Elektrokimyasal Teknoloji Uygulamaları İçin Ftalosiyanin Karbon Temelli Kompozit Malzeme Elektrot Geliştirilmesi

Tez Türü: Yüksek Lisans

Tezin Yürütüldüğü Kurum: Marmara Üniversitesi, Fen - Edebiyat Fakültesi, Kimya Bölümü, Türkiye

Tez Danışmanı: Ali Rıza Özkaya

Tezin Onay Tarihi: 2021

Tezin Dili: Türkçe

Özet:

Ftalosiyanin ve/veya karbon temelli kompozit materyaller/elektrotlar enerji depolayan/dönüştüren sistemler, elektrokromik cihazlar ve elektrokimyasal sensörler gibi birçok teknolojik alanda yüksek uygulanabilirliklere sahiptir. Yüksek redoks aktiflikleri ve kimyasal, termal kararlılıkları ile ftalosiyaninler, elektrot modifikasyonları için arzu edilen bileşiklerdir. Yine çeşitli karbon materyalleri ile mükemmel uyumları, elektrot modifikasyonları için istenilen fonksiyonel kompozitlerin kolaylıkla oluşturulabilmelerini sağlar.

Günümüzde, artan karbondioksit (CO₂) konsantrasyonu sebebi ile çevre dostu ve sürdürülebilir enerji sistemlerine her zamankinden daha çok ihtiyaç duyulmaktadır. Proton Değişim Membranlı Yakıt Hücreleri (PEMFCs) gibi, yükseltgen olarak oksijeni kullanan yakıt hücreleri; yüksek spesifik enerjileri, enerji dönüşüm verimlilikleri, düşük ya da sıfır emisyonları ve yüksek güvenilirlikteki yapıları ile temiz ve sürdürülebilir enerji için umut vadeden yapılar olarak büyük bir ilgi uyandırmıştır. Ek olarak metal-hava pilleri, özellikle çinko-hava pilleri de günümüzdeki Lityum-iyon pillerinden oldukça fazla olan teorik enerji yoğunlukları ve bunun yanında ilgili sistemlerden daha ucuz ve güvenilir olmaları sebebi ile umut vadeden sistemlerdir. Hem bahsi geçen yakıt hücreleri hem de metal-hava pilleri için katodik oksijen indirgenmesi reaksiyonu (ORR), elektrokimyasal süreçlerin kalbini oluşturur ve ilgili sistemlerin genel performansı ve verimliliğini ORR elektrokatalizörü tayin eder. Sonuç olarak, ilgili sistemlerin geniş ölçekli uygulamaları için, yüksek aktivite sergileyen fakat maliyetli yapıdaki Pt-esaslı materyallere alternatif olarak uygun maliyetli ve yine yüksek aktivite sergileyen ORR elektrokatalizörlerinin geliştirilmesi çok önemlidir.

Geçiş metalli N₄-makrosiklik komplekslerinin moleküler oksijenin indirgenmesindeki yüksek katalitik aktiviteleri uzun zamandır bilinmektedir. Araştırılan çeşitli elektrokatalizörlerden metalli-ftalosiyanin (MPC) kompleksleri; ki özellikle zengin ve reversibil elektron transfer özellikleri ile redoks aktif metal merkezli olanları, yüksek aktiviteleri ve düşük maliyetli oluşları ile ümit veren adaylardandır. MPc bileşikleri, moleküler oksijenin indirgenmesi için gerek duyulan aşırı gerilimleri büyük ölçüde azaltırlar ve aynı zamanda metanol gibi kontaminantlara karşı Pt-esaslı katalizörlere kıyasla daha kararlıdırlar. Sahip oldukları 18- elektron sistemleri, bahsi geçen sistemlerin katotları için moleküler oksijenin difüzlenebileceği gerekli poroz yapıları sağlayan ve yine gerekli yüksek iletkenliği temin eden karbon materyalleri ile müthiş bir uyum sergiler. Böylelikle, Pc-karbon kompozitleri elektrot materyalleri için eşsiz adaylar halini alır.

Pc-karbon kompozitleri yüksek-güç yoğunluklarına sahip süperkapasitörlerde de elektrot materyalleri olarak kullanılır. Zengin ve reversibil redoks özellikleri ile yüzey kontrollü faradayik reaksiyonlarla, karbon materyallerin yüksek çift tabaka kapasitanslarına ek olarak ciddi miktarlarda psödokapasitif depolama sağlarlar.

Ftalosiyaninlerle modifiye edilmiş elektrotlar birçok bileşiğin eser miktardaki kalitatif ve kantitatif tayinine de olanak sağlar. Karbon esaslı çalışma elektrotları ana elektrot olarak tercih edilir. Bunlar arasında camsı karbon elektrot (GCE) ve Pc-modifiye kompozit indikatör elektrotlar en yaygın olanlarıdır. Bu yeni nesil kompozit elektrotlar ile etkin maddeler, ağır metaller, fenolik bileşikler gibi sayısız analitin tayini etkili bir biçimde gerçekleştirilmektedir.

Pc-modifiye elektrotların teknolojik uygulamalar açısından önemli bir diğer özelliği redoks reaksiyonları neticesinde belirgin ve reversibil renk değişimleri sergileme yetenekleridir. Sahip oldukları düşük HOMO-LUMO bant aralıkları ve reversibil elektron transfer yetenekleri ftalosiyaninleri elektrokromik görüntüleme sitemleri için eşsiz adaylar haline getirir.

Böylelikle, enerji ve diğer teknolojik uygulama alanlarındaki önem ve gereklilikleri göz önüne alındığında ftalosiyanin/karbon temelli kompozit-malzeme/elektrotların araştırılması ve geliştirilmesinin taşıdığı büyük önem anlaşılabilir.

Bu tezin amacı öncelikle farklı bağlanma pozisyonlarında sübstitüentler ve köprüler içeren mononükleer ve dinükleer top-tipi bazı ftalosiyanin bileşiklerinin çözelti ortamındaki redoks davranışlarını klasik voltametrik teknikler ve eşzamanlı spektroelektrokimyasal metotlarla derinlemesine incelemektir. Bu aşamadan sonra komplekslerin redoks davranışları üzerine edinilen bilgilerle, yüksek katalitik aktivite sergileyeceği öngörülen bileşiklerin karbon materyalleri ile kompozitleri oluşturularak elektrot modifikasyonları gerçekleştirilecek ve katalitik aktiviteleri hidrodinamik yöntemlerle belirlenecektir. Son aşamada oksijen elektrokatalizörü olarak yüksek katalitik aktiviteye sahip kompozitler spesifik kapasite, spesifik güç yoğunluğu ve çevrimsel kararlılık gibi performans parametreleri açısından Zn-hava hücresi prototiplerinde test edilecektir.