Polihalojenli organik moleküllerin elektrokimyasal indirgenmesi ile karbon nanoyapıların sentezi ve elektrokimyasal kapasitör uygulamaları
Synthesis of carbon nanostructures by electrochemical reduction of polyhalogenated organic molecules and their electrochemical capacitor applications
Yazar: ZÜLEYHA KUDAŞ
Danışman: PROF. DR. DUYGU EKİNCİ
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Analitik Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Bu tez çalışmasında, aşağıdan-yukarıya yöntemi temelince küçük moleküllerden yola çıkarak büyük molekül ağırlığına sahip karbon nanoyapıları sentezlemeyi amaçladık. Bu doğrultuda karbon nanoyapıların sentezi için üç farklı yaklaşım izlendi. (i) Öncelikle, hekzagonal polihalojenli aromatik moleküllerin (hekzaflorobenzen (HFB), hekzaklorobenzen (HCB) ve hekzabromobenzen (HBB)) aprotik çözücülerde elektrokimyasal indirgenmesi sonucunda açığa çıkan aril radikallerinin, aril radikal-aril radikal kaplingi ile Au ve Si elektrotlar üzerinde karbon temelli polimer filmler sentezlendi. (PHFB, PHCB ve PHBB). Daha sonra polimer film kaplı elektrotlar, 400°C'de 30 dakika tavlanarak grafen benzeri film oluşumu sağlandı (PHFB-400, PHCB-400 ve PHBB-400). (ii) Pentagonal hekzaklorosiklopentadien (HCP) organik molekülünün elektrokimyasal indirgenmesi ile karbon nanoyapıların sentezi Au elektrot üzerinde gerçekleştirildi (PHCP). Polimer film kaplı Au elektrot, 400°C'de 30 dakika tavlanarak ince karbon film örgüsüne ulaşılabildi (PHCP-400) (iii) Hekzagonal ve pentagonal polihalojenli organik moleküllerin elektrokimyasal indirgenmesi ile nanoçiçek ve nanomantar benzeri karbon nanoyapıların sentezi gerçekleştirildi. Bu bölümde pentagonal halkaların sonuç karbon yapılarının morfolojik ve kimyasal karakteristiklerine etkisini ortaya koyabilmek için hekzagonal ve pentagonal polihalojenlenmiş halkaların eş zamanlı elektrokimyasal redüksiyonu ile karbon filmleri hazırlandı. Bu amaç doğrultusunda, hekzagonal hekzaklorobenzen ve pentagonal hekzaklorosiklopentadien (HCP) molekülleri elektrokimyasal sentezler için öncü moleküller olarak kullanıldı. HCB ve HCP organik moleküllerinin molar oranları değiştirilerek (2/2, 2/1.2, 2/0.6) elektrokimyasal indirgenme ile farklı karbon filmleri hazırlandı (PHCB/PHCP:2/2, PHCB/PHCP:2/1.2 ve PHCB/PHCP:2/0.6) ve filmler 400°C'de 30 dakika tavlanarak, kararlı film yapısına ulaşıldı (PHCB/PHCP:2/2-400, PHCB/PHCP:2/1.2-400 ve PHCB/PHCP:2/0.6-400). Bu polihalojenli moleküllerden sentezlenen karbon filmlerin karakterizasyonu için taramalı elektron mikroskopi (SEM), taramalı tünelleme mikroskopi (STM), geçirimli elektron mikroskopi (TEM), Raman spektroskopi, X-ışını fotoelektron spektroskopi (XPS), X-ışını difraksiyon (XRD) teknikleri kullanıldı. Ayrıca bütün karbon filmlerin kapasitans performansı, dönüşümlü voltametri (CV), galvanostatik şarj-deşarj (GCD) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ile değerlendirildi.
2018, 227 sayfa
Anahtar Kelimeler: Polihalojenli organik moleküller, elektrokimyasal indirgeme, termal tavlama, karbon nanoyapılar, süperkapasitör.

Abstract:
In this thesis, we aimed to synthesize large molecular weight carbon nanostructures starting from small molecules based on the bottom-up method. Accordingly, three different approaches were developed for the synthesis of carbon nanostructures. (i) First, carbon-based polymer films were synthesized on the Au or Si electrodes with the aryl radical-aryl radical coupling of the aryl radicals resulting from the electrochemical reduction of hexagonal polyhalogenated aromatic molecules (hexafluorobenzene (HFB), hexachlorobenzene (HCB) and hexabromobenzene (HBB)) in aprotic solvents. Then the polymer film (PHFB, PHCB and PHBB) coated Au electrodes were annealed at 400°C for 30 minutes to produce graphene-like film. (PHFB-400, PHCB-400 and PHBB-400). (ii) Synthesis of carbon nanostructures by electrochemical reduction of pentagonal hexachlorocyclopentadiene (HCP) organic molecule was performed on Au electrode (PHCP). The polymer film-coated Au electrode was annealed at 400°C for 30 minutes to yield a thin carbon film lattice (PHCP-400). (iii) By electrochemical reduction of hexagonal and pentagonal polyhalogenated organic molecules, synthesis of nano-flower and nanomushroom-like carbon nanostructures was performed. Carbon films were prepared by simultaneous electrochemical reduction of hexagonal and pentagonal polyhalogenated rings in order to demonstrate the effect of pentagonal rings on the morphological and chemical characteristics of the resulting carbon structures. For this purpose, hexagonal hexachlorobenzene and pentagonal hexachlorocyclopentadiene (HCP) molecules were used as precursor molecules for electrochemical synthesis. Different carbon films were prepared with electrochemical reduction by various molar ratios of HCB and HCP organic molecules (2/2, 2/1.2, 2/0.6) (PHCB/PHCP:2/2, PHCB/PHCP: 2/1.2 and PHCB/PHCP:2/0.6) and films annealed at 400°C for 30 minutes to achieve stable film structure (PHCB/PHCP:2/2-400, PHCB/PHCP:2/1.2-400 and PHCB/PHCP:2/0.6-400) Characterization of carbon films synthesized from these polyhalogen molecules were carried out by scanning electron microscopy (SEM), scanning tunneling microscopy (STM), transmission electron microscopy (TEM), Raman spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray diffraction (XRD) techniques. Also, the capacitance performance of the films was evaluated by means of cyclic voltammetry, galvanostatic charge-discharge, and electrochemical impedance spectroscopy.
2018, 227 pages
Keywords: Polyhalogenated organic molecules, electrochemical reduction, thermal annealing, carbon nanostructures, supercapacitor.