Grafen oksit kağıtların tek basamaklı elektrokimyasal indirgenmesi ile janus kağıtların üretimi ve nem aktüatörü uygulamaları
Fabrication of janus papers by one step electrochemical reduction of graphene oxide papers and their humidity actuator applications
Yazar: ZERİŞ AKSU
Danışman: PROF. DR. MURAT ALANYALIOĞLU
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Analitik Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Amaç: Bu tez çalışmasında, vakum filtrasyon yöntemiyle hazırlanan grafen oksit (GO) kağıdın doğrudan elektrokimyasal indirgenmesi sağlanmış ve ayrıca hazırlanan esnek GO kağıtların bir yüzünün kontrollü bir şekilde elektrokimyasal olarak indirgenmesi sağlanarak GO/rGO yapısında Janus kağıtlar üretilmiştir. Janus yapısında elde edilen kağıdın bir yüzünün hidrofilik GO, diğer yüzünün ise hidrofobik rGO karakterinde olması sağlanarak GO yüzeyinin nem tutarak şişmesi nedeniyle nem oranıyla orantılı hareket edebilen aktüatör sistemlerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır.
Yöntem: GO, grafitten yola çıkılarak modifiye Hummers yöntemi sonucunda sentezlendi. GO dispersiyonunun vakum filtrasyonu ile müstakil ve esnek GO kağıtlar oluşturuldu. GO kağıdın tek adımda elektrokimyasal indirgenme işlemi potansiyel kontrollü elektroliz ve dönüşümlü voltametri teknikleriyle belirlenen optimize koşullarda uygulandı. Hazırlanan tüm kağıt numunelerin kristal yapılarını ve yüzey morfolojisini analiz etmek için sırasıyla X-ışını kırınımı ve taramalı elektron mikroskobu kullanıldı. Kimyasal yapılarını belirlemek için X-ışını fotoelektron spektroskopisi, Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi ve Raman spektroskopisi kullanıldı. Ayrıca, yüzey ıslanabilirliğinin belirlenmesi için ise su temas açısı ölçümü yapıldı.
Bulgular: GO kağıt, tek adımda elektrokimyasal indirgenme ile indirgenmiş grafen oksit (rGO) kağıda dönüştürülmüştür. Bu yaklaşımla, GO kağıdın bir yüzü elektrokimyasal olarak indirgenerek üretilen Janus yapının bir tarafı hidrofobik rGO ve diğer tarafı ise hidrofilik GO tabakaları şeklinde başarılı bir şekilde üretilmiştir. Bir nem aktüatörü, nem ortamına maruz bırakıldığında mekanik olarak geri bildirim verir. Bu amaçla, nem akışı ile su moleküllerinin GO tabakaları tarafından hızlı emilmesi sonucunda şişirerek malzemenin rGO katmanı boyunca hızlı bir şekilde bükülme hareketi sağlanmıştır. Ayrıca, aktüatöre doğru sağlanan nem akışı kesildiğinde, aktüatör başlangıçtaki pozisyonuna geri dönmüştür. Bu şekilde gerçekleştirilen nem aktüatör deneyleri, Janus GO/rGO kağıdının dairesel olarak hareket ettiğini ve bağıl nem ile aktüatörün dairesel hareketi sonucunda ölçülen bükülme açısı arasında üstel bir ilişki olduğunu göstermiştir. 
Sonuçlar: Bu tez çalışma sonucunda, GO kağıdın tek basamakta ve hızlı şekilde indirgenmesi ile rGO kağıdın elde edilebileceği anlaşılmıştır. Ayrıca, üretilen bu Janus GO/rGO kağıt yapılarının nem aktüatörü olarak robotik ve nem sensörü gibi alanlarda kullanım potansiyelinin olduğu tespit edilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Janus GO/rGO kağıt, tek adımda elektrokimyasal indirgenme, nem aktüatörü.

Abstract:
Purpose: In this thesis study, the direct electrochemical reduction of graphene oxide (GO) paper prepared via vacuum filtration was achieved, and Janus papers with GO/rGO structure were produced by selectively reducing one side of the flexible GO paper electrochemically. It is aimed to develop actuator systems that can move in proportion to the humidity rate due to the swelling of the GO surface by holding moisture by ensuring that one side of the paper obtained in the Janus structure is hydrophilic GO and the other side is hydrophobic rGO.
Method: In this study, GO was first synthesized from graphite using the modified Hummers method. Freestanding and flexible GO papers were created by vacuum filtration of the GO dispersion prepared as a result of the dispersion of synthesized graphitic oxide in water. The one-step electrochemical reduction of GO paper was performed under optimized conditions determined by potential-controlled electrolysis and cyclic voltammetry techniques. X-ray diffraction and scanning electron microscopy were used to analyze the crystal structures and surface morphology of all prepared paper samples. X-ray photoelectron spectroscopy, Fourier transform infrared spectroscopy and Raman spectroscopy were used to determine their chemical structures. Additionally, water contact angle measurement was performed to determine surface wettability. 
Findings: GO paper was converted into rGO paper with one step electrochemical reduction. With this approach, the Janus structure produced by electrochemical reduction of one side of the GO paper was successfully produced as hydrophobic rGO on one side and hydrophilic GO layers on the other side. A humidity actuator gives mechanical feedback when exposed to a moisture environment.  For this purpose, rapid bending movement of the material along the rGO layer was achieved by swelling as a result of rapid absorption of water molecules by the GO layers with moisture flow. Additionally, when the moisture flow toward the actuator was stopped, the actuator returned to its initial position. Humidity actuator experiments performed in this way have shown that Janus GO/rGO paper moves circularly and that there is an exponential relationship between relative humidity and the bending angle measured as a result of the circular movement of the actuator.
Conclusions: As a result of this thesis study, it has been understood that rGO paper can be obtained by reducing GO paper in a single step and rapidly. Additionally, it has been determined that these produced Janus GO/rGO paper structures have the potential to be used as humidity actuators in areas such as robotics and humidity sensors.
Keywords: Janus GO/rGO paper, one-step electrochemical reduction, humidity actuator.