Preparation and characterization of nanofibers for energy applications
Enerji uygulamaları için nanofiberlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
- Tez No: 894648
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MELTEM YANILMAZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Nanolifler, Elektroeğirme, Gözeneklilik, Santrifüj eğirme, Nanofibers, Electrospinning, Porosity, Centrifugal Spinning
- Yıl: 2023
- 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: 105
Özet
Fosil yakıtların yaygın miktarda kullanımından kaynaklı oluşan çevre problemlerinden dolayı, yenilebilir enerji konusundaki çalışmaların sayısı her geçen gün artmaktadır. Yanan fosil yakıtlar çevreye karbon yayarlar ve yayılan bu karbon tabakası ısının dağılmasını önlediği için küresel ısınmaya sebep olan bir faktördür. Yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanmak, fosil yakıtlara olan bağımlılığmızı azalttığı gibi, ona bağlı eknominin negatif etkilerini de ortadan kaldıracaktır. Dönüştürülebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerjinin depolanabilmesi için enerji depolayan sistemlerin teknolojik gelişimi büyük önem arz etmektedir. Bu anlamda, şarj edilebilir bataryalar elektrik enerjisinin depolanması ve iletimi konusunda araştırılması gereken dikkat çekici cihazlar konumundadırlar. Lithium-ion bataryalar (LIB) uzun kullanım ömürleri, yüksek enerji verimlilikleri, çevre dostu olmalarından kaynaklı olarak taşınabilir elektronik aletlerde ve elektrikli araç teknolojilerinde geniş kullanım alanı bulmuşlardır. Yine bu alanda Sodium-ion (NIB) bataryalar, sodyum kaynaklarının doğada fazla bulunması ve bu kaynakların kolay çıkarılabilmesinden kaynaklı dikkat çekmekte ve yaygın kullanılabilmeleri için üzerlerinde çalışılmaktadır. Bataryada kullanılan elektrot malzemeleri bataryaların enerji yoğunluğu, kullanım ömürleri, akım yoğunluğu gibi elektrokimyasal özellklerinin belirlenmesinde rol oynarlar. Lithium-ion bataryalarda metal oksit ve fosfat malzemeler katot malzemesi olarak, grafit anot malzemesi olarak kullanılmaktadırlar. Sodium-ion (NIB) bataryaların endüstrileşmesinde ise karbon türevi malzemeler anot, fosfat türevi malzemeler katot olarak kullanılmaktadırlar. Elektrokimyasal özelliklerin belirlenmesinde elektronik ve iyonik iletkenlik büyük rol oynamaktadır. Bu özellikler kulanılan malzeme boyutu, doplama, iletken malzeme kullanımı ile geliştirilebilmektedir. Karbon nanofiberler (KNF'ler), KNF'lerin yüksek elektronik iletkenliği ve kimyasal stabilitesi nedeniyle sensörler, enerji depolama ve biyomedikal uygulamalar gibi birçok uygulamada kullanılmıştır. Karbon nanoliflerin performansı, nanoliflerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinden etkilenir. Ayrıca, morfoloji, gözeneklilik ve spesifik yüzey alanı, enerji depolama ve sensörler dahil olmak üzere çeşitli uygulamalar için önemli özelliklerdir. Kimyasal buhar biriktirme, katalitik sentez, ark deşarjı ve elektro eğirme dahil olmak üzere nanolifleri üretmek için çeşitli teknikler vardır. Yüzey alanını ve gözenekliliği kontrol etmek, KNF'lerin performansı göz önüne alındığında hayati önem taşır. Bu çalışmada, yaygın olarak kullanılan iki nanolif üretim tekniği ile poliakrilonitril (PAN) nanolifleri üretilmiştir; elektro eğirme ve santrifüj eğirme. Polimerik nanoliflerin morfolojisi SEM kullanılarak incelenmiştir. Ayrıca, karbon nanofiberleri ve gözenekli karbon nanolifleri üretmek için havada ve azot atmosferde ısıl işlem uygulanmıştır. Üretim tekniğinin morfoloji ve kimyasal yapıya etkisi SEM ve XRD çalışmaları ile araştırılmıştır. Elektrospun PAN/PS nanolifleri, eğirme çözeltisinin düşük viskozitesi nedeniyle sicim morfolojisi üzerinde boncuklar gösterirken, santrifüj eğirme tekniği kullanılarak hatasız homojen lifler elde edildi. Santrifüjle eğrilmiş PAN nanolifler pürüzlü bir yüzeye sahipken, elektroeğirme tekniği kullanılarak pürüzsüz yüzeyli PAN nanolifler elde edilmiştir. Santrifüj ile üretilmiş PAN/PMMA nanoliflerinden türetilen PCNF'ler, gözenekli yapıya ve pürüzlü bir yüzeye sahipti ve XRD analizi, PCNF'lerin amorf yapısını kanıtlamıştır. Germanyum elementi Silisyum elementine kıyasla çok iyi iletkenliğe sahip olması ve lityum iyonunun yapıya daha iyi difüze olabilmesi nedeniyle yapılan anot malzeme geliştirme çalışmalarının ilgi odağı haline gelmiştir Germanyumun sodyum iyon bataryalarda anot olarak kullanımı, sağladığı yüksek teorik kapasitesinden dolayı gelecek uygulamalar için heyecan vericidir. Fakat, batarya sarj durumundayken anotta gerçekleşen yüksek hacimsel değişim batarya perfomansını olumsuz etkilemektedir. Bu çalışmada, bağlayıcı içermeyen Ge içeren N, S doplanmış gözenekli karbon nanofiber yapı santrifüj eğirme işlemini takiben ısıl işlem ve doplama adımlarıyla üretilmiştir. Nihai yapı elektron mikroskobu, geçirimli elektron mikroskobu (TEM), EDX haritalama, Raman spektroskopisi, XRD yöntemleri ile incelenmiş olup, elektrokimyasal performans galvanostatik testler ile ölçülmüştür. Sonuçlar nano boyuttaki germanyumun homojen bir şekilde yapıya dağıldığını göstermiştir. Karbon nanolif yapı, hacimsel değişimin büyüklüğünü engellerken sodyum iyonları için hızlı difüze olabilecekleri yolları sağlamış, N, S doplama ise elektronik iletkenliği arttırmıştır. Bu sayede yüksek kapasite çevrim değerlerine ulaşılmıştır.
Özet (Çeviri)
Renewable energy researches have been intensively increased to address the problems arising from massive usage of fossil fuels including serious environmental problems. Burning fossil fuels emits carbon dioxide, enhances radiative forcing and leads to global warming. By using renewable energy sources, it is possible to mitigate negative effects of fossil-based economy, reduce the dependence of fossil fuels and decrease emission of greenhouse gases. Development of energy storage systems which are capable of storing electrical energy harvested from renewable sources is important. In this regard, secondary batteries have been the center of attention due to efficient storage and delivery of electrical energy. Lithium-ion batteries (LIBs) have been used in wide range of portable electronics and electric vehicles (EVs), owing to long working life, large energy-conversion efficiency, and being environmentally-friendly. Moreover, sodium-ion batteries (NIBs) have attracted great attention because of high abundance and low-cost of sodium resources. NIBs present opportunities for potential applications in large-scale grid energy storage. Electrode materials play an important role to determine electrochemical performance of batteries, including energy density, life time, operation current densities. In LIBs, metal oxides or phosphate materials (e.g. LiCoO2, LiNiCoAlO2 and LiFePO4) and graphite-based materials are used as the cathodes and anodes, respectively. In NIBs, carbon-based anodes and phosphate-based cathodes have driven the industrialization of the NIBs. The electronic and ionic conductivity are two crucial factors presenting great influence on the electrochemical performance, that are usually altered through doping, control of materials size and introduction of conductive substrate or additives (e.g. conductive metal, polymers and carbon-based materials). Carbon nanofibers (CNFs) have been used in many applications such as sensors, energy storage and biomedical applications owing to high electronic conductivity and chemical stability of CNFs. Performance of carbon nanofibers are influenced by the physical and chemical properties of nanofibers. Furthermore, morphology, porosity and specific surface area are important properties for several applications including energy storage and sensors. There are several techniques to produce nanofibers including chemical vapor deposition, catalytic synthesis, arc discharge and electrospinning. Controlling surface area and porosity is vital considering the performance of CNFs. In this study, polyacrylonitrile (PAN) nanofibers were produced via two commonly used nanofiber production techniques; electrospinning and centrifugal spinning. The morphology of the polymeric nanofibers was studied by using SEM. Moreover, heat treatment was applied in air and the inert atmosphere to fabricate carbon nanofibers and porous carbon nanofibers. The effect of production technique on the morphology and chemical structure was investigated via SEM and XRD studies. Electrospun PAN/PS nanofibers showed beads on string morphology due to low viscosity of the spinning solution while uniform fibers without defects were obtained by using centrifugal spinning technique. Centrifugally spun PAN nanofibers have rough surface while PAN nanofibers with smooth surface was obtained by using electrospinning technique. PCNFs derived from centrifugally spun PAN/PMMA nanofibers had rough surface with porous structure and XRD analysis proved the amorphous structure of PCNFs. Germanium has been the center of interest due to its enormous conductivity and Li diffusivity. Germanium is a promising anode material for sodium ion batteries owing to high theoretical capacity as well. However, it suffers from large capacity losses during cycling because of the large volume change and loss of electronic conductivity. Herein, centrifugally spun binder free N, S doped germanium@ porous carbon nanofiber (N,S doped Ge@ PCNFs) anodes first were synthesized using a fast, safe and scalable centrifugal spinning followed by heat treatment and N, S doping. The morphology and structure of the resultant N, S doped Ge@ PCNFs were investigated by scanning electron nanoscopy, transmission electron nanoscopy, EDX mapping, Raman spectroscopy and X-ray diffraction, while electrochemical performance of N,S doped Ge@ PCNFs was studied using galvanostatic charge-discharge tests. The results demonstrate that a nanostructured Ge homogeneously distributed on highly porous carbon nanofibers. Moreover, N, S doping via thiourea treatment is beneficial for the lithium and sodium ion kinetics. While interconnected PCNFs buffer volume change and provide fast diffusion channels for Li ions and Na ions, N, S doped PCNFs further improved electronic conductivity and thus led to higher reversible capacity with better cycling performance.
Benzer Tezler
- Isı yalıtımı uygulamaları için cam nanolif üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of glass nanofibers for thermal insulation applications
AHSEN ÜNAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADRİYE OSKAY
- Elektrostatik eğirme yöntemi ile polibütilen süksinat esaslı nanoliflerin hazırlanması, karakterizasyonu ve doxorubicin salımında kullanımı
The preparation and characterization of polybutylene succinate based nanofibers via electrospinning and their use for doxorubicin release
ESRA KILIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
KimyaHacettepe ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURSEL PEKEL BAYRAMGİL
- Çapraz bağlı tiyofen esaslı nanofiberlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of photo cross-linked thiophene based nanofibers
ELİF MERVE EMİNOĞLU
- Synthesis, characterization and applications of fluorine containing maleimide polymers
Flor içeren maleimid polimerlerinin sentezi, karakterizasyonu ve uygulamaları
İPEK KAYALI
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUBA ÇAKIR ÇANAK
- Elektrospinning yöntemi ile doğal selülozdan nanofiber elde edilmesi
Preparation of nanofibers from natural cellulose by electrospinning method
AYLA GÖZDE KİPER
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERDAR YAMAN