Geri Dön

Light-driven synthesis of bio-based polymers and theirsupercapacitance investigation

Biyo-temelli polimerlerin ışığa dayalı sentezi ve süperkapasitansincelemeleri

PDF İndir

  1. Tez No: 915334
  2. Yazar: SENA ERMİŞ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. BARIŞ KIŞKAN, DOÇ. DR. KEREM KAYA
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 105

Özet

Konjuge iletken polimerler, sahip oldukları benzersiz kimyasal, elektriksel, termal ve mekanik özellikler sayesinde enerji depolama cihazları, sensörler, güneş panelleri ve kaplama gibi alanlarda yaygın kullanım alanı bulmaktadır. Elektrikli araçlardan taşınabilir hoparlörlere kadar çeşitlilik gösteren bu alanlar içinde en çok ihtiyaç duyulanı enerji depolama cihazlarıdır. Enerji depolama cihazlarının (geleneksel kapasitörler ve bataryalar) en büyük dezavantajı, yüksek güç yoğunluğunu ve enerji yoğunluğunu aynı anda sağlayamamasıdır. Bataryalar yüksek enerji yoğunluğuna sahipken, kapasitörler yüksek güç yoğunluğuna sahiptir. Süperkapasitörler ise kapasitörler ile bataryalar arasındaki boşluğu doldurur. Süperkapasitörler dört farklı yapıdan oluşur. Bu bileşenler arasından en kritik öneme sahip olan elektrottur, diğerleri de elektrolit, ayırıcı ve akım toplayıcıdır. Süperkapasitörün performansı ve fiziksel özellikleri, elektrot ve elektrolit arasındaki etkileşimler sonucu ortaya çıkar. Süperkapasitörler elektrot-elektrolit ilişkisine dayalı enerji depolama metoduna bağlı olarak üç gruba ayrılırlar. Bu sınıflandırmada birinci grup psödokapasitörler, redoks reaksiyonları yoluyla enerjiyi depolarken ikinci grup olan elektriksel çift-tabaka kapasitörler (EDLC) için mekanizma zıt yüklü elektrotlara iyonların atak etmesiyle gerçekleşir. Bu durum aynı zamanda statik yüklerin elektrot-elektrolit arayüzünde depolanması olarak da özetlenebilir. Üçüncü sınıf olan hibrit kapasitörler ise diğer ikı sınıfın kombinasyonudur. Psödokapasitörlerin yüksek spesifik kapasitans, düşük güç yoğunluğu ve döngüsel stabilitesini, elektrik çift-tabaka kapasitörlerin yüksek enerji yoğunluğu ve döngüsel stabilitesiyle birleştirir. Bunu başarmak için şarj/deşarj mekanizmasını redoks tepkimeleriyle gerçekleştirir. Yeni nesil süperkapasitör geliştirilmesi için elektrot bileşeninin sahip olması gereken belirli özellikler vardır. Bu özellikler yüksek porözite, yüksek iyonik ve elektriksel iletkenlik, geniş por boyutu dağılımı ve düşük maliyettir. Bu kapsamda yeni nesil süperkapasitör elektrot sentezinde kullanılabilecek çeşitli materyaller mevcuttur. Bunlara örnek olarak karbon bazlı materyaller, metal oksitler ve metal-organik çerçeveler gibi çeşitli malzemeler olmasına rağmen, konjuge iletken polimerler sahip olduğu yüksek enerji yoğunluğu, giyilebilir teknoloji için önem arz eden esnekliği, kolay fonksiyonladırılabilir olması, nanoporöz morfolojisi ve çevreye zararlı olmaması nedeniyle yeni nesil süperkapasitörler için en ümit verici elektrot sınıfını oluşturmaktadır. Konjuge polimerler, kararlı yapılarında iletken özellik taşımamaktadırlar. İletken hale gelmesi için (iyonların hareket etmesi) katkılamak (doplamak) olarak adlandırılan molekülü rahatsız etme işlemi gerçekleşmelidir. Katkılama işlemi halojenlerin kullanımıyla, okside ederek gerçekleştirilirse p-tipi katkılama; alkali metallerin kullanımıyla indirgenerek gerçekleştirilirse n-tipi katkılama olarak adlandırılır. Her iki işlem sonunda molekül iletken özellik kazanmaktadır. Geri katkılama işlemi ise diamin yapıları kullanarak gerçekleştirilebilir. Konjuge iletken polimerler, sahip oldukları kimyasal yapılarına göre de homoaromatikler ve heteroaromatikler olmak üzere iki sınıfa ayrılırlar. Konjuge heteroaromatik polimerler politiyofen, polipirol, polianilin ve bunların türevlerinden oluşan yüksek çeşitliliğe sahiptir. Politiyofenin türevi olan PEDOT (3,4 etilen-diyoksitiyofen) yapısının süperkapasitör elektrot özellikleri üzerine çalışmalar yapılmıştır. Bunun yanında konjuge homoaromatik polimerlere ise polipiren, polinaftalen ve poliazulen yapıları örnek verilebilir. Bu yapılarla mükemmel düzlemselliğe, yayılmış π - yüzeyi ve daha iyi kimyasal ve fiziksel dayanıklılığa sahip olmasına rağmen, düşük çözünürlüğe, ve yüksek monomer maliyetine sahip olmaları ve zor fonksiyonlandırılmaları nedeniyle daha nadir çalışılmaktadır. Literatürde süperkapasitör elektrodunu sentezleme yöntemleri arasında olan C-C eşleşme (coupling reaksiyonları, oksidasyon ve hidrotermal reaksiyon yöntemleri yüksek reaksiyon sıcaklıklarına ulaşmayı, zehirli çözücüler ve pahalı geçiş metali katalizörleri kullanmayı gerektirir. Fakat bu yöntemlerden hiçbiri sürdürülebilir kimyanın gerekliliklerinden olan hafif tepkime koşulları altında, enerji ve çevresel maliyetleri minimize etme şartlarına uymamaktadır. Bununla birlikte, fosil yakıtların enerji kaynağı olarak kullanımının doğal ekosistem ve insan sağlığı üzerinde yarattığı ciddi zararlar nedeniyle, sürdürülebilir ve yeşil kimya ilkelerine uygun olarak konjuge iletken polimer sentezi önem arz etmektedir. Bu bağlamda, yenilenebilir malzemelerin hafif şartlar altında kullanımı iki önemli kriterdir. Konjuge iletken polimer sentez yöntemleri arasında, fotopolimerizasyon yöntemi, enerji kaynağı olarak ışığı kullanması, zehirli çözücülere, yüksek sıcaklığa ve Ni(0), Pd(0) gibi geçiş metali katalizörlerine ihtiyaç duyulmaması, kısa reaksiyon süresi, çözücüye çok az veya hiç gereksinim duyulmasıyla ve stereotemporal (3-Boyutlu baskılama yönteminde ayrıntılı morfolojide materyaller elde etmek için avantajlı) kontrol avantajlarıyla geleneksel yöntemlerin önüne geçmiştir. Sürdürülebilirliğin hafif tepkime koşulları şartını fotopolimerizasyon metodu ile sağlarken yeşil ve ucuz başlangıç malzemeler şartı lignin, kitosan, tannin, su ıspanağı biyoyağlar gibi doğal yapıların kullanımıyla sağlanabilir. Bu tür malzemelere bir diğer örnek ise azulen yapısının doğal türevi olan guayazulendir (1.4-dimetiyl-7-izopropilazulen). Azulen literatürde mükemmel optoelektronik özellikleri ve yüksek maliyeti ile bilinir. Guayazulen ise Magnolia officinalis, Callitris intratropica gibi çok çeşitli bitkilerden ekstraksiyon ile elde edilebilmesiyle sürdürülebilir monomerdir. Bununla birlikte kozmetik ve güzellik ürünlerinde FDA-onaylı ürün olarak kullanılabilmektedir. Bu tez çalışmasında, organik ve çevre dostu bir fotobaşlatıcı olan fenaçil bromür (PAB) kullanılarak, yeşil çözücü ortamında ve UV-A ışığı altında konjuge iletken polimer sentezi için iki farklı yaklaşım incelenmiştir. İlk çalışmada, azulene molekülünün doğal bir türevi olan ve düşük maliyetli bitkisel yağ kökenli guayazulenin (1,4-dimetil-7-izopropilazulen) etil asetat (EtOAc) varlığında polimerleştirilmesidir. Poli(guayazulen) sentezi için reaksiyon tamamlandıktan sonra soğuk dietileter çözücüsünde çöktürülüp santrifüj metoduyla tamamen ayrımı sağlanmıştır. Çöken poli(guayazulen) yapısı dekantasyon yöntemiyle ayrılmış ve gece boyu vakum etüvünde kurutulmuştur. İkinci yaklaşım ise iletken polimer sınıfının önde gelen bileşeni olan EDOT (3,4-etilendioksitiyofen) monomerinin kırılganlık ve düşük yapışkanlık özelliklerinin Dopamin ile kompanse edilmesi amacıyla etanol (EtOH) ortamında polimerleştirilmesine dayanmaktadır. Bunun için öncelikle polidopamin homopolimeri aynı prosedür ile elde edilip ardından PDA@PEDOT yapısının sentezi gerçekleştirilmiştir. Her iki tepkime sonunda da polimerler poli(guayazulen) yaklaşımında uygulanan teknikle saf şekilde elde edilmiştir. Elde edilen saf polimerlerin, poli(guayazulene) (PGz), polidopamin ve polidopamin katkılı PEDOT (PDA@PEDOT), spektroskopik (IR, UV-Vis, NMR), termal (DSC, TGA), mikroskopik (SEM, TEM, AFM), elektrokimyasal (CV, GCD) ve iletkenlik (elektriksel ve iyonik iletkenlik) özellikleri açısından karakterize edilmiştir. Elde edilen polimerlerin ikisininde moleküler yapısı aydınlatılmış olup yüksek termal kararlılığa, poröz morfolojiye ve yüksek elektriksel/iyonik iletkenliğe sahip olduğu görülmüştür. Spektroskopik, termal ve elektriksel özellikleri analiz edilen iki materyalin reaksiyon mekanizması lazer-flaş fotoliz deneyleri sonucunda şemalandırıldı. Süperkapasitör elektrod özelliklerine bakılan iki polimer, sahip oldukları morfolojik düzenin de etkisiyle, hızlı şarj-deşarj ve yüksek enerji ve güç yoğunluğuna sahip olmalarıyla eşsiz süperkapasitör elektrot özellikleri sergilemiştir. Sonuç olarak bu tez çalışmasında, in-situ ve çevre dostu yöntem kullanılarak, ticari süperkapasitörlere alternatif iki ayrı süperkapasitör elektrot materyali sentezlenmiş ve karakterizasyonları tamamlanmıştır.

Özet (Çeviri)

Conjugated conductive polymers, due to their unique chemical, electrical, thermal, and mechanical properties, are widely applied in energy storage devices, sensors, solar panels, and coatings. Among these applications, energy storage devices are the most needed, spanning from electric vehicles to portable speakers. The main drawback of energy storage devices is the inability to achieve high power density and energy density simultaneously. Batteries offer high energy density, while capacitors provide high power density. Supercapacitors bridge the gap between capacitors and batteries. Among the components that constitute a supercapacitor, the electrode holds the most critical importance. Although a wide range of materials (carbon-based materials, metal oxides, metal-organic frameworks (MOFs), MXenes) can be used in supercapacitor electrode synthesis, conjugated conductive polymers represent the most promising class for the electrode component of next-generation supercapacitors. Additionally, synthesizing conjugated conductive polymers in compliance with sustainable and green chemistry principles is crucial due to the serious environmental and health impacts of fossil fuels, historically used as energy sources. Therefore, two essential criteria are the use of renewable materials and mild conditions. Among the methods for synthesizing conjugated conductive polymers, the photopolymerization method surpasses traditional methods due to its lack of toxic solvents, high-temperature requirements, and transition metal catalysts, as well as its shorter reaction time and stereotemporal control. In this thesis, two distinct approaches were investigated to synthesize conjugated conductive polymers in a green solvent medium and under UV-A light using an organic and environmentally safe photoinitiator, phenacyl bromide (PAB). The first approach involves polymerizing the structure of Guaiazulene (1,4-dimethyl-7-isopropyl azulene), a low-cost natural derivative of azulene from plant oils, in the presence of ethyl acetate (EtOAc). The second approach is based on compensating for the brittleness and low adhesion properties of the EDOT (3,4-ethylenedioxythiophene) monomer, a leading entity in the conductive polymer class, by polymerizing it with Dopamine in an ethanol (EtOH) medium. As a result of these approaches, two polymers—poly(guayazulene) (PGz) and polydopamine-doped PEDOT (PDA@PEDOT)—were characterized in terms of spectroscopic (IR, UV-Vis, NMR), thermal (DSC, TGA), microscopic (SEM, TEM, AFM), electrochemical (CV, GCD), and conductivity (electrical and ionic conductivity) properties.The reaction mechanisms of the two materials, whose spectroscopic, thermal, and electrical properties were analyzed, were schematized based on laser-flash photolysis experiments. The two polymers, which were investigated for their supercapacitor electrode properties, exhibited unique supercapacitor electrode characteristics with rapid charge-discharge capabilities and high energy and power densities, in consistent with their morphological organization. In conclusion, this thesis reports the synthesis and complete characterization of two distinct supercapacitor electrode materials, developed using in-situ and environmentally friendly methods as alternatives to commercial supercapacitors.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    716853

    Synthesis and characterizations of visible light-driven phyto-assisted gold nanoparticles by green chemistry

    Görünür ışık tahrikli phyto destekli altın nanopartiklerin yeşil kimya ile sentezi ve karakterizasyonları

    RİMA ASFARİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    BiyomühendislikBahçeşehir Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. OZAN AKDOĞAN

  2. Tez No

    508418

    Synthesis of functional microporous polymers for catalytic and electronic applications

    Başlık çevirisi yok

    HAKAN BİLDİRİR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Polimer Bilim ve TeknolojisiTechnische Universität Berlin

    Prof. Dr. ARNE THOMAS

  3. Tez No

    922115

    Synthesis and characterization of doped/defective titania based photocatalysts for hydrogen generation

    Hidrojen üretimi için katkılı/kusurlu titanya bazlı fotokatalizörlerin sentezi ve karakterizasyonu

    GÖZDE GÖZEL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Kimya Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYBEN TOP

  4. Tez No

    528275

    Development of aerogel based optofluidic microreactors

    Aerojel tabanlı optofluidik mikroreaktörlerin geliştirilmesi

    YAPRAK ÖZBAKIR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Mühendislik BilimleriKoç Üniversitesi

    Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CAN ERKEY

  5. Tez No

    846268

    Synthesis and characterization of NiCo2O4 nanoparticles anchored ZnO and TiO2 semiconductors and their investigation in electro- and photochemical water splitting

    NiCo2O4 nanoparçacıklarına bağlı ZnO ve TiO2 yarı iletkenliklerinin sentezi, karakterizasyonu ve elektro- ve fotokimyasal suyun ayrışmasında incelenmesi

    ALEYNA YASAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    KimyaOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMREN NALBANT

Geri Dön