Tez özetleri Astronomi ve Uzay Bilimleri Anabilim Dalı

YILDIRAN Melike

Tez Adı : Polimer Jel Elektrolitlerin Hazırlanması ve İyonik İletkenlik Özelliklerinin İncelenmesi

Danışman : Doç. Dr. Selva ÇAVUŞ

Anabilim Dalı : Kimya Mühendisliği

Programı : Proses Ve Reaktör Tasarımı

Mezuniyet Yılı : 2013

Tez Savunma Jürisi : Doç. Dr. Selva ÇAVUŞ

Prof. Dr. Mehmet Ali GÜRKAYNAK

Prof. Dr. İsmail BOZ

Doç. Dr. Hüseyin DELİGÖZ

Doç. Dr. Süheyla PURA ERGİN

Polimer Jel Elektrolitlerin Hazırlanması ve İyonik İletkenlik

Özelliklerinin İncelenmesi
Bu tez çalışması kapsamında lityum pilleri, boya ile duyarlılaştırılmış güneş hücreleri gibi elektrokimyasal hücrelerde kullanılmak üzere polimer jel elektrolitler hazırlanmıştır. Tez çalışması birbirinden bağımsız olarak hazırlanmış iki kısımdan oluşmaktadır. Tezin ilk kısmında poli(etilen glikol)/poli(2-akrilamido-2-metil-1-propan sülfonik asit) (PEG/PAMPS) jelleri deiyonize su içerisinde molce %1 amonyum persülfat (APS) başlatıcısı kullanılarak hazırlanmıştır. Polimerizasyon reaksiyonu sıcaklık kontrollü su banyosunda 24 saat süre ile 70 °C’de gerçekleştirilmiştir. Polimerik jeller vakum altında 24 saat süre ile 70 °C’de kurutulmuştur. Hazırlanan sıvı elektrolit karışımı kurutulan PEG/PAMPS jellerine eklenmiştir. Oda sıcaklığında bekletilerek homojen ve akmaz yapıda polimer jel elektrolit (PJE)’ler elde edilmiştir. Tez çalışmasının ikinci kısmında ise poli(etilen glikol)/poli(glisidil metakrilat) (PEG/PGMA) jeli ağırlıkça %1 amonyum persülfat (APS) başlatıcısı kullanılarak hazırlanmıştır. Polimerizasyon reaksiyonu sıcaklık kontrollü su banyosunda 24 saat süre ile 70 °C’de gerçekleştirilmiştir. Hazırlanan sıvı elektrolit karışımı PEG/PGMA jellerine eklenmiştir. Oda sıcaklığında bekletilerek homojen ve akışkan özellikte polimer jel elektrolit (PJE)’ler elde edilmiştir. Tez çalışması ile ilk defa PEG/PAMPS ve PEG/PGMA jelleri hazırlanmış, polimer jel elektrolit (PJE) eldesi amacıyla kullanılmış ve karakterize edilmiştir.
PEG/PAMPS esaslı polimer jel elektrolit (PJE)’ler hazırlanırken 1-metil-2-pirolidon (NMP) ve γ-butirolakton (GBL) organik çözücüleri seçilmiştir. Sodyum iyodür/iyot (NaI/I₂) ikilisi redoks çifti oluşturmak amacıyla organik çözücü karışımında çözülmüştür. PJE’lerin tümünde alkali iyodür tuzu/iyot mol oranı 10/1 olacak şekilde sabit tutulmuştur. Hazırlanan PJE’lerde alkali metal iyodür tuzunun konsantrasyonunun iyonik iletkenlik (σ) ve sıvı elektrolit tutma değeri (Q_e) üzerine olan etkisi incelenmiş ve 0.4M NaI’de maksimum nokta gözlenmiştir. AMPS monomerinin konsantrasyonu, 1M ve 1.5M olmak üzere farklı bileşimlerde hazırlanan PJE’lerde 1.5M AMPS içeren örnekte daha yüksek σ ve Q_e değerleri elde edilmiştir. Hacimce farklı NMP:GBL oranlarında hazırlanan PJE’lerin iyonik iletkenlik ve sıvı elektrolit tutma değerleri karşılaştırılmış ve en uygun değerin hacimce 7:3 NMP:GBL olduğuna karar verilmiştir. Farklı alkali metal iyodür tuzlarının (NaI ve LiI) iyonik iletkenlik (σ) ve sıvı elektrolit tutma değeri (Q_e) üzerine olan etkisi incelendiğinde ise NaI tuzu ile hazırlanan PJE’in daha yüksek σ ve Q_e değerlerine ulaştığı görülmüştür. Ayrıca iyonik iletkenliğin sıcaklık ile değişimi incelenerek PJE’lerin iletkenlik mekanizması belirlenmiştir. 20-70 °C arasında ölçülen değerler ile lnσ-1/T grafiği çizilmiş ve PJE’lerin Arrhenius Denklemi’ne uyan bir davranış sergilediği gözlemlenmiştir. İletkenliği en yüksek (2.58 mS/cm) olan PEG/PAMPS(1.5M)-0.4 polimer jel elektrolitinin en düşük aktivasyon enerjisine (E_a=18.17 kJ mol^-1 K^-1) sahip olduğu görülmüştür. Hazırlanan jellerin ve PJE’lerin yapısal karakterizasyonları Fourier Transform Infrared Spektroskopisi (FTIR), termal karakterizasyonları Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) ve Termal Gravimetrik Analiz (TGA) yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. PEG/PAMPS polimerinin morfolojik yapısı Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile aydınlatılırken, PJE’lerin yapısal özellikleri X-Işını Kırınımı Analizi (XRD) ve UV-Vis Absorpsiyon Spektroskopisi (UV-Vis) yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
PEG/PGMA esaslı polimer jel elektrolit (PJE)’ler hazırlanırken polimer jel elektrolit (PJE)’lerdeki uçuculuk sorununu gidermek için kaynama noktası yüksek olan etilen karbonat (EC) ve propilen karbonat (PC) organik çözücüleri seçilmiştir. EC’ın kristalizasyonunu engellemek amacı ile PC ilave edilmiş ve hacimce EC:PC oranı 8:2 olarak alınmıştır. Sodyum iyodür/iyot (NaI/I₂) çifti ve potasyum iyodür/iyot (KI/I₂) çifti karışımda redoks çifti oluşturmak amacıyla çözülmüştür. Hazırlanan sıvı elektrolit karışımı PEG/PGMA jellerine eklenmiştir. Oda sıcaklığında bekletilerek homojen ve akışkan özellikte polimer jel elektrolit (PJE)’ler elde edilmiştir. PJE’lerin tümünde alkali iyodür tuzu/iyot mol oranı 10/1 olacak şekilde sabit tutulmuştur. Hazırlanan PJE’lerde ağırlıkça polimer yüzdesinin iyonik iletkenlik üzerine etkisi incelenmiş ve polimer yüzdesi ağırlıkça %10’dan %20’ye arttırıldığında iyonik iletkenlik değerinin (σ) azaldığı, polimer zincirlerinin iyon iletimini engellediği belirlenmiştir. Sodyum iyodür (NaI) ve potasyum iyodür (KI) olmak üzere farklı alkali iyodür tuzları ile hazırlanan örneklerde KI içerenlerin σ değerleri daha yüksek bulunmuştur. Ayrıca iyonik iletkenliğin sıcaklık ile değişimi incelenerek PJE’lerin iletkenlik mekanizması belirlenmeye çalışılmıştır. 20-70 °C arasında ölçülen değerler ile lnσ-1/T grafiği çizilmiş ve PJE’lerin Arrhenius Denklemi’ne uyan bir davranış sergilediği gözlemlenmiştir. İletkenliği en yüksek (5.39 mS/cm) olan PEG/PGMA-10K polimer jel elektrolitinin en düşük aktivasyon enerjisine (E_a=15.13 kJ mol^-1 K^-1) sahip olduğu görülmüştür. Sentezlenen PEG/PGMA jelinin ve PEG/PGMA esaslı PJE’lerin yapısal karakterizasyonları Fourier Transform Infrared Spektroskopisi (FTIR), termal karakterizasyonları Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) ve Termal Gravimetrik Analiz (TGA) yöntemleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. PEG/PGMA jelinin morfolojik yapısı Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) yöntemi ile aydınlatılmıştır.