Grafen temelli polianilin gümüş nanotanecik nanokompozitlerinin sentez ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of graphene based polyaniline, silver nanoparticle nanocomposites
Yazar: ZAFER ÇIPLAK
Danışman: PROF. DR. NURAY YILDIZ
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Grafit temelli malzemelerin temel yapı taşı olan grafen, hızlı elektron taşınımı, yüksek ısıl ve elektrik iletkenliği, mükemmel mekanik sağlamlık, biyouyumluluk ve iki boyutlu yapısından (2D) kaynaklanan geniş yüzey alanı gibi üstün özeliklere sahiptir. Grafen, sahip olduğu bu üstün nitelikler nedeniyle saydam iletken elektrotlar, biyosensörler ve elektrokimyasal sensörler, enerji depolama sistemleri olan süperkapasitörler, lityum iyon pilleri ve yakıt hücreleri gibi pek çok potansiyel uygulama alanına sahiptir. Polianilin, başta süperkapasitörler ile biyosensörler ve elektrokimyasal sensörler olmak üzere pek çok elektrokimyasal uygulama için yüksek potansiyele sahip bir iletken polimerdir; polianilinin belirtilen uygulamaları için mekanik dayanımı ve elektriksel özeliklerinin geliştirilmesi için grafen uygun bir kompozit bileşenidir. Gümüş en yüksek iletkenliğe sahip olan metallerden biridir. Gümüş nanotaneciklerinin nanokompozit yapısına girişinin nanokompozit iletkenliğini ve buna bağlı olarak elektrokimyasal performansını daha üst seviyelere çıkaracağı öngörülmektedir. Gümüş nanotanecikler aralayıcı rolü üstlenerek, grafen nanotabakaları arasındaki uzaklığın artmasını sağlarlar. Gümüş nanotaneciklerinin grafen nanotabakalarına bağlanması kuru hallerindeyken tabakaların kümelenmesini önler.
Bu tez çalışması kapsamında, grafen temelli kompozitler sentezlenmiş ve sentez parametrelerinin etkisi incelenmiştir. Hazırlanan grafen oksit, grafen, grafen/gümüş, grafen polianilin, grafen/gümüş/polianilin örnekleri SEM, EDX, TEM, UV-vis, FTIR, AFM, Raman analizleri ile karakterize edilmiştir. 
Deneysel çalışmanın ilk aşamasında bazik ortamda (pH 10) grafit oksitin sulu dispersiyonundan ultrasonik etki ile 1.4-2.1 nm arasında kalınlığa sahip grafen oksit nanotabakaları hazırlanmıştır. Grafen oksitin, hidrazin hidratla kimyasal olarak indirgenmesi yoluyla grafen elde edilmiştir. İndirgeyici miktarı (Hidrazin hidrat/Grafit Oksit: 0,7-2-3 w/w) ve tepkime süresinin (1-6-24 saat) grafen oksitin indirgenmesi üzerine etkisi incelenmiştir. İndirgenmiş grafen oksit dispersiyonunda gümüş nitratın (AgNO3), sodyum borhidrür (NaBH4) ile indirgenmesi ile grafen/gümüş nanokompoziti sentezlenmiştir. Grafen/gümüş nanokompozitinin hazırlanması üzerine AgNO3/grafit oksit oranı (0,125-0,25-0,5-1 w/w),  AgNO3 çözeltisinin derişimi (10-20-40 mM), NaBH4 çözeltisinin derişimi (5-25-75-150-200-400 mM) ve AgNO3/ NaBH4 molce oranı (0,125-0,25-0,5) gibi parametreler incelenmiştir. Grafen/gümüş nanokompoziti sentezi için alternatif bir yöntem olarak eşanlı indirgeme yöntemi uygulanmıştır. Bu yönteme göre grafen oksit ve AgNO3 hidrazin hidrat ile aynı ortamda eşanlı olarak indirgenmiştir. Bu yöntemle nanokompozit hazırlanmasında AgNO3 sulu çözeltisinin derişimi (5-10-20-40 mM) ve hidrazin hidrat sulu çözeltisi derişiminin (0,1-1-14 M) etkisi incelenmiştir. Her iki yöntemle de gümüş nanotanecikleri dar bir tanecik boyut aralığında grafen nanotabakalarının üzerinde çöktürülmüştür. Hazırlanan gümüş nanotaneciklerinin yaklaşık % 80?lik fraksiyonunun ortalama tanecik boyutu 3-8 nm aralığındadır. Grafen/gümüş nanokompoziti dispersiyonu ortamında anilin monomerinin polimerizasyonu ile grafen/gümüş/polianilin nanokompoziti sentezlenmiştir. Hazırlanan nanokompozitin yapı ve morfolojisi üzerine kompozitteki grafen-gümüş miktarının (%5-50 w/w) etkisi incelenmiştir. Yapılan analizler grafen/gümüş nanotanecik/polianilin nanokompozitinin başarıyla sentezlendiğini göstermiştir.
Temmuz 2013, 180 sayfa

Abstract:
Graphene, the building block of the graphite based materials, has superior properties such as fast electron transport, high thermal and electrical conductivity, excellent mechanical properties, biocompability and very high surface area arise from its two-dimensional (2D) structure. As a result of this superior properties, graphene has potential applications in the areas of transparent conductive electrodes, biosensors and electrochemical sensors, energy storage systems such as supercapacitors, lithium ion batteries and fuell cells. Polyaniline is a conducting polymer that has potential for electrochemical applications like supercapacitors, biosensors and electrochemical sensors. Graphene is a suitable filler material to enhance the mechanical and electrochemical properties of polyaniline for this applications. Silver is one of the most conductive metal. It is predicted that the integration of silver nanoparticles to nanocomposite structure can enhance nanocomposite conductivity and increase electrochemical performance to higher levels. With their spacer role, silver nanoparticles increase the distance between graphene platelets and. The deposition of silver nanoparticles on graphene prevent the agglomeration of platelets.
In the thesis, graphene based nanocomposites were sythesized and the effect of synthesis parameters were investigated. The prepared graphene oxide, graphene, graphene/silver, graphene/polyaniline, graphene/silver/polyaniline samples were characterized with SEM, EDX, TEM, UV-vis, FTIR, AFM and Raman analyisis.
In the first step of experimental studies, graphene oxide nanoplatelets with 1.4-2.1 nm thickness were prepared from graphite oxide aqueous solution by ultrasonication in basic (pH 10) enviroment. Graphene was synthesized by the chemical reduction of graphene oxide with hydrazine hydrate. The effect of amount of reductant (hydrazine hydrate/graphite oxide 0,7-2-3 w/w) and reaction time (1-6-24 h) on the reduction of graphene oxide were investigated. Graphene/silver nanocomposite was synthesized by the reduction of silver nitrate (AgNO3) in the reduced graphene oxide disperison with sodium borohydride (NaBH4). The parameters such as AgNO3/graphite oxide rate (0,125-0,25-0,5-1 w/w), the concentration of AgNO3 solution (10-20-40 mM), the concentration of NaBH4 solution (5-25-75-150-200-400 mM), AgNO3/ NaBH4 molar rate (0,125-0,25-0,5) were investigated. Graphene/silver nanocomposite was also synthesized with another alternative method that called simultaneous reduction method. According to this method graphene oxide and AgNO3 were reduced in the same enviroment with hydrazine hydrate. For this method the effect of the concentration of AgNO3 solution (5-10-20-40 mM) and the concentration of hydrazine hydrate solution (0,1-1-14 M) were investigated. For both methods silver nanoparticles with narrow particle size distribution were deposited on graphene nanosheets. 80% of the synthesized silver nanoparticles have average particle size of 3-8 nm. By polimerization of aniline monomere in the graphene/silver nanocomposite dispersion, graphene/silver/polyaniline nanocomposite was prepared. The effect of graphene-silver quantity (%5-50 w/w) rate on the structure and morphology of the nanocomposite was examined. The analyzes on the prepared samples shows graphene/silver/polyaniline nanocomposite synthesized succesfully. 
July 2013, 180 pages