Grafen sentezi ve elektrot malzemesi olarak geliştirilmesi

Abstract

Karbon nanoyapılar hekzagonal bal peteği kafes içerisinde kovalent olarak fonksiyonelleşmiş sp2 hibrit bağlı karbon atomlarından oluşan tabakalardan meydana gelen yapılar olup, bu tek tabakalar zayıf Van der Waals kuvvetleri ile birbirleri üzerinde yığıldıklarında üç boyutlu hacimsel yapıda grafiti oluşturmaktadırlar. Birkaç tabakaya kadar yığılmış iki boyutlu düzlemsel yapılar grafen olarak adlandırılırlar. Grafitik tek tabaka; tek atom kalınlığında veya tek tabaka grafen olarak bilinmektedir. Olağan dışı elektrik ve ısıl iletkenliği, yüksek yük taşıyıcılığı ve yoğunluğuyla optik geçirgenlik ve mekanik özellikleri nedeniyle grafen iyi bir malzemedir. Dolayısıyla yeni nesil elektrot malzemesi olarak araştırmalar ve ticari faaliyetler için ilgi uyandırmaktadır. Bugüne kadar grafen sentezi için birbirinden farklı teknikler belirlenmiş olup sıklıkla kullanılan yöntemler: mekanik veya kimyasal etkiyle soyma (eksfolasyon, tabakaların birbirinden ayrılması), kimyasal sentez ve kimyasal buhar biriktirme olmakla birlikte farklı yöntemler de rapor edilmiştir. Ancak her üretim yöntemi kendi içinde avantajlara sahip olmakla birlikte nihai uygulamaları için dezavantajlar da içermektedir. Kimyasal sentez; düşük sıcaklıklarda grafen üretimine imkan sağlayan kolay bir yöntemdir. Üretim; grafitin oksitlenmesiyle sentezlenen grafenokoksitin disperse edilmesini takiben kimyasal olarak indirgenmesinden oluşmaktadır. Bu yöntem ile; elektrokimyasal uygulamalarda elektrot malzemesi olarak kullanılması amacıyla fonksiyonel gruplara sahip grafen oluşturmak mümkündür. Ayrıca başlangıç malzemesi doğal grafitin doğada 800 M ton rezerve sahip olduğu düşünüldüğünde maliyet düşüktür. Grafenoksitin indirgenmesinde yetersiz indirgenmeden veya arızalı grafen gelişimlerinden kaynaklı sorunlarla karşılaşılmaktadır. Bu sorunların yük yoğunluğu, hareketliliği ve iletkenliği etkileyerek elektriksel özellikler üzerinde olumsuz etkileri olduğu düşünülmektedir. Bu nedenlerle grafen tabakaların yüzey alanlarından iyi faydalanılabilecek indirgenme parametrelerinin belirlenmesi elektriksel özellikler üzerinde etkili olmaktadır. Karbon esaslı elektrot malzemesi yüzeyinde şarjın depolanmasıyla kapasitansın arttığı görülmüştür. Ancak düşük enerji yoğunlukları ve yüksek üretim maliyetleri gelişmelerini sınırlandırmaktadır. Bu nedenle araştırmacılar elektrot malzemelerin geliştirilmesi üzerinde yoğunlaşmış olup; elektroaktif malzeme bağlanma tipleri üzerinde de durmaktadır. Bu çalışmada nikel köpük elektrot altlığı üzerinde grafen esaslı elektroaktif malzemelerin kapasitif özellikleri araştırılmış ve nikel köpüğün kapasitans değeri artırılmıştır. Nikel köpük bazik ortamda elektrokimyasal kararlılığı ile iyi bir akım kollektörüdür. Grafenoksit (GO) geliştirilmiş Hummers Metot ile hazırlandıktan sonra yüzeyleri azid gruplar ile fonksiyonlandırılmıştır (GO-N3). (GO) kimyasal olarak indirgenerek indirgenmiş grafenoksit (rGO) üretilmiştir. (GO) ve (GO-N3) nikel köpük üzerinde hazırlandıktan sonra elektrokimyasal olarak indirgenmiştir. (rGO), (GO) ve (GO-N3) elektroaktif malzemelerden aynı koşullarda nikel köpük üzerinde elektrotlar hazırlanmıştır. (ERGO)/NF ve (ERGO-N3)/NF elektrotlar nikel köpük üzerindeki GO ve GO-N3 malzemelerin elektrokimyasal indirgenmesi ile oluşturulmuştur. Elektrokimyasal indirgenme hızlı ve kolay şekilde kaliteli grafen üretimine imkan sağlayan çevreci, ekonomik ve elverişli bir metottur. İndirgenmiş grafenoksit/kobaltoksit (rGO-Co3O4) mikrodalga destekli hidrotermal reaksiyonlarla GO ve kobalt kaynağından üretilmiştir. (ERGO-N3)/NF elektrotlar kobalt metalli bileşiklerin kovalent bağlanma için klik tepkimeleri vermeleriyle oluşturulmuştur. Ulaşılan kapasitans değerlerin karşılaştırılmasıyla kobaltın farklı bağlanma etkisi hakkında bilgi edinilebilir. Bu bilgiler elektrokimyasal iyon taşınması, yerleşmesi hakkındaki soruların cevaplandırılmasında kullanılabilir. Düşük maliyetli ve yanıcı olmayan 6 M KOH sulu elektrolit içerisinde 100 mVs-1 tarama hızında -1,00 V tan 0,40 V a kadar çalışabilecek bir elektrotun geliştirilmesinde grafen esaslı farklı malzemeler birleştirilmiştir. Elektroaktif malzemeler birbirlerine kovalent bağlandıkları takdirde 1,4 V potansiyel aralıkta 253,2 F/g özgül kütlesel kapasitansa sahip elektrotlar üretilmiştir. Bu sonuç için nikel köpük ve kovalent bağlı grafefen esaslı bileşikler birbirleriyle kullanılarak yüksek kapasisteli elektrotlar için yeni bir yaklaşım sunulmuştur. Grafenoksitin farklı koşullarda indirgenmesiyle grafen esaslı malzemelerin sentezlenmesi gerçekleştirilmiştir. Bu malzemeler kapasitansın değerlerinin artırılması için nikel köpüğün modifiye edilmesinde kullanılmıştır. Üretilen elektroaktif malzemelerin moleküler yapıları Raman, FTIR, UV-Vis, EDX, XRD gibi farklı spektroskopik tekniklerle karakterize edilmiştir. Yüzey morfolojisinin karakterizasyonunda SEM kullanılmıştır. Dönüşümlü voltametri ölçümleri elektroaktif malzemelerin bazik çalışma ortamındaki redoks çiftlerinin ve kapasitanslarının ortaya konulmasında kullanılmıştır.