Investigation of ion dynamics of devices with ionic liquid mixture electrolytes using X-ray photoelectron spectroscopy with electrical biasing
Elektrolit olarak iyonik sıvı karışımı içeren cihazlardaki iyon dinamiklerinin elektriksel modülasyon altında X-ışını fotoelektron spektroskopisi ile incelenmesi
- Tez No: 961089
- Danışmanlar: PROF. DR. ŞEFİK SÜZER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 117
Özet
X-Işını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS), uzun zamandır malzemelerin yüzey bileşimi, kimyasal konumları ve elektronik ortamlarını incelemek için kullanılmaktadır. Bu çalışmada ise XPS, yalnızca bu geleneksel amaçlar için değil, aynı zamanda uygulanan AC ve/veya DC gerilimleri altında iç yörüngelerindeki elektronların bağlanma enerjilerindeki kaymaları izleyerek yerel potansiyel profillerini ortaya çıkarmak amacıyla da kullanılmıştır. Bu hedefe ulaşmak için iki tamamlayıcı cihaz mimarisi seçilmiştir: (i) frekansa bağlı yük taramasını, iyonik sıvı tabakası boyunca potansiyel düşüşünü ve kare dalga uyarımı altında devre modellerini oluşturmak için uygun olan platin-platin (Pt -Pt) düzlemsel elektrot kapasitörler; ve (ii) elektrosorpsiyon dinamiklerini, açık devre potansiyeli (OCP) etkilerini ve kısa devre sonrasında kalan yük davranışını incelemek için kullanılan çok katmanlı grafen – çok katmanlı grafen (MLG-MLG) elektrot içeren aygıtlar. Bu sistemlerdeki dinamik şarj ve deşarj süreçlerini çözümlemek için değişen frekanslarda kare dalga (SQW) AC sinyali uygulanmıştır. Düzlemsel kapasitör yapılandırması, iki elektrotu birleştiren polietilen membran (PEM) üzerine N,N-Dietil-N-metil-N-(2-metoksietil)amonyum bis(triflorometansülfonil)imid (DEME-TFSI) iyonik sıvısı veya DEME-TFSI ile N,N-Dietil-2-metoksi-N-metiletanamonyum tetrafloroborat (DEME-BF4) iyonik sıvısının ~1:1 hacim karışımı ile kaplanarak elde edilmiştir. Ölçümler XPS spektrumları ile akım verilerinin eşzamanlı olarak kaydedilmesini sağlayan in-operando koşullarda gerçekleştirilmiştir. İyonik sıvılar, geniş elektrokimyasal pencere ve termal ve kimyasal kararlılık gibi avantajlar sunar, ancak yüksek viskoziteleri iyon hareketliliğini ve iletkenliğini kısıtlamaktadır. Bu olumsuzlukları aşabilmek için farklı iyonik sıvıların karıştırılması ve özelliklerinin istenilen şekilde ayarlanması planlanmıştır. Bu amaçla, DEME-TFSI ve DEME-BF4 karışımı hazırlanmış ve TFSI ile BF4 anyonları arasındaki belirgin boyut farkının cihaz davranışına etkileri XPS yoluyla ayrıntılı olarak incelemiştir. Ayrıca, küçük bir katyon olan Rb'un yüzey bileşimi ve yük depolama üzerindeki etkisini değerlendirmek amacıyla yaklaşık %10 oranında Rb-TFSI içeren bir DEME-TFSI karışımı incelenmiştir. XPS ölçümleri, Rb+ iyonlarının uygulanan voltajın polaritesine duyarlı şekilde yüzeyde biriktiğini göstermiştir. Bu durum, akımda gözlenen artış ile de uyumludur. Sonuç olarak, hem Pt-Pt hem de MLG-MLG mimarilerini kullanan bu metodoloji, XPS'in yerel elektrokimyasal süreçleri incelemede güçlü bir araç olduğunu göstermiştir. Bu teknik, gelecek nesil enerji toplama ve depolama sistemlerinin geliştirilmesine önemli katkılarda bulunabilecek yeni bilgiler sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) has long been used to investigate surface composition, chemical states, and electronic environments in materials. In this study, XPS is employed not only for these traditional roles but also to extract local electrical potential profiles by monitoring shifts in core-level binding energies under applied DC and/or AC biases. Two complementary device architectures are utilized to achieve this objective: (i) platinum–platinum (Pt–Pt) coplanar capacitors, which are well-suited for investigating frequency-dependent charge screening, potential drop across the ionic liquid (IL) layer, and circuit modeling under square-wave excitation; and (ii) multilayer graphene–multilayer graphene (MLG–MLG) devices, which are employed to explore electrosorption dynamics, open-circuit potential (OCP) effects, and residual charge behavior after shorting. A Square Wave (SQW) AC signal with varying frequencies was employed to resolve dynamic charging and discharging processes in these systems. The co-planar capacitor configuration used was featuring a polyethylene membrane (PEM) coated with either the ionic liquid N,N-Diethyl-N-methyl-N-(2-methoxyethyl)ammonium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (DEME-TFSI) alone, or a ~1:1 volume mixture of DEME-TFSI and N,N-Diethyl-2-methoxy-N-methylethanaminium tetrafluoroborate (DEME-BF4). The measurements were conducted under operando conditions, allowing simultaneous acquisition of XPS spectra and current data. Although ionic liquids offer advantages such as wide electrochemical windows and thermal stability, their high viscosity and cost can hinder ionic mobility and conductivity. A promising approach to address these limitations involves mixing different ILs to tailor their properties; for example, adjusting the ratio of DEME-TFSI and DEME-BF4 alters electrolyte characteristics. The pronounced size difference between the TFSI and BF4 anions provides an opportunity for detailed investigation via XPS. Additionally, a DEME-TFSI system containing ~10% rubidium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (Rb-TFSI) was explored to assess the influence of a small, mobile alkali cation (Rb⁺) on surface composition and charge storage. XPS revealed polarity-sensitive surface accumulation of Rb⁺, correlating with a sharp increase in currents. Overall, this non-invasive methodology, leveraging both Pt–Pt and MLG–MLG architectures, demonstrates that XPS is a powerful tool for probing local electrochemical processes. The technique offers valuable insights that can contribute to the development of next-generation energy harvesting and storage systems.
Benzer Tezler
- Piridin türevi içeren bazı geçiş metal komplekslerinin sentezi, elektronik yapı hesaplamaları ve α-glukozidaz inhibisyonları
Synthesis, electronic structure calculations, and α-glucosidase inhibitions of some transition metal complexes containing pyridine derivatives
ÖZGEN ÖZGE
Doktora
Türkçe
2025
Fizik ve Fizik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DAVUT AVCI
- Saçtırma yöntemiyle 2-boyutlu WS2 katmanlarının büyüme dinamiğinin incelenmesi
Investigation of growth dynamics of 2-dimensional WS2 layers by sputtering method
YUSUF KOÇAK
Doktora
Türkçe
2019
Fizik ve Fizik MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMRE GÜR
- Li-ion kese tipi batarya hücresine ait ısıl ve elektriksel özelliklerin deneysel incelenmesi
The experimental investigation of thermal and electrical properties of a Li-ion pouch battery cell
BERKAY TAHİRAĞAOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
EnerjiBursa Uludağ ÜniversitesiOtomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖKHAN SEVİLGEN
- Preparation of pH and lead ion optical sensor films based on immobilized reagents and investigation of their performance
İmmobilize reaktiflerle pH and kurşun iyonlarına duyar optik sensör filmlerinin hazırlanması ve performanslarının saptanması
FİLİZ SAĞIROĞLU
