Investigation of capacitive behaviour of emulsion polymerized pedot and its nanocomposites

thumbnail.default.placeholder
Tarih
2019
Yazarlar
Gülercan, Deniz
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Özet
Son yıllarda iletken polimerlerin sentezlenmesi ve bunların uygulamalarına yönelik çalışmalar oldukça ilgi görmektedir. Bu malzemelerin hem iletkenlik göstermesi hem de organik yapıya sahip olmalarından dolayı, enerji depolama, biyolojik sensör, güneş pilleri gibi birçok uygulamada tercih edilmesini beraberinde getirmiştir. Polianilin, politiyofen, polipirol ve poli(3,4-etilendioksitiyofen) (PEDOT) gibi iletken polimerler bu alandaki uygulamalarda daha çok kullanılanlar arasındadır. Bunun sebebi bu polimerler genelikle p-katkılandırılmış ve bundan dolayı n-katkılandırılmış polimerlere göre daha kararlı bir yapıya sahip olmalıdır. İletken polimerler arasında PEDOT, iletkenlik bandının düşük olması, yükseltgenmiş halinin kararlılığı, iyi iletkenlik gibi özellikleri ile diğer polimerlere göre daha fazla uygulama alanına sahiptir. İletken polimerler genel olarak kimyasal oksidasyon veya elektrokimyasal sentez metodu ile sentezlenebilmektedirler. Kimyasal oksidasyon yönteminde, uygun çözücü içerisinde dağılan monomere başlatıcı eklenerek polimerizasyon yapılırken, elektrokimyasal yöntemde elektrolit çözelti içerisindeki monomerin, anodik polimerizasyon ile çalışma elektrotu üzerine elektropolimerizasyon yöntemi ile polimerleşmesi gerçekleştirilmektedir. Kimyasal oksidasyon yöntemlerinin uygulanması ve emülsiyon polimerizasyonu ile nano boyutta polimerlerin daha düşük maliyette ve büyük ölçeklerde üretilmesi sağlanabilmektedir. Emülsiyon polimerizasyonu uygulamasında kimyasal oksidasyon yöntemine ek olarak sentez ortamına yüzey aktifleştirici madde eklenmektedir. Yüzey aktifleştirici maddeler sulu çözelti ortamında monomerlerin etrafını kaplıyarak polimerizasyonun miseller içeresinde gerçekleşmesini ve böylece nano ölçekte polimerler elde edilmesini sağlamaktadır. Nanofiber yapıların küçük çapta ve hafif olması, yüksek yüzey/hacim oranı ve gözenek boyutunun kontrol edilebiliyor olmasından dolayı enerji depolama, doku mühendisliği, medikal alanlarda kullanılması yaygınlaşmaktadır. Kompozitlerin nanofiber olarak elde edilmesinde genellikle elektrospin yöntemi daha avantajlıdır. Elektrospin tekniğinde temel olarak 3 öğe bulunmaktadır. 1. Voltaj ünitesi 2. Besleme ünitesi (şırınga vb.) 3.Toplayıcı. Genellikle nanofiber istenen iletken polimer kompoziti, taşıyıcı ve iletken olmayan bir matris ile elektriksel alan kuvvetinden faydalanarak bir toplayıcı üzerinde toplanır. Sentezlenen yapıların difüzyon empedansı, çift yüzey kapasitansı, çözelti direnci, sistemdeki yük taşıma ve iletim hızı gibi elektrokimyasal özelliklerinin incelenmesi için bilinen en iyi yöntem elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS)dir. Bu yöntemde seçilen akım veya potansiyelde uygun elektrolit çözeltisi içerisinde ikili veya üçlü elektrot sistemleri kullanılarak yapının elektrokimyasal karakterizasyonu gerçekleştirilir. Yakın zamanda yapılan çalışmalar göstermiştir ki, organik yapıdaki iletken polimerler, inorganik maddeler ile birleştirildiğinde oluşan yeni kompozitin iletken polimere oranla iletkenlik, kapasitans gibi bazı özelliklerinde önemli oranda gelişme gözlenmiştir. Son yıllarda polimerik kompozitlerle birlikte kullanılan katkı maddeleri arasında başta karbon ve türevleri gelmektedir, grafen ve grafen oksit karbon türevleri arasında en çok kullanılanlar arasındadır. Grafen, karbon atomunun iki boyutlu, yüksek yüzey alanına sahip ve çok iyi iletkenlik özelliği gösteren bir allotropudur. Grafen, grafen oksitin indirgenmesi ile elde edilebilir. Grafenin yüzeyinde grafen oksite oranla daha az bulunan fonksiyonel grupların (oksi, peroksi, hidroksi v.b) bulunması moleküller arası etkileşimin daha az etkin olmasına sebep olduğundan, grafen oksit yerine grafenin kullanılması durumu iyi sonuçlar vermemektedir. Bundan dolayı grafen ve türevleri genellikle polimer veya diğer yapılar ile kompoziti halinde kullanılmaktadır. Polimerik yapılarla kompozit yapıda dolgu malzemesi olarak kullanılan bir diğer grup ise metal oksitlerdir, bunlar arasında en yaygın kullanılanlardan biri ise titanyum dioksittir (TiO2). TiO2, düşük maliyeti, geniş yüzey alanı, kimyasal kararlılığı ve çevre dostu olmasından dolayı son yıllarda polimerik kompozitlerde oldukça fazla kullanılmaktadır. Bu çalışmada emülsiyon polimerizasyon yöntemi ile edilen PEDOT polimerinin farklı malzemelerle oluşturulan nanokompozitleri elde edilmiş, elektrokimyasal özellikleri ve spektroskopik özellikleri incelenmiştir. İlk çalışmada emulsiyon polimerizasyon yöntemi ile akrilonitril (AN) ve stiren (St) monomerlerinden P(AN-ko-St) kopolimeri elde edildi. Elde edilen bu kopolimerin sulu ortamında EDOT monomerinin polimerizasyonu, yüzey aktifleştirici sodyum dodesil sülfat (SDS) varlığında, amonyum persülfat (APS) başlatıcısı eklenerek gerçekleştirildi. Bunun sonucunda P(AN-ko-St) nanopartiküllerinin PEDOT ile kaplanması sağlandı. Polimerizasyon süresince reaksiyon ortamından alınan örneklerle polimerleşme zamana göre takip edilerek polimer nanotaneciklerinin büyümesi spektroskopik ve elektrokimyasal olarak takip edildi. Ayrıca elde edilen PEDOT/P(AN-ko-St) nanokompozitinin özellikleri saf PEDOT ile karşılaştırıldı. SEM ve AFM sonuçları göstermiştir ki saf P(AN-ko-St) nanotaneciklerinin boyutu 40-80 nm arasında iken ile PEDOT kaplı P(AN-ko-St) nanotaneciklerin ortalama tanecik büyüklüğü 25-65 nm dir. Bunun yanısıra polimerizasyonun 120. dakikasına kadar EDOT monomerinin hızlıca polimerleştiği fakat uzun polimerizasyon sürelerinde polimer zincirlerinin kümelenmesinden dolayı yüzey pürüzlülüğünde artma gözlenmiştir. EIS ölçümleri için AC sinyali 10 mV ve frekans aralığı 0.01 Hz–100 kHz olarak tanımlanmıştır. PEDOT polimerinin P(AN-ko-St) nanotaneciklerinin üzerinde oluşumunu takip etmek ve tanecik büyüklüğünün elektrokimyasal özelliğe etkisini görebilmek için, polimerizasyon süresince seçilen zaman aralıklarında reaksiyon ortamından numuneler alınmış, damlatma yöntemi ile cam üzerinde filmleri oluşturulmuş ve elektrokimyasal karakterizasyonu yapılmıştır. Bunun sonucunda elde eldilen verilerle nanofilmlerin en iyi R(C(R(Q(R))))(CR) eşdeğer devre modellemesine uyduğu sonucuna varılmıştır. Ayrıca Bode magnitüt diyagramı göstermektedir ki, 1440. dakikaya kadar PEDOT, P(AN-ko-St) üzerine daha ince bir tabaka olarak kaplandığından IZI değeri azalırken, pürüzlülük değeri artmaktadır. İleri polimerizasyon sürelerinde ise bunun tam aksi gözlenmektedir. Buna göre uzun polimerizasyon sürecinde PEDOT nanotaneciklerinin P(AN-ko-St) üzerinde tutunamadığı ve çözeltide asılı kaldığı söylenebilir. Dolayısıyla istenen özelliğe göre optimum polimerizasyon süresi seçilmelidir. Çalışmanın bir sonraki aşamasında PEDOT polimerinin elektrokimyasal özelliklerinin geliştirilebilmesi için grafen oksit (GO) ve indirgenmiş grafen oksit (rGO) ile nanokompozitleri sentezlendi. Bunun için grafitten başlayarak Hummers metodu ile önce grafen oksit ardından NaOH kullanılarak indirgenmiş GO elde edildi. EDOT monomeri daha önceki aşamada kullanılan yüzey aktifleştirici SDS ve başlatıcı APS ile ayrı ayrı GO ve rGO bulunan sulu çözelti ortamlarında emülsiyon polimerizasyonu ile PEDOT-GO, PEDOT-rGO ve saf PEDOT nano yapıları elde edildi. Elde edilen nanokompozitlerin yapısal karakterizasyonu için UV-Vis, ATR-FTIR spektrofotometrik yöntem, AFM ve SEM morfolojik yöntemleri kullanıldı. Elde edilen UV-Vis ve FTIR sonuçlarının literatürde önerilen pik değerleri ile önemli ölçüde örtüştüğü görüldü. Aynı şekilde SEM görüntüleri literatürde gösterilen görüntülerle benzerlik göstermiştir. Görüntü olarak saf PEDOT polimeri karnabahar şeklinde iken GO ve rGO pullu tabaka şeklindedir. Dolayısıyla PEDOT-GO and PEDOT-rGO SEM görüntülerinde PEDOT ın küresel partikülleri arasında tabakalar halinde GO ve rGO gözlenmektedir. Elde edilen nanokompozitlerin literatür verileri ile uyumluluğu görüldükten sonra, mukavemeti, yüksek hacim/alan oranı ve geniş kullanım alanı oluşturmak için nanofiberleri üretildi. Nanofiberler elde edilirken daha önceki çalışmada kullanılan P(AN-ko-St) taşıyıcı matris olarak seçildi. Öncelikle toz halinde olan P(AN-ko-St) DMF çözücüsü içerisinde 5% (kütlece) oranında dispers edildi. Daha sonrasında PEDOT, PEDOT-GO and PEDOT-rGO nanotanecikleri bu dispersiyon içerisinde kütlece 0.3% derişimde olacak şekilde hazırlanıp 25°C de 1 saat karıştırıldıktan sonra, 10 kV DC voltajda, 5.5μl/sa dan 400 ml/sa kadar olan besleme hızında nanofiberler 1cm2 lik ITO-PET üzerinde toplandı. Toplama ünitesi ile iğne ucu arasındaki uzaklık 16 cm olarak seçilmiş ve toplam işlem süresi 25 dak. sürmüştür. Nanofiberlerin çap kalınlığı SEM ile belirlendi ve nanofiberlerin düzgün pürüzsüz olduğu ayrıca çap kalınlığının saf PEDOT polimerine göre GO ve rGO katılımıyla sırasıyla 190±170 den 80±172 ve 150±100 nm ye düştüğü gözlenmiştir. Nanofiberlerin elektrokimyasal karakterizasyonu için elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) yöntemi kullanılmıştır. Elektrolit olarak literatürdeki çalışmalara benzer olarak 0.01 M LiClO4 seçilmiş ve üçlü elektrot sistemi kullanılmıştır. EIS ölçümlerinde frekans aralığı 10 mHz ile 100 kHz olarak seçilmiş ve Nyquist, Bode faz ve Bode magnitüt grafikleri elde edilmiştir. Bu grafiklerdeki veriler ZSimpwin programı kullanılarak eş değer devre modellemesi yapılmıştır. Nanofiber sistemi icin, devre modellemesi ZSimpwin programı ile gerçekleştirilmiş ve deneysel sonuçlarla en uyumlu eşdeğer devre modeli Rs(Qdl(RctW))(QelRel) olarak saptanmıştır. Nyquist grafiğinde yüksek frekans aralığı bölgesinde yarım çemberler gözlenirken, düşük frekans bölgesinde y eksenine paralel doğrusal bir grafik görülmüştür. Literatür çalışmaları göstermektedir ki, Nyquist grafiğinde düşük frekans bölgesinde oluşan doğrusal grafiğin açısı 45°ye yakınlaştıkça kapasitif özellik artmaktadır. Elde edilen değerler PEDOT-GO ve PEDOT-rGO nanokompozitlerinin P(AN-ko-St) matrisiyle oluşturdukları nanofiberlerinin yük iletme direnci (Rct) değerleri tek başına PEDOT'ın P(AN-ko-St) kopolimeriyle oluşturduğu nanofiberden daha düşük olduğunu göstermiştir, ayrıca çözelti direncinin (Rs) ise daha yüksek olduğu gözlenmiştir. Rct değeri elektrot yüzeyindeki elektronların cözeltiye iletilmesi sonucu olusan direnci ifade ettiğinden dolayı GO ve rGO nun PEDOT yapısına katılması ile Rct değerlerinde azalma olması PEDOT-GO ve PEDOT-rGO nanokompozitlerinin kapasitif özellige katkıda bulunduğunu kanıtlamaktadır. GO ve rGO ile elde edilen kompozitler ayrı ayrı karşılatırıldığında ise GO in kapasitif özelliğe katkısı, iletken olan rGO e göre daha fazla olduğu gözlenmiştir. Bu durum, rGO in GO a kıyasla polimer ile daha zayıf etkileşimi ve rGO in sulu ortamda GO ya göre daha az dispers olmasından kaynaklanmaktadır, literatürdeki bulgularda bu bulguyu desteklemektedir. Bundan dolayı PEDOT-rGO ve PEDOT-GO nanokompozitleri sentezlenirken EDOT monomeri ile rGO nun yeterince etkileşememiş olması ve rGO nun bir kısmının dibe çökmesi, rGO nun polimer zincirleri arasında homojen bir şekilde dağılamamasına sebep olmuştur. Buna karşın, GO in yapısında bulunan oksi, peroksi ve hidroksi vb. fonksiyonel gruplardan dolayı sulu emülsiyon polimerizasyon ortamında çok iyi bir dağılım göstermesi ve EDOT monomerindeki oksijen ve kükürt atomları içeren kısımlarla kolay etkileşim göstermesinden dolayı PEDOT-GO nanokompozitinin P(AN-ko-St) matrisi üzerinde elde edilen nanofiberlerinin kapasitif özelliği daha iyidir. Çalışmanın bir sonraki aşamasında, emülsiyon polimerizasyonu ile sentezlenen PEDOT nanokompozitlerinin süperkapasitör olarak uygulamasına yönelik kapasif özelliklerinin iyileştirilmesi hedeflendiğinden dolayı, taşıyıcı matris olarak kullanılan yalıtkan özellik gösteren, organik P(AN-ko-St) kopolimeri yerine metal oksit olan ve iletken polimerlerle iyi bir uyumluluk gösterdiği daha önceki çalışmalarla ispatlanan TiO2 kullanılmasına karar verilmiştir. PEDOT-TiO2 nanokompozitleri elde edilirken aynı yüzey aktifleştirici (SDS) ve başlatıcı (APS) seçilmiştir ve bu sentez sırasında PEDOT miktarı sabit tutulup kütlece değişken TiO2 değerleri alınmıştır. TiO2 nun PEDOT'a kütlece sırasıyla 5, 10, 15 ve 20% olarak eklenmiş ve elde edilen nanokompozitlerin spektroskopik ve elektrokimyasal karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. UV-vis, FTIR spektrofotometrik ve XRD ölçümleri sonucu elde edilen verilerin literatürle örtüştüğü gözlendikten sonra, bu oluşum SEM görüntüleriyle de desteklenmiş ve ayrıca oluşan taneciklerin gözenek büyüklüğü ve yüzey alanı BET yöntemi ile ölçülmüştür. Bir sonraki aşamada elekrokimyasal karakterizasyon için kompozitlerin GO ve rGO ile fiziksel karışımı elde edilmiştir. Bu işlem için farklı bileşim oranlarındaki PEDOT- TiO2 örnekleri, daha öncesinde ayrı ayrı ultrasonik cihazda bir saat DMF te dağıtılan GO ve rGO homojen dispersiyonlarına eklenmiş (1:1% kütlece) ve tekrar 20 dak. kadar birlikte ultrasonik cihazda homojen olarak karışması için bırakılmıştır. Elde edilen örnekler PEDOT-TiO2-x-GO ve PEDOT-TiO2-x-rGO olarak etiketlenmiştir. (-x TiO2 miktarını göstermek üzere) Bu örneklerin elektrokimyasal özelliklerinin incelenmesi için FTO üzerine damlatma yöntemiyle filmleri oluşturulmuştur. Hazırlanan filmlerin kalınlığını kontrol etmek amacıyla aynı sıcaklıkta her örnekten 1mL kullanarak ve eşit ölçülerde FTO üzerine damlatma gerçekleştirilmiştir. Oluşturulan filmler çalışma elektrodu olarak, EIS yöntemiyle üçlü elektrot sisteminde ve 1M Na2SO4 elektroliti içerisinde, empedans, döngülü voltametri ve galvanostatik şarj–deşarj ölçümleri yapılmıştır. Döngülü voltametride 20-200 mV tarama hızları aralığında çalışılmış ve 20 mV tarama hızı tüm örnekleri karşılaştırmak için seçilmiştir. Döngülü voltametride elde edilen dikdörtgene yakın grafikler ve artan tarama hızına karşı alınan akım değerinin artması nanopartiküllerin pseudokapasitif özellik taşıdığını göstermektedir. Ayrıca kaplanan materyalin artan tarama hızında elektrolitle daha yüzeysel ve hızlı etkileştiği gözlenmiştir. Sadece PEDOT olan örnek ile PEDOT-rGO ve PEDOT-TiO2-15-rGO nun döngülü voltametri grafiklerinin altında kalan alandan hesaplanan spesifik kapasitans değerleri karşılaştırıldığında yaklaşık olarak sırasıyla 35.4% ve 89.6% artış olduğu saptanılmıştır. Galvanostatik şarj-deşarj ölçümleri sonrasında elde edilen tam ve simetrik üçgen grafikleri de döngülü voltametreyi desteklemektedir. Her iki karakterizasyonda da elde edilen grafiklerde spesifik kapasitans değerleri hesaplandığında numuneler arasında, PEDOT-TiO2-15-rGO örneğinin en yüksek (0.1 mA.cm-2 akım yoğunluğunda 18.9 F.g-1) spesifik kapasitansı gösterdigi gözlenmistir. GCD grafiklerinin eğiminden hesaplanan spesifik kapasitans değerleri de CV sonuçlarını desteklemektedir. 0.1 mA.cm-2 akım yoğunluğu kullanılarak alınan ölçümlerde sırasıyla kütlece spesifik kapasitans PEDOT-rGO, PEDOT-TiO2-5-rGO, PEDOT-TiO2-10-rGO, PEDOT-TiO2-15-rGO ve PEDOT-TiO2-20-rGO için 0.54 F. g-1, 4.42 F.g-1, 5.75 F.g-1, 9.49 F.g-1 ve 1.32 F.g-1 ve ayrıca spesifik alan kapasitans değerleri 1.47 F.cm-2, 9.74 F.cm-2, 11.5 F.cm-2,18.9 F.cm-2 and 2.64 F.cm-2 olarak bulunmuştur. Sonuçlar göstermiştir ki PEDOT-TiO2 nanokompozitlerinde %20 kütlece TiO2 miktarına kadar artan TiO2 miktarı ile kapasitif özellik artmakta fakat %20 kütle oranı ve sonrasında kapasitansta azalma olmaktadır. Nanokompozitlerin Empedans değerlerinin ZSimpwin modelleme programı kullanılarak elde edilen eş değer devre modeli Rs(Qdl(RctW)) olarak bulunmuştur. Yine bu grafiklerden elde edilen en düşük Rct değeri 7.41 ohm olup PEDOT-TiO2-15-rGO nanokompozitine aittir. Emülsiyon polimerizasyon tekniği ile sentezlenen PEDOT ve PEDOT nanokompozitlerinin elektrokimyasal verilerine dayanarak bu çalışmada en kapasif olan örnek PEDOT-TiO2-15-rGO olup ilerideki çalışmalarda süperkapasitör uygulamalarında kullanılmaya aday gösterilebilir.
Since the end of last century, although renewable energy resources depleted, demand to energy supplies for electronic and hybride units increases. Therefore, materials that have good conductivity and mechanical properties have attracted reseachers attention to store energy. For energy storage, batteries are not highly efficient comparing with supercapacitors as they have two energy storage mechanisms, first is electrical double-layer (EDL) capacitance and other is pseudocapacitance. Over last decades conducting polymers and their composites have attracted many interests due to their applications in various disciplines. Among the conducting polymers, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) has more advantageous properties than other conducting polymers because their low oxidation potential and band gap width and good stability in their oxidized states. After invention of Graphene in 2004, it has received many researchers' attraction because of its good conductivity, high surface area to volume ratio and good mechanical properties. Therefore, graphene-based composites have become good candidates for supercapacitor applications. To produce materials with high efficiency and lower cost, TiO2 has been used together with conducting polymers in many researches. TiO2 has many applications including solar cells, dye sensitive solar cells (DSSC), capacitors and photovoltaic cells. Stability of supercapacitor material during charging/discharging process is a critical point that needs to be developed. Although carbon based materials such as activated carbon, carbon nanotubes have enough stability, their capacitance values are limited. Therefore, composites including carbon based materials or metal oxides with conducting polymers have been improved to obtain more stable and capacitive supercapacitors. For this purpose, different types of composites were fabricated including PEDOT as a conducting polymer. In this thesis, there are three main parts, excluding introduction part, in order to follow step by step how to produce composite electrodes. In the first part, PEDOT polymer was synthesized via micro emulsion polymerization method in the aqueous media of P(AN-co-St) and polymerization monitored by time and samples were taken from polymerization media in certain time intervals. Then, these PEDOT covered P(AN-co-ST) samples were coated on glass electrode during polymerization. Nanoparticles characterized by UV-vis and FTIR spectrophotometry, SEM and AFM methods Afterwards, electrochemical properties of fabricated electrodes were characterized by electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The electrochemical impedance spectroscopy data were well fitted with Electrical Circuit Model of R(C(R(Q(R))))(CR). The results indicated that in situ emulsion polymerized PEDOT/P(AN-co-St) coreshell structures have spherical, 25-65 nm sized nanoparticles and this method improved morphological features of the PEDOT nanocomposites. In the second part of the study, synthesized graphene oxide and reduced graphene oxide were added into in situ emulsion polymerization system of PEDOT to improve capacitance of PEDOT. Nanofibers have been fabricated on P(AN-co-St) matrix by using electrospinning technique to prepare light, flexible and high surface area/volume ratio of as-synthesized PEDOT-GO and PEDOT-rGO composites. Nanofibers have been characterized by EIS and SEM. From SEM images, it has been seen that beadless and with diameter range less than 300 nm, nanofibers were formed. Capacitance features were analyzed by EIS and the results exhibited that integrating of both GO and rGO to PEDOT has improved PEDOT capacitance value. However, comparing with PEDOT-rGO, PEDOT-GO showed more capacitive behaviour. It can be explained with solubility characteristics of GO and rGO, GO has more polar groups (hydroxy,carbonyl, epoxy etc.) attached to carbon atoms whereas rGO just has a few polar groups on the single layer of carbon atoms. Therefore, GO was dispersed in aqueous emulsion media better than rGO. Moreover, PEDOT polymer has polar groups in the ring that can interact with GO and also it has been proved that GO acts as a dopant during polymerization in the literature. As a consequence of this, PEDOT and GO exhibited good synergy comparing with rGO and PEDOT-GO composite was obtained more uniform and nanofibers were more capacitive. In the third part of the study, to prepare low cost, more capacitive and reproducible electrodes in a one-pot step polymerization, TiO2 was integrated to in situ polymerization system of EDOT, using same conditions, surfactant and initiator. This time, in order to overcome the low solubility problem of rGO and increase capacitance of system, rGO and GO (in DMF solutions) were blended with PEDOT-TiO2 composites when the polymerization completed. PEDOT-TiO2 nanocomposites were prepared in various compositions while the PEDOT amount kept constant. For the composites, four different concentrations of TiO2 (5, 10, 15, 20 w%) were added to surfactant solution to synthesize composites, based on previous literature studies. When the PEDOT-TiO2 nanocomposites were synthesized, they were pyhsically blended with GO and rGO separately in 1:1 w% ratio. After that, PEDOT-TiO2-GO and PEDOT-TiO2-rGO ternary composites were obtained for various amount of TiO2. To investigate electrochemical features of composites, they were dispersed in DMF and ultrasonicated during 1 h and then the electrodes were fabricated via drop casting method onto FTO. Afterwards, they were kept in the oven 90°C- for 30 min to evaporate their solvent. For electrochemical studies CV (Cyclic voltammetry), GCD (Galvanostatic Charging Discharging) and Electrochemical Impedance Spectroscopic measurements were applied to electrodes in three electrodes system. From the impedance results, PEDOT and its composites have semi arc at high frequency region and distorted warburg line at intermediate frequency were obtained as has been mentioned in several papers. These features have been arised from the interaction between electrolyte and electrode surface, non uniformity of the surface of the coated material and charge diffusion along with redox reactions. Moreover, thickness of the as-prepared films played an important role for the results. It has been deduced that TiO2 has a synergestic effect which can facilitate electron transportation from PEDOT to rGO/GO in the ternary composite system, and thus reduce both the internal resistance (Rs) and charge transfer resistance (Rct) of the electrode materials. GCD results exhibit that PEDOT-TiO2-15-rGO has represented most spesific capacitance (Csp value which was 18.9 F.g-1 at 0.1 mA cm-2 current density). PEDOT-TiO2-15-rGO, presenting a 92% enhancement over PEDOT-rGO at a 0.1 mA cm-2 current density. CV results well agreed with both GCD and EIS results and Csp value has been found as 31.7 F.g-1 at 0.1 mA cm-2 current density for PEDOT-TiO2-15-rGO. It can also have been correlated with BET (Brunauer–Emmett–Teller) results, because pore size of materials which coated on FTO electrodes have influence on charge transport from solution to electrode and PEDOT-TiO2-15 composites which have pore size 25.7 nm whereas PEDOT-TiO2-20 composites have 4.93 nm and PEDOT has 11.9 nm. It can be concluded that, the contribution of TiO2 with rGO promote the capacitance of PEDOT polymer and thus PEDOT-TiO2-15-rGO could be used as a supercapacitor nominee to further studies.
Açıklama
Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019
Theses (Ph.D.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2019
Anahtar kelimeler
Elektriksel empedans tomografisi, Elektriksel iletkenlik, Elektriksel karakterizasyon, Elektrodifüzyon, Electrical impedance tomography, Electrical conductivity, Electrical characterization, Electrodiffusion
Alıntı