Geri Dön

Elektroeğrilmiş pan-porfirin nanofiberlerin elektrokimyasal sensör ve hibrit süperkapasitör pil tipi elektrot potansiyelinin i̇ncelenmesi

Investigation of electrochemical sensor and hybrid supercapacitor battery type electrode potential of electrospun pan-porphyrin nanofibers

PDF İndir

  1. Tez No: 860847
  2. Yazar: UMUT GÜZEL
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. GÖRKEM OYLUMLUOĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Elektroeğrilmiş Nanofiber, Modifiye Nanofiber Elektrot, Elektrokimyasal Sensör, Porfirin, Pil Tipi Nanofiber Elektrot, Süperkapasitör, Kafein, Electrospun Nanofiber, Modified Nanofiber Electrode, Electrochemical Sensor, Porphyrin, Battery Type Nanofiber Electrode, Supercapacitor, Caffeine
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 121

Özet

Porfirinler, bitkiler ve insanlar, ham petrol gibi çok çeşitli yerlerde bulunan karmaşık organik kimyasal bileşikler sınıfındandır. Bazı çeşitleri yarı iletkenlik, ışıldama, fotoiletkenlik, paramanyetizma gibi özelliklere sahipken bir kısmı katalizördür. Biyolojik sistemlerdeki porfirin türevleri ya metal içermemekte ya da demir (hemler), magnezyum (klorofiller), kobalt (B12 vitamini), nikel (kofaktör F430) ve bakır (pigmentler) içermektedir. Bunlardan biri olan klorofil, doğal fotosentez sürecinde, gelen ışığı birçok kompleks basamakla yaklaşık %100 kuantum verimiyle kimyasal enerjiye dönüştürmektedir. Bu bilimsel fenomen, çeşitli disiplinlerden birçok bilim insanına serbest baz veya metaloporfirin türevlerini kapsamlı bir şekilde incelemeleri için ilham vermekte ve vermeye devam etmektedir. Aromatik makrosiklikler oluşturmak üzere dört metiliden (-CH=) köprüsü aracılığıyla birbirine bağlanan konjuge 18 π elektron içeren dört pirolik alt birimden oluşan ve bu sayede özel redoks özelliklerine sahip olan porfirinlerin bu özelliklerinin hibrit nano yapılarda ve nanofiberlerle birleştirilmesiyle çeşitli uygulama alanlarında kullanılabilecek gelişmiş algılama ve enerji depolama özelliklerine sahip yeni malzemeler elde edilebilmektedir. Bu tez kapsamında işlem görmemiş nanofiber ve karbon nanofiberlerin porfirin ile katkılanıp çeşitli yöntemlerle modifiye edilmesiyle (elektroeğirme ile kaplama, Drop Casting (damla döküm)) elektrokimyasal sensör ve hibrit süperkapasitörlere entegre edilebilecek pil tipi elektrot potansiyelinin araştırılması amaçlanmaktadır. Bu amaç doğrultusunda, çalışmanın birinci bölümünde; kafeine duyarlı elektroeğrilmiş poliakrilonitril-(5,10,15,20-tetra(4-tert butilfenil)-porfirin)/karbon keçe elektrot (PAN-Por/CFE) nanofiber elektrokimyasal sensör üretilmiştir. Bu çalışma, elektroeğirme yöntemiyle CFE'nin PAN-Por nanofiber ile kaplanmasıyla basit, geliştirilebilir ve uygun maliyetli elektrokimyasal kafein sensörü için yeni bir yaklaşım sunmaktadır. Bildiğimiz kadarıyla (5,10,15,20-tetra(4-tert bütilfenil)-Por) içeren kafeine duyarlı elektroeğrilmiş elektrokimyasal sensörlerin üretimini kapsayan ilk çalışmadır. PAN-Por/CFE modifiye elektrotu elde etmek için öncelikle PAN-Por öncülleri hazırlanmış ve daha sonra elektroeğirme yoluyla CFE'ye kaplanmıştır. Saf PAN ve farklı oranlarda Por ilave edilerek elde edilen NF'lerin fizikokimyasal karakterizasyonları SEM, FTIR, UV-Vis ve polarizasyon optik mikroskop (POM) teknikleri kullanılarak yapılmıştır. PAN-Por/CFE'nin elektrokimyasal karakterizasyonu ise CV, LSV ve DPV ile gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen kafein sensörü için algılama limiti 15–1000 μM doğrusal aralığında 14,06 µM olarak hesaplanmıştır. Ayrıca ölçüm limiti 42,60 µM olarak tanımlanırken, 50 µM kafein için bağıl standart sapma değeri %0,58 olarak hesaplanmıştır. Farklı kahve örneklerinde kafein tespiti için %99,3 ile %102,4 arasında değişen geri kazanım değerleri elde edilmiş ve önerilen yöntem başarıyla uygulanmıştır. Sonraki çalışmada ise PAN-Por nanofiberler elektroeğirme yöntemiyle üretilmiş, karbonize edilip CFE ile modifiye elektrotlar üretilmiş, pil tipi hibrit süperkapasitör elektrot potansiyeli araştırılmış, bunun için fizikokimyasal analizleri SEM, EDS, XRD, FTIR ve POM ile, elektrokimyasal analizleri CV, GCD ve EIS ile yapılmıştır. Yapılan elektrokimyasal analizlerden CV analizinde pil tipi malzemelerin gösterdiği redoks eğrileri gözlenmiş, spesifik kapasitansı 0.5 mV/s tarama hızında 220 F/g olarak hesaplanmış, düşük tarama hızlarında (0.5, 3, 5, 10 mV/s) pil tipi davranış göstermiş, düşük tarama hızlarından alınan verilerle çizilen log tarama hızı-log pik akım grafiğinden b değeri 0.238 olarak bulunmuştur. 'b' değeri belirgin bir difüzyon kontrollü işlemi gösteren bir eğimi ifade etmektedir ve değeri PP2C'nin pil tipi davranışını doğrulamıştır. PP2C/CFE çalışma elektrotu maksimum çalışma voltajına ulaştığında CV analiziyle tutarlılık göstermiş, pil sınıfı şarj depolama mekanizmasını gösteren simetrisi bozulmuş GCD eğrilerini ortaya çıkarmıştır. GCD eğrisinden 0.5 A/g akım yoğunluğunda spesifik kapasitans 177 F/g ve spesifik kapasite değeri yine 0.5 A/g'da 284 mAh/g olarak hesaplanmıştır. 3 A/g akım yoğunluğunda %110.60 ile en yüksek kulombik verime sahip olduğu görülmüştür ancak 4 A/g'da %78.95 değerine düşmüştür. Maksimum enerji yoğunluğu 0.5 A/g akım yoğunluğunda 98.3 Wh/kg ve güç yoğunluğu 348.6 W/kg olarak hesaplanmıştır. Yapılan döngü stabilite testinde 3.5 A/g akım yoğunluğunda 50 şarj-deşarj döngüsü yapılmış, spesifik kapasitansın başlangıç değerinden itibaren %88 civarında artış gösterdiği görülmüştür. Ancak 6 A/g akım yoğunluğunda yapılan 1000 döngülük testte, ilk döngüdeki spesifik kapasitans 1.83 F/g, 1000. döngüdeki spesifik kapasitans 0.371 F/g olarak ölçülmüş, yüksek akım yoğunluğunda kapasitans tutma dayanımı düşmüş ancak 1000 döngü yapılan elektrota tekrar 2 A/g'da GCD testi uygulanmış, GCD eğrisinde bozulma gözlenmemiş, elektrottaki aktif malzemenin tükenmediği görülmüştür. Yapılan EIS analizi ise 17.51 Ω eşdeğer seri direnç, yüksek frekans bölgesinde 24 Ω yük transfer direnci ve düşük frekans bölgesinde kütle transfer direncinden kaynaklanan 174 Ω elektrot direnci ile gözenekli PP2C/CFE elektrotun pil tipi elektrot empedans davranışı gösterdiğini de desteklemiştir.

Özet (Çeviri)

Porphyrins are a group of complex organic chemical compounds found in a wide variety of places, including plants, the human body, and crude oil. While some porphyrins have properties such as semiconductivity, luminescence, photoconductivity, paramagnetism, some of them are catalysts. One of them, chlorophyll, converts incoming light into chemical energy in the natural process of photosynthesis with a quantum efficiency of about 100% through many complex reactions. This scientific phenomenon has inspired and continues to inspire many scientists from various disciplines to extensively study free base or metalloporphyrin derivatives. New materials with advanced sensing and energy storage properties that can be used in various application areas can be obtained by combining these properties of porphyrins, which consist of four pyrrolic subunits containing conjugated18 π electrons with four methylidene (-CH=) bridges to form aromatic macrocycles and thus have special redox properties, with hybrid nanostructures and nanofibers. Within the scope of this thesis, it is aimed to investigate the potential of battery type electrode that can be integrated into electrochemical sensors and hybrid supercapacitors by doping untreated nanofibers and carbon nanofibers with porphyrins and modifying them by various methods such as electrospinning coating and drop casting. For this purpose; in the first part of the study; a caffeine-sensitive electrospun polyacrylonitrile-(5,10,15,20-tetra(4-tert butylphenyl)-porphyrin)/carbon felt electrode (PAN-Por/CFE) nanofiber electrochemical sensor was fabricated. This work presents a new approach for a simple, developable and cost-effective electrochemical caffeine sensor by coating CFE with PAN-Por nanofiber by electrospinning. To the best of our knowledge, this is the first study involving the fabrication of caffeine-sensitive electrochemical sensors containing (5,10,15,20-tetra(4-tert butylphenyl)-Por). To obtain the PAN-Por/CFE modified electrode, PAN-Por precursors were first prepared and then coated on CFE by electrospinning. Physicochemical characterisations of the NFs obtained by adding pure PAN and Por at different ratios were carried out using SEM, FTIR, UV-Vis and polarisation optical microscope (POM) techniques. Electrochemical characterisation of PAN-Por/CFE was carried out by CV, LSV and DPV. The detection limit for the developed caffeine sensor was calculated as 14.06 µM in the linear range of 15-1000 µM. In addition, the measurement limit was defined as 42.60 µM, while the relative standard deviation value for 50 µM caffeine was calculated as 0.58%. Recovery values ranging from 99.3% to 102.4% were obtained for caffeine detection in different coffee samples and the proposed method was successfully applied. In the next study, PAN-Por nanofibers were produced by electrospinning method, carbonised and modified by drop casting method with CFE, electrodes were thus produced. Then battery type hybrid supercapacitor electrode potential was investigated, for which physicochemical analyses were performed by SEM, EDS, XRD, FTIR and POM, and electrochemical analyses were carried out by CV, GCD and EIS. Among the electrochemical analyses, redox curves of battery type materials were observed in CV analysis, specific capacitance was calculated as 220 F/g at 0.5 mV/s scan rate, battery type behaviour was observed at low scan rates (0.5, 3, 5, 10 mV/s) and b value was found as 0.238 from the log scan rate-log peak current graph drawn with the data obtained from low scan rates. The 'b' value represents a slope indicating a distinct diffusion controlled process and its value confirmed the battery type behaviour of PP2C. When the PP2C/CFE working electrode reached the maximum operating voltage, it showed consistency with CV analysis, and symmetry distorted GCD curves were formed indicating the battery class charge storage mechanism. From the GCD curve, the specific capacitance was calculated as 177 F/g at 0.5 A/g current density and the specific capacity value was calculated as 284 mAh/g at 0.5 A/g. The highest coulombic efficiency was found to be 110.60% at 3A/g current density, but it decreased to 78.95% at 4 A/g. Maximum energy density was calculated as 98.3 Wh/kg and power density as 348.6 W/kg at 0.5 A/g current density. In the cycle stability test, 50 charge-discharge cycles were performed at 3.5 A/g current density and it was observed that the specific capacitance increased by 88% from the initial value. However, in the 1000-cycle test at a current density of 6 A/g, the specific capacitance in the first cycle was measured as 1.83 F/g, the specific capacitance in the 1000th cycle was measured as 0.371 F/g, the capacitance retention strength decreased at high current density, but the GCD test was applied again at 2 A/g to the electrode after 1000 cycles, no deterioration was observed in the GCD curve and it was observed that the active material in the electrode was not depleted. The EIS analysis also supported that the porous PP2C/CFE electrode shows battery type electrode impedance behaviour with 17.51 Ω equivalent series resistance, 24 Ω charge transfer resistance in the high frequency region and 174 Ω electrode resistance due to mass transfer resistance in the low frequency region.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    897661

    Balıkta tazeliğin belirlenmesine yönelik biyosensör tasarımı

    A new biosensor design for determination of fish meat freshness

    PELİN ÖZKAYA

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Bilim ve TeknolojiManisa Celal Bayar Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SEVAL DAĞBAĞLI

  2. Tez No

    675456

    Electrospun composite nanofibers with metal/metal oxidenanoparticles

    Metal/metal oksit nanopartikül içerikli elektroeğrilmiş nanolif üretimi

    HAVVA BAŞKAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HALE KARAKAŞ

  3. Tez No

    821448

    Sulardan ağır metal giderimi için alg bazlı biyonanolif sorbentlerinin geliştirilmesi

    Development of algae-based bionanofiber sorbents for heavy metal removal from waters

    FATMA RABİA KARADUMAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Kimyaİzmir Katip Çelebi Üniversitesi

    Su Ürünleri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SANİYE TÜRK ÇULHA

    DOÇ. DR. NESRİN HORZUM POLAT

  4. Tez No

    286327

    Nanofibrous nanocomposites via electrospinning

    Elektroeğirme ile nanofibril yapılı nanokompozitler

    ALİ EKREM DENİZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Mühendislik Bilimleriİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SALİM ÇIRACI

    YRD. DOÇ. DR. TAMER UYAR

  5. Tez No

    863667

    Fabrication of TiO2 nanoparticle sprayed PAN/PA6 layer-by-layer superimposed composite nanofiber membrane for dye removal

    Boya giderimi için TiO2 nanoparçacık spreylenmiş PAN/PA6 katman-katman süperimpoze kompozit nanofiber membran üretimi

    YASİN ŞAHİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DERYA YÜKSEL İMER

Geri Dön