Organik maddelerle katkılandırılarak iletken polimerlerin termoelektrik özelliklerinin arttırılması
Enhancing thermoelectric properties of conductive polymers by filling with organic substances
Yazar: VOLKAN UĞRAŞKAN
Danışman: PROF. DR. FERDANE KARAMAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Fizikokimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Karbon nitrür = Carbon nitride ; Kompozitler = Composites ; Polianilin = Polyanilines ; Polimer kompozitler = Polymer composites ; Politiyofen = Polythiophene ; Termoelektrik = Thermoelectric ; İletken polimerler = Conducting polymers

Özet:
Son zamanlarda, gelişen teknoloji ve endüstriyel uygulamalar ile enerji ihtiyacının artması sonucunda hâlihazırda kullanılmakta olan enerji kaynaklarına alternatif arayışı önemli bir konu haline gelmiştir. Termoelektrik (TE) güç üretimi, termal enerjiyi elektrik enerjisine doğrudan çevirebilen, çevre dostu, düşük maliyetli ve sürdürülebilir bir enerji üretim yöntemidir. Geleneksel TE malzemeler olarak kullanılan inorganik malzemelerin yanısıra organik yapılı iletken polimerler ve kompozitlerinin kullanımı güncel araştırma konuları arasında yer almaktadır. İletken polimerler; iyi elektriksel, mekanik ve optik özellikleri, düşük termal iletkenlikleri, kolay ve düşük maliyetli sentez yöntemleri gibi özellikleri sayesinde TE malzeme olarak umut verici malzemeler haline gelmişlerdir. 
Bu tez çalışmasında, iletken polimer olarak polianilin (PANI), poli (3,4-etilendioksi tiyofen):poli (stiren sülfonat) (PEDOT:PSS) ve politiyofen (PTh) kullanılmıştır. Kullanılan iletken polimerlerin TE özelliklerini geliştirmek amacı ile, iki boyutlu bir yarıiletken olan grafitik karbon nitrür (GCN) ile kütlece farklı oranlarda kompozitleri hazırlanmıştır. Katkı maddesi olarak kullanılan GCN, farklı kaynaklardan sentezlenerek kullanılmış, bununla birlikte katmanlarına ayırma ve itakonik asit ile fonksiyonlandırılarak TE özellikleri geliştirilmeye çalışılmıştır.  Hazırlanan kompozitler Fourier-Transform Infrared (FTIR-ATR), ultraviyole-görünür bölge (UV-vis), X-ray kırınımı (XRD) spektroskopik yöntemleri ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile karakterize edilmiştir. Ayrıca, elektriksel iletkenlik ve Seebeck katsayısı değerleri ölçülüp, güç faktörü değerleri hesaplanarak, TE özellikler incelenmiştir.
Gerçekleştirilen çalışmalar sonucunda, GCN katkılandırılması ile iletken polimerlerin güç faktörü değerlerinde oldukça yüksek bir artış meydana geldiği gözlenmiştir. Katkılandırılmamış PANI' nin güç faktörü değerinin 0,18 μWm-1K-2' den 93,87 μWm-1K-2 değerine, katkılandırılmamış PEDOT:PSS' nin güç faktörü değerinin 0,19 μWm-1K-2 değerinden 419,7 μWm-1K-2 değerine arttığı ve katkılandırılmamış PTh' in güç faktörü değerinin 1,28x10-5 μWm-1K-2 değerinden 134,23 μWm-1K-2 değerine arttığı belirlenmiştir. 
Tez çalışması sonucunda, doğal kaynaklardan üretilebilen GCN' ün, iletken polimerlerin, özellikle PEDOT:PSS' nin TE özelliklerini arttırmak için ucuz ve kolay üretilebilen bir katkı malzemesi olarak kullanılmak üzere yüksek potansiyele sahip olduğu ortaya konulmuştur.

Abstract:
Recently, as a result of developing technology and industrial applications and the increase in energy needs, the search for alternatives to energy sources that are currently used has become an important issue. Thermoelectric (TE) power generation is an environmentally friendly, low-cost, and sustainable energy generation method that can directly convert thermal energy into electrical energy. In addition to inorganic materials used as traditional TE materials, the use of organic conductive polymers and composites is among the current research topics. Conductive polymers; Thanks to their good electrical, mechanical, and optical properties, low thermal conductivity, and easy and cost-effective synthesis methods, they have become promising materials as TE materials.
In this thesis study, polyaniline (PANI), poly (3,4-ethylenedioxy thiophene):poly (styrene sulfonate) (PEDOT:PSS), and polythiophene (PTh) were used as conductive polymers. To improve the TE properties of the conductive polymers used, composites were prepared with graphitic carbon nitride (GCN), a two-dimensional semiconductor, in different mass ratios. GCN, which is used as an additive, was obtained from different sources and used, with this, TE properties were tried to be improved by delamination and functionalization with itaconic acid. The prepared composites were characterized by Fourier-Transform Infrared (FTIR-ATR), ultraviolet-visible region (UV-vis), X-ray diffraction (XRD) spectroscopic methods, and scanning electron microscopy (SEM). In addition, electrical conductivity and Seebeck coefficient values were measured and power factor values were calculated, and TE properties were examined.
As a result of the studies carried out, it was observed that the power factor values of conductive polymers increased considerably with GCN addition.  It was determined that the power factor value of the pristine PANI increased from 0.18 5μWm-1K-2 to 93.87 5μWm-1K-2, the power factor value of the pristine PEDOT:PSS increased from 0.19 μWm-1K-2 to 419.7 μWm-1K-2 and the power factor value of the pristine PTh increased from 1.28x10-5μWm-1K-2 to 134.23 μWm-1K-2.
As a result of the thesis, it has been revealed that GCN, which can be produced from natural sources, has a high potential to be used as an inexpensive and easily produced additive material to increase the TE properties of conductive polymers, especially PEDOT: PSS.