Borofen/grafen oksit katkılı polimerik kompozit membran sentezi ve yakıt pili performans özellikleri
Borophene/graphene oxide doped polymeric composite membrane synthesis and fuel cell performance characteristics
Yazar: ŞEYMA KAYA
Danışman: PROF. DR. HABİBE CANAN CABBAR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Çağımızda, çoğalan insan nüfusuyla birlikte enerji ihtiyacı da hızla artmaktadır. Bu ihtiyaca karşı tercih edilen çözüm yollarından biri de hidrojen enerjisidir. Bu tercihin ana sebepleri hidrojenin ekonomik ve çevreye karşı zararsız oluşudur. Hidrojen enerjisini elektrik enerjisine çevirmek için yakıt hücrelerine ihtiyaç vardır. Yakıt hücresi türlerinin başında Proton Değişim Membran Yakıt Hücreleri (PEMFC) gelmektedir. Bu yakıt hücrelerinin en önemli bileşeni protonları iletebilme özelliğine sahip membrandır. Ticari olarak kullanılan membranlar pahalı olduğundan yerlerine alternatif membran arayışına gidilmektedir. Bu çalışmada yüksek film oluşturma kapasitesi ve modifiye edilebilirliğe sahip polivinil alkol (PVA) ve yüksek mekanik mukavemete sahip polivinilidin florür (PVDF) kullanılarak karışım membranlar sentezlenmiştir. İyon değişim kapasitesi ve proton iletkenliğini iyileştirmek amacıyla PVA fosfolanarak kullanılmıştır. Fosfonasyon kütlece %10 ile %50 arasında değişen oranlarda gerçekleştirilerek PVA membranın özellikleri incelenmiş, bu oranlar içerisinden fosfolama derecesi olarak %40 seçilmiştir. Fosfolanmış PVA (pPVA) ve PVDF farklı oranlarda karıştırılarak karışım membranlar elde edilmiştir. pPVA/PVDF kütlece oranları 90:50 / 10:50 arasında değişmektedir. PVA ve PVDF için çözücü olarak dimetil sülfoksit (DMSO) kullanılmıştır. Sentezlenen bu karışım membranlarından kütlece %90 pPVA - %10 PVDF içeren membran, yüksek PVA içeriği,  iyi su tutma kapasitesi ve düşük şişme özelliği ile ön plana çıktığından katkılanmak üzere bu membran seçilmiştir. Katkı maddesi olarak iyon değişim kapasitesi ve proton iletkenliğini arttırması amacıyla grafen oksit, kimyasal ve fiziksel stabiliteyi, membran mukavemetini arttırması amacıyla borofen tercih edilmiştir. Toplam katkı oranı kütlece %3 ile %24 arasında değişiyor olup membranlar yalnızca borofen, yalnızca grafen oksit ve borofen-grafen oksit karışımı ile katkılanmıştır. Membranların çapraz bağlanmalarını arttırmak ve özelliklerinin iyileştirilmesi amacıyla membranlara termal çapraz bağlama işlemi gerçekleştirilmiştir. Membranlar çözelti döküm yöntemi ile sentezlenmiştir. Sentezlenen membranlarda FT-IR, SEM, EDX, XRD, su tutma kapasitesi, şişme özelliği, iyon değişim kapasitesi, proton iletkenliği karakterizasyon yöntemleri uygulanmıştır. Çalışma sonunda grafen oksit ve borofen katkılarının birlikte kullanılmasının iyon değişim kapasitesi ve proton iletkenliğini arttırdığı gözlemlenmiştir. Sentezlenen katkılı membranlardan %5 borofen - %5 grafen oksit katkılı %90 pPVA- %10 PVDF membran %30,88 su tutma kapasitesi, %11,76 şişme özelliği, 2,311 meq.g-1 iyon değişim kapasitesi ve 2,4524 mS/cm proton iletkenliği ile en iyi performansı sergilemiştir. PEM yakıt hücrelerinin günümüzde kullanılan teknolojilerin yerini tutabilmesi için pek çok araştırma ve çalışma yapılması gerekmesi ile birlikte sentezlenen karışım membranın ticari membranlara alternatif oluşturma kapsamında umut verici olduğu görülmüştür.

Abstract:
The need for energy is increasing rapidly with the increasing human population. One of the preferred solutions to this need is hydrogen energy. The main reasons for this choice are that hydrogen is economical and harmless to the environment. Fuel cells are needed to convert hydrogen energy into electrical energy. Among the fuel cells, Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) are one of the main fuel cell types. The most important component of these fuel cells is the membrane that can conduct protons. Since commercially used membranes are expensive, alternative membranes are sought. In this study, blend membranes were synthesized using PVA, which has high film-forming capacity and modifiability, and PVDF, which has high mechanical strength. PVA was phosphonated to improve ion exchange capacity and proton conductivity. The properties of the PVA membrane were examined by phosphonation at rates varying between 10% and 50% by mass, and among these rates, 40% was chosen as the phosphonation degree. Blend membranes were obtained by mixing phosphonated PVA (pPVA) and PVDF in different raitos. pPVA/PVDF mass ratios vary between 90:50 / 10:50. Dimethyl sulfoxide (DMSO) was used as the solvent for PVA and PVDF. Among these synthesized blend membranes, the membrane containing 90% pPVA - 10% PVDF by mass was chosen to be doped because it stands out with its high PVA content, good water uptake capacity and low swelling property. Graphene oxide was preferred as an additive to increase ion exchange capacity and proton conductivity, and borophene was preferred to increase chemical and physical stability. The total additive ratio varies between 3% and 24% by mass, and the membranes were doped with only borophene, only graphene oxide and borophene-graphene oxide mixture. In order to increase the cross-linking of the membranes and improve their properties, thermal cross-linking was carried out on the membranes. Membranes were synthesized by the solution casting method. FT-IR, SEM, EDX, XRD, water uptake capacity, swelling property, ion exchange capacity and proton conductivity characterization methods were applied to the synthesized membranes. It was observed that the combined use of graphene oxide and borophene additives increased the ion exchange capacity and proton conductivity. Among the synthesized membranes, 5% borophene - 5% graphene oxide doped 90% pPVA - 10% PVDF membrane, which has 30.88% water uptake capacity, 11.76% swelling property, 2.311 meq.g-1 ion exchange capacity and 2.4524 mS/cm proton conductivity, showed the best performance. Although many research and studies are required for PEM fuel cells to replace the technologies used today, the synthesized blended membrane has been seen to be promising in terms of creating an alternative to commercial membranes.