Yapay fotosenteze yönelik grafen temelli elektrodların hazırlanması
Preparing graphene based electrodes for artificial photosynthesi̇s
Yazar: ERSAN HARPUTLU
Danışman: PROF. DR. KASIM OCAKOĞLU
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Yirmi birinci yüzyılın en büyük sorunu artan dünya nüfusuyla beraber enerji ihtiyacında gözlenen artıştır. Bu ihtiyacı karşılamak amacıyla bilim dünyası çevre dostu, yenilenebilir alternatif enerji kaynakları arayışına yönelmiştir. Güneş enerjisi, güneş ışığını absorblayarak enerji dönüşümü sağlayan yeni materyaller sayesinde şüphesiz en çok ümit vadeden alternatif enerji kaynağı olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu tezin amacı, hali hazırda güneş enerjisinden yararlanarak yakıt elde edebilen cihazlara kıyasla daha üstün özelliklere sahip, yeni güneş-yakıt cihazları için elektrodlar tasarlamaktır. Dolayısıyla elde edilecek olan bu elektrodun tasarımında elektrik iletimindeki benzersiz özellikleri ve düz bir yüzeye sahip olması nedeniyle tek katmanlı grafen yüzeyler kullanılmıştır. Grafen, Cyanidioschyzon merolae (C. Merolae) gibi doğal fotosentetik sistemlerden enerji transferinde neredeyse ideal bir elektrod gibi davranır. Bu hedeften yola çıkarak oldukça kararlı doğal fotosentetik kompleksler, fonksiyonel gruplar ile modifiye edilmiş grafen kaplı elektrod yüzeyine spesifik olarak bağlanmıştır. 
Bu tez kapsamında (i) daha önce kullanılan elektrodların aksine, ışık absorblayan fotosentetik kompleks yapıların yüzeye spesifik bir şekilde bağlandığı elektrodların eldesi, (ii) kontrollü bir oryantasyonun sağlanmasıyla ışık absorpsiyonunun arttırılması ve bunun bir sonucu olarak foto dönüşüm verimliliğinin yükselmesi, (iii) elde edilen elektrodun bir yığın heteroeklem (BHJ) güneş hücresi içindeki aktivitesinin incelenmesi, hedeflenmiştir. Bu amaçla geniş bir literatür araştırması yapılmış, mevcut metodlara yeni yaklaşımlar önerilmiştir. 
Yüksek düzeyde disiplinlerarası özellikte olan bu tez çalışmasında, spektroskopiden moleküler biyolojiye, fotosentetik komplekslerin biokimyasından grafen elektrodların nanomühendisliğine, fotosentetik yapılardaki plasmonik ve plasmon artışına dahası güneş hücresi çalışmalarına kadar uzanan geniş bir yelpazede deneyim sahibi olmayı sunmaktadır. Tüm bu disiplinlerin bir araya gelmesiyle fotoelektrokimyasal enerji dönüşümün gerçekleşebilmesi için gereken tecrübe ve uzmanlık temin edilmiş olacak ve "yeşil" biyofotoelektrod yapım hedefi amaçlanmıştır.

Abstract:
The most challenging issue of 21st century is the rapidly growing energy demand due to the increase in human population. To address this issue tremendous research effort has been focused on the area of environmentally friendly alternative energy resources. Solar energy is the most promising alternative energy source without any doubt due to new materials that transform energy by absorbing sunlight. The aim of this thesis is to design superior electrodes for new solar-fuel devices compared to presently studied structures for photo-conversion and solar fuel generation. Therefore, single-layer graphene structures have been used in this electrode structure owing to its unique properties in the transmission of electricity and a flat surface. Graphene acts as an ideal electrode for transferring energy from natural photosynthetic systems such as Cyanidioschyzon merolae (C. Merolae). Based on this objective, highly stable natural photosynthetic complexes are specifically bound to the modified graphene coated electrode surface with functional groups.
Within the scope of the thesis, (i) in contrast to the previously used electrodes, the electrodes are formed to which the light-absorbing photosynthetic complex structures are specifically bound to the surface, (ii) to increase the light absorption with a controlled orientation and thus, enhanced internal photo-conversion efficiency, (iii) Investigation of the activity of the resulting electrode in a bulk heterojunction (BHJ) solar cell is aimed. For this purpose, a wide literature search has been made and new approaches have been proposed for existing synthesis methods.
This high-level interdisciplinary thesis offers a wide range of experience, from spectroscopy to molecular biology, from biochemistry of photosynthetic complexes to nanomechanics of graphene electrodes, plasmonic and plasmon increases in photosynthetic structures, and solar cell studies. The experience and expertise required for the realization of the photoelectrochemical energy transformation with the combination of all these disciplines will be provided and "green" biophotoelectrode construction is aimed.