Anyon değiştirici yakıt hücreleri için polisülfon/Mxene nanokompozit membran sentezi
Polysulfone/Mxene nanocomposite membrane synthesis for anion exchange fuel cells
Yazar: SELİNNUR KIVANÇ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÇİĞDEM TAŞDELEN YÜCEDAĞ
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Anyon değiştirici membranlar = Anion exchange membranes ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Yakıt hücreleri = Fuel cells ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Fosil yakıt kaynaklarının hızla tükenmesiyle birlikte, artan enerji talebi nedeniyle araştırmacılar temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarına odaklanmıştır. Anyon değiştirici membran yakıt hücreleri (ADMYH), alternatif bir enerji üretim yöntemidir. ADMYH'lerin temel yapıtaşlarından biri olan anyon değiştirici membranların (ADM) henüz ticarileşmiş yaygın bir kullanımı yoktur. ADM'lerin genel olarak düşük mekanik dayanıma ve düşük iyonik iletkenliğe sahip olmaları bu durumun ana nedenlerindendir. Ancak, ADM'lerde mekanik kararlılık ve iyonik iletkenlik arasında ters bir ilişki olduğu gözlemlenmiştir. Bu sorunun üstesinden gelmek için kullanılan stratejilerden biri nanopartikül katkılı kompozit membran geliştirmektir. 
Mxene, yapısı gereği polimer matrisinde iyonların geçişi için gereken hidroksil ağlarının oluşmasına yardımcı olan fonksiyonel gruplar içeren bir malzemedir. Mxene'nin hidrofilik özellikleri, yüksek kimyasal kararlılık, elektrik iletkenliği ve geniş bir yüzey alana sahip olması nedeniyle nanokompozit membran üretiminde kullanılabilir.
Bu tez çalışmasının amacı, yüksek iletkenliğe sahip aynı zamanda kimyasal mekanik kararlılığı yüksek olan polisülfon/Mxene nanokompozit ADM'ler geliştirmektir. Sentezlenen membranlar karakterize edilerek ADMYH'lerdeki kullanılabilirlikleri araştırılacaktır. Bu doğrultuda, polisülfon polimerinin klorometilasyonu yapılarak polimer omurgası üzerinde fonksiyonel gruplar oluşturulmuştur. Mxene'nin sentezi Ti3AlC2'den yerinde hidrojen florür yöntemi kullanılarak Al uzaklaştırılması ile gerçekleştirilmiştir. Sentezlenen Mxene karakterizasyonu XRD ve XPS ile yapılmıştır. Polisülfon bazlı membranlar,Trietilamin (TEA), 1-metil imidazol (MIm) ve 1,4-diazabisiklo [2.2.2]oktan (DABCO) kullanılarak kuaternize edilmiştir. Elde edilen membranların iletkenliklerini iyileştirmek amacıyla Mxene membran çözeltilerine eklenmiştir. ADM'lerin karakterizasyonu için su tutma kapasitesi, iletkenlik, şişme oranı ve iyon değişim kapasitesi testleri yapılmıştır. Karakterizasyon sonuçlarına göre, Mxene nanopartikülleri ADM'lere eklenince sentezlenen tüm membranlarda iletkenlik değerlerinde artış gözlemlenmiştir.

Abstract:
Researchers have focused on clean and renewable energy sources due to the increasing demand for energy and the rapid depletion of fossil fuel resources. Anion Exchange Membrane Fuel Cells (AEMFCs) are an alternative method of power generation. Anion exchange membranes (AEMs), which are one of the main building blocks of AEMFCs, have not yet been used on a commercial scale. This is due to AEM's low mechanical strength and low ion conductivity. There is a trade-off between mechanical stability and ionic conductivity. One of the strategies to overcome this problem is the development of nanoparticle doped composite membranes.
Mxene is a material containing functional groups that promote the formation of hydroxyl networks. These are necessary for the passage of ions in the polymer matrix. In addition to its hydrophilic nature, excellent chemical stability, and electrical conductivity, Mxene possesses a plate-like structure, providing a large surface area  that makes Mxene ideal candidate for nanocomposite membran synthesis.
The aim of this study is to develop and characterize polysulfone/Mxene nanocomposite AEMs with high conductivity, chemical and mechanical stability, and investigate their usability in AEMFCs. Functional groups were introduced onto the polymer backbone by chloromethylation of polysulfone. Mxene synthesized selectively etching aluminum from Ti3AlC2 using an in-situ hydrogen fluoride method. The quaternization of polysulfone was performed using triethylamine (TEA), 1-methyl imidazole (MIm) and 1,4-diazabicyclo [2.2.2]octane (DABCO). Mxene was incorporated into the membrane to improve conductivity. After characterization, the inclusion of Mxene nanoparticles in AEM conductivity values increased across all synthesized membranes.