Polimer kompozit elektrolitlerin proton iletkenlik-serbest hacim ilişkilerinin pozitron yok olma ömür spektroskopisi tekniği (PALS) ile incelenmesi
Investigation of proton conductivity-free volume relationships of polymer composite electrolytes by using positron annihilation lifetime spectroscopy technique (PALS)
Yazar: MUHAMMET LAHMUNİ
Danışman: DOÇ. DR. MESUT YILMAZOĞLU
Yalova Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu tez çalışması, SPEEK (sülfolanmış polieter eter keton) matrislerindeki farklı sülfonasyon 
derecelerinin (DS) proton iletkenliği ve dielektrik davranışları üzerindeki etkilerini Pozitron 
Yok Olma Ömür Spektroskopisi (PALS) ile ölçülen serbest hacim fraksiyonları ile birlikte 
değerlendirmek amacıyla gerçekleştirilmiştir. Elektrolitlerin yapısal, termal ve morfolojik 
özellikleri FTIR, TGA ve SEM analizleri kullanılarak karakterize edilmiş, ardından PALS ile 
serbest hacim fraksiyonları belirlenmiştir. Bu veriler, elektrolitlerin iletkenlik mekanizmaları 
üzerinde kritik bir öngörü sunmaktadır.
SPEEK-65 ve SPEEK-80 elektrolitlerinin PALS sonuçları, her birinin iç yapısındaki serbest 
hacim fraksiyonlarının farklılıklarını ortaya koymaktadır. Özellikle, SPEEK-65'in daha düşük 
serbest hacim fraksiyonuna sahip olması, daha düşük sülfonasyon derecesine işaret etmekte ve 
dolayısıyla daha az boşluk içerdiğini göstermektedir. Diğer yandan, SPEEK-80'in yüksek 
serbest hacim fraksiyonu, daha yüksek sülfonasyon derecesinin bir göstergesi olarak daha fazla 
boşluğa işaret etmektedir. Proton iletkenliği ve dielektrik özellikler geniş sıcaklık (300-370 K) 
ve frekans (20Hz-1MHz) aralıklarında ölçülmüş ve PALS sonuçlarıyla ilişkilendirilmiştir. 
Daha yüksek serbest hacim fraksiyonunun, proton iletim mekanizmasını ve dolayısıyla 
elektrolitin elektriksel performansını nasıl etkilediği açıklığa kavuşturulmuştur. Bu ilişki, 
sülfonasyon işleminin polimer matrisindeki yapısal değişiklikler üzerindeki etkisinden 
kaynaklanmaktadır.
Sonuç olarak, PALS sonuçları, SPEEK elektrolitlerinin yapısal ve elektriksel özelliklerinin 
detaylı bir şekilde analiz edilmesini sağlamakta ve bu veriler, elektrolitlerin enerji depolama, 
yakıt hücresi teknolojileri ve diğer uygulamalar için optimize edilmesinde önemli bir rehber 
olarak hizmet etmektedir. Bu çalışma, kompleks iletkenlik ve dielektrik davranışını anlamak 
için PALS tekniğinin güçlü bir araç olduğunu vurgulamakta ve ileriye dönük araştırmalar için 
önemli bir temel sağlamaktadır.

Abstract:
This thesis investigates the effects of different sulfonation degrees (DS) in SPEEK (sulfonated 
polyether ether ketone) matrices on proton conductivity and dielectric behaviors, evaluated in 
conjunction with free volume fractions measured using Positron Annihilation Lifetime 
Spectroscopy (PALS). The structural, thermal, and morphological properties of the electrolytes 
were characterized using FTIR, TGA, and SEM analyses, followed by determination of free 
volume fractions via PALS. These data provide critical insights into the conductivity 
mechanisms of the electrolytes.
PALS results for SPEEK-65 and SPEEK-80 electrolytes reveal differences in the free volume 
fractions within their respective matrices. Specifically, SPEEK-65's lower free volume fraction 
indicates a lower DS and consequently less void space. In contrast, SPEEK-80's higher free 
volume fraction suggests greater voids, indicative of a higher DS. Proton conductivity and 
dielectric properties were measured over wide temperature (300-370 K) and frequency (20Hz-
1MHz) ranges and correlated with PALS outcomes. The impact of higher free volume fractions 
on the proton conduction mechanism and hence the electrical performance of the electrolyte 
has been elucidated. This relationship stems from the structural changes induced by the 
sulfonation process within the polymer matrix.
In conclusion, PALS results enable a detailed analysis of the structural and electrical properties 
of SPEEK electrolytes, serving as a significant guide for optimizing these materials for 
applications in energy storage, fuel cell technologies, and other fields. This study highlights 
PALS as a powerful tool for understanding complex conductivity and dielectric behaviors, 
laying a crucial foundation for future research.