
MimarlıkFatih Sultan Mehmet Vakıf ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HASAN FIRAT DİKER