İndirgenmiş grafen oksit-kinolin ftalosiyanin nanohibrit malzemelerinin üretimi ve elektrokimyasal özelliklerinin incelenmesi
Production of reduced graphene oxide-quinoline phthalocyanine nanohybrid electrode materials and investigation of electrochemical properties
Yazar: MELTEM BALÇIK
Danışman: DOÇ. DR. BAHADIR KESKİN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Son zamanlarda, sürekli artan enerji ihtiyacıyla birlikte, yüksek performans gösteren çok fonksiyonlu malzemelerin enerji depolama ve dönüşümüne yönelik çalışmalar talep görmektedir. Birçok karbon malzeme çeşidi enerji depolama sistemleri için elektrot malzemesi olarak kullanılmak istenmektedir. Grafen ailesi bu amaçla kullanılan en iyi ticari elektrot malzemesi olmuştur. Fakat depolama kapasitesi tek başına yeterli değildir. Bu yüzden daha yüksek kapasitans özelliğine sahip karbon malzemeler arayışına geçilmiştir. Karbon nanotüpler, grafen, gözenekli karbonlar gibi karbon içerikli malzemeler elektrot malzemeleri üretimi için araştırılmaktadır. Grafen ailesi, indirgenmiş grafen oksit (rGO), grafen oksit (GO), grafen levhalar ve birkaç katmanlı grafen ve çok katmanlı grafen (MLG) üyeleri içerir. Grafen tabakalarına uygulanacak çeşitli oksidatif reaksiyonlarla farklı fiziksel ve mekanik özelliklere sahip nano materyaller sentezlenmiş olacaktır. 
Tesadüfen keşfedilmiş önemli bir makromolekül olan ftalosiyaninler; iki boyutlu 18 π-elektron konjuge sistemine sahip düzlemsel bir yapıda olan aromatik makro halkadır. Molekülün merkezinde dört adet azot atomu, iki adet imino hidrojen atomu bulunur ve neredeyse tüm metal iyonları ile koordinasyon oluşturabilme özelliğine sahiptir. Ftalosiyaninlerin periferal ve/veya non-periferal konumlarına çeşitli sübstitüentler eklenmesiyle ya da merkezi boşluğuna farklı metaller bağlanmasıyla isteğe uygun çeşitli moleküller hazırlanabilmektedir. Kinolin organik özellik gösteren bir madde olup ayrıca heterosiklik ve aromatik özellik gösterir. Tek başına birkaç kullanımı yanı sıra farmasötik olarak doğa ve sentetik bileşikleri vardır.
Bu tez çalışmasında ilk olarak 8-hidroksikinolin ile 4-nitroftalonitrilden yola çıkılarak kinolin sübstitüe ftalonitril ligandı elde edilmiştir. Bu bileşiğin metal tuzları ile klasik reaksiyon şartları (nükleofilik yer değiştirme reaksiyonu) sonucunda metalli ftalosiyanin olarak çinko ve kobalt ftalosiyaninler sentezlenmiştir. Ayrıca çinko ftalosiyanin kompleksi uygun şartlarda kuaternize (suda çözünür) edilmiştir. Elde edilen maddelerin molekül yapıları UV-Vis, FT-IR, 1H-NMR ve MALDI-TOF ve Q-TOF Kütle spektrumları ile analiz edilmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında indirgenmiş grafen oksit elde edilerek, çinko ve kobalt ftalosiyanin molekülleriyle hidrotermal sentez yöntemi uygulanarak nanohibrit malzemeler elde edilmiştir. Farklı hidrotermal deneysel parametreler uygulanmış ve sonuçları tartışılmıştır.  Elde edilen bu elektroaktif maddelerin FT-IR, SEM-EDX, Raman, XRD, XPS gibi yöntemler ile analiz ve karakterizasyonları yapılmıştır. Daha sonra elektrot malzemesi kullanım özelliklerinin incelenebilmesi için üretilen nanohibrit malzeme, iletken bir polimer ve asetilen siyahı ile çamur (slurry) hazırlanarak akım toplayıcı nikel köpüğe kaplanmıştır. Bu yöntem ile enerji depolama sistemlerinde kullanılabilecek elektrot malzemesi özelliklerinin incelenmesi ve süperkapasitör performansları hakkında bilgi edinilmesi amacıyla CV, GCD ve EIS gibi elektrokimyasal analiz yöntemleri uygulanmıştır.

Abstract:
Recently, with ever-increasing energy concerns, performance for energy storage and conversion with efficient use of high-performing multi-functional materials is in high demand. Many types of carbon materials are desired to be used as electrode material for energy storage systems. The graphene family has been the best commercial electrode material used for this purpose. But storage capacity alone is not enough. Therefore, carbon materials with higher capacitance properties have been sought. Carbon-containing materials such as carbon nanotubes, graphene, porous carbons are being investigated for the production of electrode materials. The graphene family includes reduced graphene oxide (rGO), graphene oxide (GO), graphene sheets, and several-layer graphene and multilayer graphene (MLG) members. Nanomaterials with different physical and mechanical properties will be synthesized by various oxidative reactions to be applied to graphene sheets.
Phthalocyanines, an important macromolecule discovered by chance; It is a planar aromatic macro ring with a two-dimensional 18 π-electron conjugate system. There are four nitrogen atoms and two imino hydrogen atoms at the center of the molecule, and it has the ability to form coordination with almost all metal ions. Various optional molecules can be prepared by adding various substituents to the peripheral and/or non-peripheral positions of phthalocyanines or by attaching different metals to their central cavity. Quinoline is an organic substance, and it also shows heterocyclic and aromatic properties. It has few uses alone as well as pharmaceuticals of nature and synthetic compounds.
In this thesis, firstly, quinoline substituted phthalonitrile ligand was obtained by starting from 8-hydroxyquinoline and 4-nitrophthalonitrile. As a result of the reaction of this compound with metal salts under classical method conditions, zinc and cobalt phthalocyanines were synthesized as metal phthalocyanines. In addition, the zinc phthalocyanine complex was synthesized as quaternized (water soluble) under suitable conditions. The molecular structures of the obtained substances were analyzed by UV-Vis, FT-IR, 1H-NMR and MALDI-TOF and Q-TOF mass spectra. In the second stage of the study, nanohybrid materials were obtained by obtaining reduced graphene oxide and applying hydrothermal synthesis method with zinc and cobalt phthalocyanine molecules. Different hydrothermal experimental parameters are applied and the results are discussed. Analysis and characterization of these obtained electroactive materials were made by methods such as FT-IR, SEM-EDX, Raman, XRD, XPS. Then, in order to examine the usage properties of the electrode material, the produced nanohybrid material was coated with a current collector nickel foam by preparing a conductive polymer and acetylene black slurry. With this method, CV, GCD and EIS electrochemical analysis methods were applied in order to examine the electrode material properties that can be used in energy storage systems and to obtain information about supercapacitor performances.