Pt-Ir elektrot üzerine kaplanmış grafen oksit katkılı polianilinin glikozun elektrokimyasal oksidasyonunda kullanımının incelenmesi
Investigation of the use of graphene oxide-doped polyaniline deposited on Pt-Ir electrode in the electrochemical oxidation of glucose
Yazar: OSMAN CEM ALTINCI
Danışman: PROF. DR. BAHADIR KÜRŞAD KÖRBAHTİ
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Elektrokimyasal oksidasyon = Electrochemical oxidation ; Elektrooksidasyon = Electrooxidation ; Glükoz = Glucose ; Grafen oksit = Graphene oxide ; Polianilin = Polyanilines ; Polimerleşme = Polymerization ; İletken polimerler = Conducting polymers

Özet:
Doktora tez çalışmasının amacı Pt-Ir elektrot üzerine kaplanmış grafen oksit katkılı polianilin kullanılarak glikozun sulu çözeltilerde elektrokimyasal oksidasyonunun sağlanmasıdır. Bu çalışmada grafen oksit (GO) modifiye Hummers yöntemiyle, GO-PANI kompozit malzemesi ise GO varlığında anilinin elektrokimyasal polimerizasyon yöntemiyle sentezlenmiştir. GO-PANI kompozit malzemesi platin iridyum (Pt-Ir) elektrot üzerinde üçlü elektrot sisteminde Pt-Ir çalışma, Ag/AgCI referans ve Pt karşıt elektrot kullanılarak -0,2 +1,2V potansiyel aralığında elektrokimyasal depozisyon (biriktirme) yöntemiyle sentezlenmiştir (GO-PANI/Pt-Ir). Sentezlenen GO ve GO-PANI kompozit malzemelerinin FTIR, XRD, SEM, Raman analizleriyle karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Glikozun elektrooksidasyonu ikili elektrot sisteminde anot GO-PANI kaplı Pt-Ir (GO-PANI/Pt-Ir) ve katot Pt-Ir kullanılarak 480 dakika süresince gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalar iki aşamada gerçekleşmiştir. Birinci aşamada en uygun Pt-Ir elektrot kaplaması için GO derişimi, anilin derişimi, tarama hızı ve döngü sayısı parametrelerinin etkisi incelenmiştir. Deneysel çalışmalarda 0,5 M sülfürik asit (H2SO4) çözeltisi elektrolit olarak kullanılmıştır. Pt-Ir elektrot için optimum kaplama koşulları cevap yüzey yöntemi (RSM) uygulanarak 2,5 g/L GO, 0,25 M anilin, 60 mV/s tarama hızı ve 40 döngü sayısı olarak belirlenmiştir. Bu koşullarda yapılan deneysel çalışmada %21,40 glikoz elektrooksidasyonu elde edilmiştir. İkinci aşamada ise 2,5 g/L GO, 0,25 M anilin, 60 mV/s tarama hızı ve 40 döngü sayısı optimum kaplama koşullarında kaplanan Pt-Ir elektrot glikoz elektrooksidasyon işlemine tabi tutulmuştur. Deneysel çalışmalarda glikoz derişimi, sıcaklık ve potansiyel farkı parametrelerinin etkileri incelenmiştir. Optimum glikoz elektrooksidasyon koşulları 350 mg/L glikoz derişimi, 25°C reaksiyon sıcaklığı, 1,10 V potansiyel farkı olarak belirlenmiştir. Optimum deney koşullarında GO-PANI/Pt-Ir ve PANI/Pt-Ir elektrotlar kullanılarak gerçekleştirilen deneyde glikoz oksidasyonu sırasıyla %17,13 ve %15,29 olarak elde edilmiştir. Optimum deney koşullarında Pt-Ir elektrot kullanılarak gerçekleştirilen deneyde glikoz oksitlenmemiştir, %13,92 glikoz giderimi meydana gelmiştir. Glikozun oksidasyon ürünü glikonik asit HPLC'de tespit edilip kalibrasyon doğrusu oluşturulmuştur. Glikoz giderimi için reaksiyon kinetiği sonuçlarında GO-PANI/Pt-Ir elektrot kullanılarak gerçekleştirilen deneyde qc ve k değerleri sırasıyla 0,1900 ve 5,8592 olarak elde edilmiştir. PANI/Pt-Ir elektrot kullanılarak gerçekleştirilen deneyde qc ve k değerleri sırasıyla 0,1681 ve 6.3687 olarak belirlenmiştir. Pt-Ir elektrot kullanılarak gerçekleştirilen deneyde qc ve k değerleri sırasıyla 0,1518 ve 6,9637 olarak tespit edilmiştir. Glikonik asit oluşumu için reaksiyon kinetiği sonuçlarında GO-PANI/Pt-Ir elektrot kullanılarak gerçekleştirilen deneyde k1 ve k2 değerleri sırasıyla 0,0763 ve 0,3455 olarak belirlenmiştir. PANI/Pt-Ir elektrot kullanılarak gerçekleştirilen deneyde k1 ve k2 değerleri sırasıyla 0,2612 ve 1,2293 olarak elde edilmiştir. Deneysel çalışmada glikozun elektrokimyasal oksidasyonu başarıyla sağlanmıştır.

Abstract:
The aim of doctoral thesis is to provide electrochemical oxidation of glucose in aqueous solutions using graphene oxide-doped polyaniline deposited on Pt-Ir electrode. In this study, graphene oxide (GO) was synthesized by the modified Hummers method, GO-PANI composite material was synthesized by the electrochemical polymerization method of aniline in the presence of GO. GO-PANI composite material was synthesized by electrochemical deposition method in the potential range of -0.2 +1.2 V using Pt-Iridium (Pt-Ir) working, Ag/AgCI reference and Pt counter electrode in a three electrode system on Pt-Ir electrode (GO-PANI/Pt-Ir). Characterization of synthesized GO, GO-PANI composite materials was carried out by FTIR, XRD, SEM, Raman analyzes. Glucose electrooxidation was carried out in a two electrode system using anode GO-PANI coated Pt-Ir (GO-PANI/Pt-Ir) cathode Pt-Ir for 480 minutes. Experimental studies were carried out in two stages. In the first stage, the effects of GO concentration, aniline concentration, scan rate and number of cycle parameters were investigated for the optimum Pt-Ir electrode coating. 0.5 M sulfuric acid (H2SO4) was used in experimental studies. The optimum coating conditions for the Pt-Ir electrode were determined as 2.5 g/L GO, 0.25 M aniline, 60 mV/s scan rate and 40 cycles by applying the response surface method (RSM). In the experimental study performed under these conditions, 21.40% glucose electrooxidation was obtained. In the second stage, Pt-Ir electrode coated with 2.5 g/L GO, 0.25 M aniline, 60 mV/s scan rate, 40 cycles optimum coating conditions was subjected to glucose electrooxidation process. In experimental studies, the effects of glucose concentration, GO concentration, PANI concentration, reaction temperature and the potential difference parameters were investigated. The optimum glucose electrooxidation conditions were found to be 350 mg/L glucose concentration, 25°C reaction temperature, 1.10 V potantial difference. In the experiment performed using GO-PANI/Pt-Ir and PANI/Pt-Ir electrodes, glucose oxidation was obtained as 17.13% and 15.29%, respectively. In the experiment performed using Pt-Ir electrode under optimum experimental conditions, glucose was not oxidized, 13.92% glucose removal occurred. The oxidation product of glucose, gliconic acid, was detected in HPLC and a calibration line was created. In the reaction kinetic results for glucose removal, qc, and k were obtained as 0.1900 and 5.8592 respectively, in the experiment performed using GO-PANI/Pt-Ir electrode. In the experiment performed using PANI/Pt-Ir electrode, qc and k were determined as 0.1681 and 6.3687 respectively. In the experiment performed using Pt-Ir electrode, qc and k were determined as 0.1518 and 6.9637 respectively. In the reaction kinetic results for gluconic acid formation, k1 and k2 values were obtained as 0.0763 and 0.3455 respectively, in the experiment performed using GO-PANI/Pt-Ir electrode. In the experiment performed using PANI/Pt-Ir electrode, k1 and k2 were reported as 0.2612 and 1.2293 respectively. In the experimental study, the electrochemical oxidation of glucose was successfully achieved.