Sonochemical synthesis of c-dot/conductive polymer and application in lithium-ion batteries
Karbon nokta/ iletken polimerlerin sonokimyasal sentezi ve lityum-iyon bataryalarda uygulaması
- Tez No: 977640
- Danışmanlar: PROF. DR. BELKIS USTAMEHMETOĞLU, YRD. DOÇ. DR. NESLİHAN YUCA DOĞDU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Enerji, Chemistry, Polymer Science and Technology, Energy
- Anahtar Kelimeler: Elektrokimyasal depolama, Elektrokimyasal ölçümler, Fotopolimerleşme, Lityum iyon pil, Sonokimya, Yenilenebilir enerji, Electrochemical deposition, Electrochemical measurements, Photopolymerization, Lithium ion battery, Sonochemistry, Renewable energy
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Son yıllarda polimerlerin özelliklerini uygulamalar açısından geliştirmek amacıyla yapılan araştırmalar, daha çok mikro ve nano boyutta malzeme hazırlanması şeklinde gerçekleştirilmektedir. İletken polimerlerin elektriksel iletkenlikleri, çeşitli katkılarla neredeyse metal iletkenliği kadar yükseltilebilmektedir. Bu çalışma, polipirolün (PPy) yeşil bir başlatıcı olan karbon noktaların (C-dot) kullanımı ile tek adımda, ucuz ve basit bir sentez yöntemi olan sonokimyasal yöntem ile üretilmesi ve yeni nesil enerji depolama uygulamalarından biri olan lityum iyon batarya (LIB) malzemesi olarak kullanımına odaklanmaktadır. Günümüzde enerji depolama teknolojilerinin geliştirilmesi, sürdürülebilir bir enerji geleceğinin anahtarı olarak önem kazanmıştır. Bu bağlamda, lityum iyon bataryaları, taşınabilir elektronik cihazlardan elektrikli araçlara kadar çeşitli uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. LIB'ler, yüksek enerji yoğunluğu, hızlı şarj ve deşarj özellikleri ve uzun ömürleri nedeniyle tercih edilmektedir. Ancak, mevcut LIB teknolojileri hala bazı zorluklarla karşı karşıyadır ve performanslarının daha da geliştirilmesi gerekmektedir. Polimer esaslı malzemeler, LIB elektrotlarının performansını artırmak için umut verici bir alan olmuştur. PPy, polimerlerin elektriksel iletkenlik özellikleri sayesinde potansiyel bir LIB anot malzemesi olarak öne çıkmaktadır. Ancak, PPy'nin tek başına kullanımı, lityum (Li) iyonlarının etkin depolanması için yeterli değildir ve elektrotun performansını sınırlayan bazı sorunlar ortaya çıkmaktadır. C-dot malzemelerin, olağanüstü iletkenlik, hızlı iyon aktarımı ve güçlü kuantum hapsi kombinasyonuyla, mevcut ticari grafit anotlara göre üstün Li depolama performansı göstermesi beklenmektedir. Li, yüksek özgül kapasitesi ve en düşük redoks potansiyeli gibi avantajların yanında, döngü sırasında düzensiz Li birikiminin neden olduğu; Li dendritlerin büyümesi, düşük kulombik verimlilik, elektrolit tükenmesi ve güvenlik endişeleri gibi kritik engellere sahiptir. Li katyon adsorpsiyon malzemeleri olarak elektron alıcı C-dot, yapay bir katı-elektrolit arayüz kaplaması oluşturarak Li dendritlerin büyümesini bastırabileceği ve Li katyonu ile fonksiyonel gruplar arasındaki güçlü afiniteyi kullanarak tek tip bir Li birikimi sağlanabileceği öngörülmüştür. Polietilenglikol (PEG), C-dot eldesinde yaygın olarak kullanılan polimerlerden birisidir. PEG200, PEG400 ve PEG4000 ile yapılan çalışmalarda en iyi kuatum verimli ve iyon tutma kapasitesine sahip olan C-dot, düşük zincirli PEG400 ile elde edildiğinden, bu çalışmada C-dot, sonokimyasal yöntemle, PEG400'den hareketle hazırlanmıştır. Bu araştırma, PPy'ün Li-ion batarya uygulamalarındaki performansını artırmak için C-dot katkısıyla sentezlenmesine odaklanmaktadır. C-dot'lar, grafen gibi karbon nanomalzemeleridir ve olağanüstü iletkenlikleri, hızlı iyon transferi özellikleri ve güçlü kuantum hapsi kombinasyonları ile tanınırlar. Bu özellikleri sayesinde, C-dot'ların PPy matrisine katılması, Li iyon depolama kapasitesini artırmada önemli bir potansiyele sahip olabilir. Bu çalışmada elde edilen C-dot katkılı PPy (CDPPy) malzemesi, ilginç özellikleriyle dikkat çeken iki önemli özelliğe sahiptir: su çözünürlüğü ve floresans özelliği. Su çözünürlüğü, malzemenin su içinde kolayca çözünerek homojen bir çözelti oluşturabilmesi anlamına gelir. C-dot'lar, yüksek yüzey alanına ve reaktif fonksiyonel gruplara sahip karbon nanomalzemeleridir. Bu özellikleri, C-dot'ların su molekülleriyle etkileşim kurarak, suda çözünebilir özellikte malzemeler olmasını sağlar. Dolayısıyla, elde edilen CDPPy, su içinde kolayca dağılarak uygulama açısından kullanım esnekliği sunar. Ayrıca, C-dot'lar genellikle fotolüminesans özelliği gösterirler. Yani, dışarıdan uyarıldıklarında (örneğin, UV ışığı altında), bir malzemenin ışığı bir dalga boyunda emerek daha uzun bir dalga boyunda yeniden yayması şeklinde ifade edilen, floresans özellik gösterirler. C-dot'lar, özellikle küçük boyutları ve yüksek yüzey alanları nedeniyle, güçlü floresans özellikleri gösterirler. Bu çalışmada elde edilen CDPPy'nin de içerdiği C-dot sayesinde fotolüminesans özelliğe sahip olduğu ve ışığı emip yayarak floresans özelliği gösterdiği saptanmıştır Bu çalışmada elde edilen CDPPy, su çözünürlüğü ve floresans özelliği, gelecekte farklı uygulamalarda kullanılmak üzere çeşitli araştırma ve geliştirme fırsatları sunabilir. Aynı zamanda, bu tür inovatif malzemelerin enerji depolama teknolojileri ve diğer ilgili alanlarda kullanılması, sürdürülebilirlik ve verimlilik açısından gelecekteki enerji ihtiyaçlarına daha iyi bir cevap verme potansiyelini beraberinde getirir. Bu çalışma, öncelikle C-dotların PPy matrisine katkısıyla tek adımda ve sonokimyasal yöntemle üretilen CDPPy'nin karakterizasyonunu ve LIB anot malzemesi olarak performansını değerlendirmeyi içermektedir. CDPPy'nin sentezi, PEG400'den hareketle gerçekleştirilmiştir ve elde edilen C-dot ve CDPPy numuneleri çeşitli analiz teknikleri kullanılarak ayrıntılı olarak karakterize edilmiştir. Bu karakterizasyon teknikleri arasında taramalı elektron mikroskobu (SEM), fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi (FTIR), UV görünür spektrometri (UV-Vis) ve fotolüminesans spektrometrisi (PL) yer almaktadır. Ayrıca CDPPy malzemelerinin LIB anot malzemesi olarak performansı değerlendirilmiştir. Lityum iyon pili testleri, döngüsel voltametri (CV), elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ve kapasite-çevrim testleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, CDPPy'nin LIB'lerde yüksek kapasite tutma ve hızlı şarj/deşarj özellikleri gösterdiğini göstermektedir. Özellikle, CDPPy7 numunesinin hızlı şarj sırasında başlangıç kapasitesine kıyasla %50'e yakın kapasite tutma yeteneğine sahip olduğu belirlenmiştir. C-dot4/PPy//Li yarım hücre, 2C'de hızlı şarj sırasında ilk kapasitesine kıyasla yaklaşık %40 kapasite tutma sağlar. Bu, hızlı şarj etme özelliği gerektiren pil kullanıcıları için olumlu bir özelliktir. CDPPy7'nin başlangıç kapasitesi 310 mAh/g, 50 çevrimde kapasite 250 mAh/g'a düştüğü gözlendi. Bu durum, pil sistemlerinde yaygın olan bir miktar kapasite zayıflaması veya çevrim sırasında kayıp olduğunu gösterir. Bu araştırma, sonokimyasal yöntemle sentezlenen CDPPy'nin, Li-iyon bataryalarının performansını artırmak için umut verici bir yol olduğunu göstermektedir. C-dot katkısının Li-ion bataryalarındaki elektrot performansını geliştirmedeki olumlu etkileri, enerji depolama teknolojilerinin ilerlemesine ve daha etkili, güvenli ve çevre dostu bataryaların geliştirilmesine yönelik ilgi çekici bir adımdır. Bu çalışma, gelecekteki enerji depolama sistemlerinin daha verimli ve sürdürülebilir hale getirilmesine katkıda bulunabilir.
Özet (Çeviri)
In recent years, researches to improve the properties of polymers in terms of applications are mostly carried out in the form of micro and nano-sized materials. The electrical conductivity of conductive polymers (CPs) can be increased almost as much as metal conductivity with various additives. This study focuses on the production of polypyrrole (PPy) with the use of carbon dot (C-dot), which is a green initiator, in one step, with the sonochemical method, which is an inexpensive and simple synthesis method, and its use as a lithium-ion battery (LIB) material, which is one of the new generation energy storage applications. C-dot materials are expected to exhibit superior lithium (Li) storage performance over existing commercial graphite anodes, with a combination of exceptional conductivity, fast ion transfer, and strong quantum confinement. Besides the advantages such as Li metal, high specific capacity and lowest redox potential, it is caused by irregular Li accumulation during the cycle; The growth of Li dendrites has critical barriers such as low coulombic efficiency, electrolyte depletion, and safety concerns. As Li cation adsorption materials, electron acceptor C-dot can suppress the growth of Li dendrites by forming an artificial solid-electrolyte interface coating, and a uniform Li metal deposition can be achieved by using the strong affinity between Li cation and functional groups. Polyethyleneglycol (PEG) is one of the commonly used polymers in C-dot production. Since the best results were obtained with PEG400 in studies with PEG200, PEG400 and PEG4000, C-dot was prepared by sonochemical method based on PEG400. These C-dot samples were characterized by scanning electron microscopy (SEM), fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), UV visible spectrometry (UV-Vis), and photoluminescence spectrometry (PL). After C-dot characterization, polymerization of pyrrole (Py) was performed by photochemical method in the presence of C-dot to obtain C-dot/PPy (CDPPy). These CDPPy samples were characterized by thermogravimetric analysis (TGA), X-ray diffraction (XRD), SEM, FTIR, UV-Vis and PL analysis. CDPPy was used as electrode material in Li-ion batteries. The batteries were characterized by cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and capacitance-cycle testing techniques. The initial capacity of CDPPy7 was 310 mAh/g, and the capacity decreased to 250 mAh/g after 50 cycles. This indicates some capacity degradation or loss during the cycle, which is common in battery systems. The C-dot4/PPy//Li half-cell provides approximately 40% capacity retention compared to its initial capacity during fast charging at 2C. This is a positive feature for battery users who require fast charging capability.
Benzer Tezler
- Sonochemical synthesis of alpha-nickel hydroxide from urea and hexamethyltetraamine and electrochemical characterization
Üre ve hekzametilen tetramin kaynaklı alfa nikel hidroksitin sonokimyasal sentezi ve elektro-kimyasal analizi
FATMA SİNEM ERTAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
KimyaKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR BİRER
- Synthesis of new silicon phthalocyanines for therapeutic applications, investigation of their photophysical and photo-sonochemical properties
Terapötik uygulamalara yönelik yeni silisiyum ftalosiyaninlerin sentezi, fotofiziksel ve foto-sonokimyasal özelliklerinin incelemesi
HIBA MESSAOUDI
- Metalik ve bimetalik mezogözenekli katalizörlerin sonokimyasal yöntemle sentezi, karakterizasyonu ve katalitik etkilerinin incelenmesi
Synthesis, characterization and catalytic effects of metallic and bimetallic mesoporous catalysts by sonochemical method
MERAL YAŞAR
- Synthesis and characterization of coated magnetic spinel nanoparticles
Yüzeyi kaplanmış manyetik spinel nanoparçacıkların sentezi ve karakterizasyonu
ZEHRA DURMUŞ
- Synthesis and characterization of Fe (iron), Co (cobalt), Ni (Nickel) containing metal organic frameworks (MOFs)
Fe (demir), Co (kobalt), Ni (nikel) içeren metal organik kafes yapıların (MOFs) sentezi ve karakterizasyonu
ÇAĞLA GALIN
