Yeni 1,3-bis(2-piridilimino) izoindol (bpı) bileşiklerinin sentezi ve enerji alanında uygulamaları
Synthesis of new 1,3-bis(2-pyridilimino) isoindol (bpi) compounds and their applications in energy
- Tez No: 933598
- Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM ÖZÇEŞMECİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 210
Özet
Bu tez araştırma çalışması kapsamında yapılan araştırmalar öncelikle yeni tip aromatik substitüe uç gruplu 1,3-bis(2-piridilimino) izoindol (BPI) bileşiklerinin sentezi ile başlayıp, daha sonra sentezlenen bu yeni moleküllerin çeşitli enerji alanındaki uygulamaları üzerindeki araştırmalar ile tamamlanmıştır. İlk defa sentezleri yapılmış olan aromatik substitüe uç gruplu 1,3-bis(2-piridilimino) izoindol (BPI) bileşiklerinin karakterizasyonlarında; 1H-NMR, 13C-NMR, FT-IR, kütle spektroskopisi, tek kristal X ışını kırınım metodu gibi yöntemler kullanılıp, elde edilen bileşiklerin varlıkları ispat edilmiştir. Elde edilen bu maddelerin, metalsiz ve farklı metalli halleri sentezlenmiştir. İlk kez sentezi yapılmış olan bu kıskaç tipi ligandlar farklı enerji uygulama alanlarında kullanılmıştır. Tez araştırması kapsamında; enerji transfer mekanizmalarında, vanadyum redoks akışkan batarya sistemlerin, süperkapasitörlerde ve hidrojen oluşum reaksiyonları olmak üzere dört farklı enerji uygulaması üzerinde çalışılmıştır. İlk çalışma olan enerji transfer mekanizmalarında, fenol uç gruba sahip BPI bileşikleri kullanılmıştır. Sentezlenen bu BPI moleküllerinin yapısal doğruluğu karakterizasyon sonuçları ortaya konulmuştur. Fenol uç gruba sahip, BPI metalsiz ve çinko metalli bileşikler kullanılmıştır. PI ve Zn-metalli BPI ligandları iki indirgeme halkası tabanlı redoks göstermiştir. Fenol, BPI, metalsiz BPI ve Zn-metalli BPI kıskaç ligandlarının optik ve elektronik özellikleri DFT yöntemleri kullanılarak incelenmiştir. Metalsiz BPI ve Zn-metalli BPI'nin HOMO-LUMO enerjileri birbirine çok benzemektedir. Zn-metalli BPI'nin HOMO enerjisi metalsiz BPI'den biraz daha düşük olduğundan, Zn-metalli BPI bileşiğinin molekül içi reaksiyon açısından metalszi BPI'den daha kararlı olduğu tespit edilmiştir. İkinci çalışma olan vanadyum redoks akışkan batarya sistemlerinde, naftol uç gruba sahip BPI metalsiz ve paladyum metalli maddeler kullanılmıştır. Sentezlenen bu maddelerin öncelikle karakterizasyon sonuçları ortaya konulmuştur. Ardından elektrokatalizör olarak kullanılması önerilen metalsiz ve metalli bileşikler literatüre yenilikçi bir bakış açısı kazandırmak adına, ilk kez kalem ucu grafit elektrotların yüzeyine tek adımda elektrokaplama metodu kullanılarak kaplanmıştır. Tek adımda pratik bir şekilde elde edilen bu modifiye elektrotlar, SEM, EDS, Raman, XPS gibi ileri karakterizasyon yöntemleri ile karakterize edilmiştir. Öncelikle elde edilen modifiye elektrotların V(4)/V(5) reaksiyonu üzerindeki katalitik etkisi incelenmiştir. Sonuçlar değerlendirildikten sonra, metalsiz ve metalli BPI bileşikleri karbon keçe üzerine elektrodepolama metodu kullanılarak tek adımda kaplanarak modifiye karbon keçe elektrotlar elde edilmiştir. Bunların, döngüsel şarj-deşarj testleri yapılmış, verimlilikleri incelenmiştir. Üçüncü araştırma çalışması olan süperkapasitör çalışmasında da vanadyum redoks akışkan batarya sistemlerinde kullanılan bileşikler kullanılmıştır. Metalsiz ve metalli olan bu kıskaç tipi ligandlar, karbon keçe yüzeyine elektrodepolama metodu kullanılarak tek adımda kaplanarak modifiye karbon keçe elektrotlar elde edilmiştir. Pratik bir şekilde hazırlanan, (5)-CF ve (8)-CF nanokompozitler; SEM, EDX, Raman, XRD ve XPS gibi ileri karakterizasyon yöntemleriyle varlıkları doğrulanmıştır. PVA/0.5 M H2SO4 jel elektrolit ortamında standart üçlü elektrot sisteminde redoks davranışları incelenmiş olup, (8)-CF elektrodunun daha iyi redoks davranışı gösterdiği tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar doğrultusunda, simetrik süperkapasitör aygıt uygulamasında en uygun elektrot malzemesi olan (8)-CF kullanılmıştır. Üç elektrotlu ve iki elektrotlu sistemleri için, özgül kapasitans değerleri hesaplanmıştır. Dördüncü ve son çalışma olan hidrojen oluşum reaksiyonlarında, piren uç gruba sahip BPI metalsiz ve kobalt metalli bileşikler kullanılmıştır. Sentezlenen bu moleküllerin, çeşitli spektroskopik yöntemlerle karakterizasyon sonuçlarına yer verilmiştir. Elektrokatalizör olarak kullanılması tasarlanan bu maddeler, tek basamakta elektrodepolama yöntemi kullanılarak, grafit elektrot yüzeyi üzerine kaplanmıştır. Kolay, pratik ve tek basamakta elde edilen bu modifiye elektrotlar, SEM, EDS, Raman, XRD gibi ileri karakterizasyon yöntemleri ile karakterize edilmiştir. 0.5 M H2SO4 elektrolit ortamında geleneksel üçlü elektrot sisteminde doğrusal süpürme yöntemi ile hidrojen oluşum reaksiyon davranışları incelenmiştir. Ayrıca, farklı potansiyeller uygulanarak elektrokimyasal empedans spektroskopik davranışları da incelenmiştir. Bu doktora tez araştırma çalışması kapsamında, yeni tip aromatik substitüe uç gruplu 1,3-bis(2-piridilimino) izoindol (BPI) bileşiklerinin sentez ve karakterizasyonları yapılmıştır. Ayrıca, yenilikçi bu moleküller ile dört farklı enerji alanında çalışmalar yapılmıştır. Literatüre hem yeni moleküller ile katkı sağlayıp, hem de farklı uygulama alanlarındaki performansları incelenmiş olup büyük katkılar sağlanması amaçlanmıştır. Yapılan araştırmaların çıktıları literatürde öncü nitelikte olup, ülkemizi bu alandaki araştırma çalışmalarında üst basamaklara çıkaracağı umut edilmektedir.
Özet (Çeviri)
The root of the word energy is“Energeia”, a philosophical term and means“activity”. Based on this, Aristotle states that good behavior is also formed by energy. As a concept, energy in science is the form transferred to a body or a physical system. In work performance, it means a quantitative feature that can be defined as heat and light. Energy is always a conserved quantity. The law of conservation of energy proves that energy can be transformed from one form to another. However, it states that it cannot be created or destroyed. Energy is an indispensable part of human life. According to the first law of thermodynamics, energy cannot be destroyed when it is there, nor can it be created when it is not there. However, it can be transformed from one form to another. Energy can be stored or transformed into another form and is present in every aspect of our lives. Many needs such as nutrition, shelter, heating, etc. require the use of energy. Energy is of great importance for countries to advance in technology, meet the basic needs of society and develop. For this reason, states compete to obtain energy resources. Energy is vital to human life since it supports basic necessities like warmth, food, and shelter and is important for the growth of society and technology. Countries are competing for energy resources and constantly improving energy solutions as a result of the growing global need for energy, which has sparked innovation in clean energy generation, transmission, and digitization. The growing need for energy emphasizes how crucial it is to determining how society and the global economy develop in the future. The energy need in the world is increasing day by day. This increasing energy need provides the production of new solutions in energy. It allows situations such as clean production, transmission and digitalization of energy to be the focus of the solution. In today's world where energy is very important, the solutions produced for the quality of energy come to the forefront every passing day. Supercapacitors, also known as ultracapacitors or electrochemical capacitors, are energy storage devices that offer high power density, rapid charge and discharge cycles, and long lifespan compared to traditional batteries. Key aspects would include the development of advanced materials for electrodes, such as graphene, carbon nanotubes, and metal-organic frameworks, which enhance capacitance and energy storage efficiency. Additionally, the work would examine the underlying electrochemical mechanisms, such as the double-layer capacitance and pseudocapacitance, and their implications for enhancing energy density. Moreover, a comprehensive analysis of supercapacitor applications in various fields, from renewable energy storage and electric vehicles to portable electronics, would be presented. The research could also explore the challenges of integrating supercapacitors with other energy storage systems and their future role in the evolving landscape of energy solutions. The thesis would contribute to the development of next-generation supercapacitors by proposing innovative strategies to address current limitations and improve their scalability and commercial viability. The researches carried out within the scope of this thesis research study started with the synthesis of new type aromatic substituted end group 1,3-bis(2-pyridilimino) isoindole (BPI) compounds and then completed with the researches on the applications of these new molecules in various energy fields. In the characterization of aromatic substituted end group 1,3-bis(2-pyridylimino) isoindole (BPI) compounds, which were synthesized for the first time; 1H-NMR, 13C-NMR, FT-IR, mass spectroscopy, single crystal X-ray diffraction method were used and the existence of the obtained compounds was proven. The obtained materials were synthesized in metal-free and different metal-containing forms. These clamp-type ligands, which were synthesized for the first time, were used in different energy application areas. Within the scope of the thesis research; energy transfer mechanisms, vanadium redox fluid battery systems, supercapacitors and hydrogen evolution reactions were studied on four different energy applications. In the first study, energy transfer mechanisms, BPI compounds with phenol end groups were used. The structural accuracy of these synthesized BPI molecules was characterized. BPI metal-free and zinc metal-containing compounds with phenol end groups were used. Metal-free BPI and Zn-metal-containing BPI ligands showed two reduction ring-based redox. Optical and electronic properties of phenol, BPI, metal-free BPI and Zn-metal-containing BPI clamp ligands were investigated using DFT methods. HOMO-LUMO energies of metal-free BPI and Zn-metal-containing BPI are very similar to each other. Since the HOMO energy of Zn-metal-containing BPI is slightly lower than metal-free BPI, it was determined that Zn-metal-containing BPI compound is more stable than metal-containing BPI in terms of intramolecular reaction. In the second study, vanadium redox fluid battery systems, BPI metal-free and palladium metal-containing materials with naphthol end groups were used. First, the characterization results of these synthesized materials were presented. Then, metal-free and metal-containing compounds proposed to be used as electrocatalysts were coated on the surface of pencil-tip graphite electrodes using a single-step electroplating method for the first time in order to provide an innovative perspective to the literature. These modified electrodes, which were obtained in a practical way in a single step, were characterized by advanced characterization methods such as SEM, EDS, Raman, XPS. First, the catalytic effect of the obtained modified electrodes on the V(4)/V(5) reaction was investigated. After the results were evaluated, metal-free and metal-containing BPI compounds were coated on carbon felt using the electrodeposition method in a single step to obtain modified carbon felt electrodes. Cyclic charge-discharge tests were performed and their efficiencies were investigated. In the third research study, supercapacitor study, vanadium redox fluid battery system compounds were used. These metal-free and metal-bearing pincer type ligands were coated on the carbon felt surface in a single step using the electrodeposition method and modified carbon felt electrodes were obtained. Practically prepared (5)/CF and (8)-CF nanocomposites; Their existence was confirmed by advanced characterization methods such as SEM, EDX, Raman, XRD and XPS. Redox behaviors were investigated in the standard triple electrode system in PVA/0.5 M H2SO4 gel electrolyte medium and it was determined that (8)-CF electrode showed better redox behavior. In line with the obtained results, (8)-CF, which is the most suitable electrode material in symmetric supercapacitor device application, was used. Specific capacitance values were calculated for three-electrode and two-electrode systems. In the fourth and last study, BPI metal-free and cobalt metal compounds with pyrene end groups were used in hydrogen evolution reactions. Characterization results of these synthesized molecules with various spectroscopic methods are given. These substances, which are planned to be used as electrocatalysts, were coated on the graphite electrode surface using the single-step electrodeposition method. These modified electrodes, which are easy, practical and obtained in a single step, were characterized by advanced characterization methods such as SEM, EDS, Raman, XRD. Hydrogen evolution reaction behaviors were investigated with the linear sweep method in the conventional triple electrode system in 0.5 M H2SO4 electrolyte medium. In addition, electrochemical impedance spectroscopic behaviors were also investigated by applying different potentials. Within the scope of this doctoral thesis research study, synthesis and characterization of new type aromatic substituted end group 1,3-bis(2-pyridylimino) isoindole (BPI) compounds were performed. In addition, studies were conducted in four different energy fields with these innovative molecules. It is aimed to contribute to the literature with both new molecules and their performances in different application areas were examined and to make great contributions. The results of the research conducted are pioneering in the literature and it is hoped that they will take our country to the upper levels in research studies in this field.
Benzer Tezler
- Polihadienlerden ve polihalobutenlerden doymamış gruplu yeni tiyoeterlerin sentezi
The synthesis of novel thioethers unsaturated group from polyhalodienes and polyhalobutenes
WAFAA DİB BRİMO
- Doymamış gruplu halojenli bileşikler ve tiyollerden yeni tiyoeterlerin sentezi
The synthesis of novel thioethers from unstaturated halogenated compounds and thiols
BETÜL KUTLU
- Yeni 1,4-bis [3-(2-hidroksi-1-naftaldimin)propil piperazin ve 1,8-bis(2-hidroksi-1-naftaldimin)-p-mentan schiff bazlarının ve Cr(III), Fe(III), Co(III) komplekslerinin sentezi, yapılarının aydınlatılması
Synthesis and structural characterization of Cr(III), Fe(III), Co(III) complexes with new 1,4-bis[3-(2-hydroxy-1-naphtaldimine)propyl] piperazine and 1,8-bis(2-hydroxy-1-naphtaldimine)-p-menthane schiff bases
EREN KESKİOĞLU
- Yeni tetrapirrolik bileşiklerin sentezi, karakterizasyonu ve sübstitüent etkisinin incelenmesi
The synthesis and characterization of new tetrapyrrolic compound, and investigation of their substıtuent effects
BURAK YILDIZ
- 1,3-BIS(2-alkoxyaryl) imidazolidine-2-ylidene complexes of platinum metals
Platin metallerinin 1,3-BİS(2-alkoksiaril) imidazolidin-2-ilinden kompleksleri
EMİN GÜNAY
