Pozitron teknikleriyle polimer elektrolitlerin iletkenlik-serbest hacim ilişkisinin incelenmesi
The correlation between conductivity and free volume in polymer electrolytes using positron techniques
Yazar: GONCA ERDEMCİ
Danışman: PROF. DR. UĞUR YAHŞİ ; YRD. DOÇ. DR. CUMALİ TAV
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Hidrojen enerji çevriminin temelini oluşturan yakıt hücrelerinin gündeme gelmesiyle polimer esaslı iyonik iletken malzemelerin kullanıldığı polimer elektrolit membran yakıt hücresi araştırma ve geliştirme çalışmaları hızla devam etmektedir. Yakıt hücrelerinde yüksek etkinlik elde edebilmek için alternatif olarak hazırlanacak polimer membranların yüksek proton iletkenliği gibi özelliklere sahip olması gerekir. `Polimer elektrolitlerde iletkenlik' burada bir kez daha önemini göstermektedir. Son zamanlarda polimer elektrolitlerde iyon taşınım mekanizması serbest hacim modeliyle izah edilmeye çalışılmıştır. Polimerlerde serbest hacim kavramı ve S-W parametreleri malzemenin viskozite, iyonik iletkenlik, viskoelastik, camsı sıcaklığı ve mekanik özellikler gibi fiziksel özellikleri ile kimyasal özelliklerinin açıklanmasında önemli yer tutmaktadır.Bu bağlamda çalışmamızda yüksek iletkenlik özelliği gösteren kopolimer matrisi poliviniliden florür-co-hekzaflorür üzerine çalışılmıştır. Farklı lityumperklorat tuz oranlarında, ayrıca sıcaklığa bağlı olarak `Pozitron Yokolma Ömür Spektroskopisi' tekniğiyle nanometrik serbest hacim ve boşluk kesri değişimi; `Pozitron Yokolma Radyasyonunun Doppler Genişlemesi' tekniğiyle ise S ve W incelenmiştir. Sonuçta tuz katkısına bağlı olarak boşluk kesri düşük tuz oranlarında (%3 civarında) bir bükülme göstermektedir. Tuz oranının 0.03'lük molar kesri altında kristal yapıyı amorf yaparak serbest hacmin artmasına ve 0.03'ün üstünde ise azalmasına neden olduğu şeklinde yorumlanmıştır. Ayrıca lityum hekzaflorafosfat tuzu katkılı polimer matirisiyle de çalışılmış ve her iki lityum tuzu katkılı polimer matrisinde de ortak çalışma aralıkları için aynı sonuçlar elde edilmiştir.Diğer taraftan iki pozitron tekniği arasında ilişki kurulmuş ve pozitronun doğrudan yokolma şiddetinin W parametresiyle ilişkili olduğu yorumlanmıştır. Sonuç olarak tuz oranının 0.03 molar kesri altında polimerin amorflaşmasıyla pozitronun doğrudan yokolma şiddetinde ve W parametresinde bir artış, tuz oranının 0.05 molar kesri üstünde ise azalış olduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
Since the discovery of fuel cells constituting the hydrogen energy cycle, research and development into polymer electrolyte membrane fuel cell made of ionic conducting materials has become increasingly quite active. To obtain high effectiveness for the fuel cells, polymeric membranes should have some properties such as high conductivity of proton. Recently, ion transmission mechanism in polymer electrolytes has been interpreted by the free volume model. The free-volume concept and S-W parameter in polymers are highly important to explain viscosity, ionic conductivity, glass transition temperature and physical-chemical properties of materials.In this work, due to high conductivity of polyvinylidene fluoride-co-hexa fluoride based on polymer matrix, we have studied the nanoscopic free volume, hole fraction, and S-W parameter with different molar ratios of lithium perchlorate and lithium hexafluorophosphate as a function of temperature using Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy and Doppler Broadening of Annihilation Radiation. As observed, the hole fraction has an inflection point about 0.03 molar ratio of lithium-salt. Because of the formation of amorphous phases as the molar ratio of lithium-salt is less or greater than 0.03, it causes increase and decrease in the free volume, respectively. The two lithium-salt have yielded the same results for the free volume, the hole fraction, and S-W parameter.Moreover, correlating two positron techniques, it has been observed that the intensity of direct annihilation is related to W parameter. Finally, both intensity of direct annihilation and W parameter increase constantly as the molar ratio is less than 0.03, and decrease sharply as the molar ratio is greater than 0.05.