Elektrokromik uygulamalar için iletken polimer elektrolitlerin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of conductive polymer electrolytes for electrochromic applications
Yazar: HÜSNÜ KEMAL GÜRAKIN
Danışman: DOÇ. DR. HÜSEYİN DELİGÖZ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimyasal Teknolojiler Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Kimya = Chemistry ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Elektrolitler = Electrolytes ; Karboksimetil selüloz = Carboxymethylcellulose

Özet:
Son yıllarda önem kazanan iyon iletken polimer elektrolitler üstün özellikleri nedeniyle şarj edilebilir piller, yakıt hücreleri, süper kapasitörler, kimyasal sensörler ve elektrokromik cihazlar gibi elektrokimyasal uygulamalarda sıklıkla kullanılmaktadır. Elektrokromik cihazlar, bir potansiyel uygulanması ile optik özelliklerini geri döndürülebilir şekilde değiştirebildiğimiz sitemler olup bu sistemlerin başlıca kullanım alanları; binaların dış yüzeyini etkileyen güneş ışığının kontrol edilebildiği akıllı camlar ve yansımayı azaltarak daha güvenli bir sürüş imkanı sunan elektrokromik dikiz aynalarıdır. Tipik bir elektrokromik cihaz, cam/geçirgen iletken/elektrokromik tabaka/iyonik iletken/iyon depolayıcı tabaka/geçirgen iletken/cam olmak üzere yedi katmandan oluşmaktadır. Elektrokromik cihazların performansını etkileyen en önemli parametreler elektrotun ve elektrolitin tipidir.Tez çalışmasında, elektrokromik cihaz uygulaması için alternatif polimer elektrolit olarak ısıl ve mekanik dayanımı yeterli, doğada kolay bozunabilen, zehirsiz ve ucuz bir kimyasal olan karboksimetil selüloz (CMC) esaslı ürünler farklı lityum tuzları ve plastifiyanlar varlığında sistematik olarak geliştirilmiştir. CMC esaslı elektrolitlerin yanı sıra karşılaştırma amacıyla poli(2-akril amido 2-metil propan sülfonik asit) (PAMPSA) esaslı elektrolitler de hazırlanmıştır. Hazırlanan polimer elektrolitlerin yapısal, fiziksel, morfolojik analizleri gerçekleştirilerek, bu elektrolitlerden hazırlanan cihazların performansları gerçekleştirilmiştir. Ticari Nafion® tipi elektrolit de cihaz performansları için karşılaştırma amacıyla kullanılmıştır.Tez çalışmasında, hazırlanan elektrolitlerin iletkenlikleri polimer matris tipine, lityum tuzu ve plastifiyan maddenin tip ve konsantrasyonuna bağlı olarak incelenmiştir. Ağırlıkça %3 LiClO4 ve %3 etilen karbonat içeren CMC esaslı filmlerde iletkenlik değeri 6,97x10-3 S/cm iken, PAMPSA esaslı, ağırlıkça %5 LiClO4 ve %5 propilen karbonat içeren filmlerde bu değer 1,15x10-3 S/cm olarak ölçülmüştür. Hem plastifiyan hem de iyon iletken olarak kullanılan iyonik sıvı içeren CMC esaslı elektrolitin (CMC:IL 1:1) iletkenlik değeri ise 1,91x10-3 S/cm olarak bulunmuştur. Hazırlanan polimer elektrolitlerin ısıl ve mekanik olarak elektrokromik uygulamalar için yeterli olduğu, kullanılan tuz ve plastifiyan türüne bağlı olarak yüzey özelliklerinin değiştiği saptanmıştır. Geliştirilen CMC esaslı polimer elektrolitlerden hazırlanan elektrokromik cihazın performansının ticari Nafion® tipi elektrolitden hazırlanan cihazla karşılaştırılabilir olduğu tespit edilerek ekonomik yönden daha cazip olan CMC esaslı polimer elektrolitlerin elektrokromik uygulamalar için ümit verici bir alternatif olduğu sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
Ion conductive polymer electrolytes which have attracted much importance in the last years are frequently used in electrochemical appications such as rechargeable batteries, fuel cells, super capacitors, chemical sensors and electrochromic devices due to their superior properties. Electrochemical devices are systems which optical properties can be controlled reversibly by using potential. The main application areas of these systems are smart windows that can regulate the solar gains of buildings and also glare attenuation in automobile rear view mirrors. A typical electrochromic device consists of seven different layers including glass/transparent conductor/ electrochromic coating/ ion conductor/ ion storage coating/ transparent conductor/ glass. The most important parameters effecting the performance of electrochromic devices are types of electrodes and electrolytes.In the thesis, alternative polymer electrolytes were systematically developed by using thermally and mechanically stable carboxymethyl cellulose (CMC) which is biodegradable, non-toxic and cheap, in the presence of different lithium salts and plasticisers. In addition to CMC based electrolytes, poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid) (PAMPSA) based electrolytes were also prepared for comparison. Structural, physical, morphological analysis of the polymer electrolytes were performed. Also, the electrochromic device performances obtained from these electrolytes were measured. Nafion® electrolyte was also used in order to compare device performances.In this thesis, the conductivities of the prepared electrolytes were investigated depending on type of polymer matrix, lithium salt and plasticisers. Moreover, the effects of salt and plasticiser amount on the conductivity of electrolytes were explored. The conductivity of CMC based film including 3% (wt/wt) lithium perclorate and 3% (wt/wt) ethylene carbonate was found to be 6.97x10-3 S/cm while PAMPSA based film with 5% (wt/wt) and 5% (wt/wt) propylene carbonate has exibited a conductivity of 1.15x10-3 S/cm. On the other hand, the conductivity of CMC based electrolyte consisting of ionic liquid acting both plasticiser and ion conductive agent was found to be 1.91x10-3 S/cm. Furthermore, it was determined that the thermal and mechanical properties of the prepared polymer electrolytes were sufficient for electrochromic appilications and the morphological properties changed depending on lithium salt and plasticiser in the studies. It was emphasized that the performance of electrochromic device prepared from CMC based electrolytes is comparable to that of device obtained from commercial Nafion® electrolyte. Considering the economical value of CMC based polymer electrolytes, it can be concluded that these polymer electrolytes can be considered as promising alternatives for electrochromic applications.