Nanocomposites with graphene

Abstract

İleri kompozitlerin üretiminde kullanılan karbon elyaf, hafiflik, esneklik, ağırlık oranına karşın yüksek mukavemet, yüksek kimyasal direnç, üstün elektrik ve ısı iletkenliği gibi özelliklerinden ötürü otomotiv, havacılık ve elektronik sektöründe çeşitli uygulamalara sahiptir. Farklı karbon elyaf hammaddelerinden en çok kullanılan ise petrol esaslı, pahalı ve sürdürülemez olan poliakrilonitril (PAN) dir. Dikkat çekici bir şekilde, lignin erişilebilir, düşük maliyetli ve yenilenebilir bir kaynaktır. Ayrıca, lignin selülozik etanol yakıt üretiminin yanı sıra hamur ve kâğıt sanayiinin bir yan ürünüdür. Dolayısıyla, bu yanürün yeniden kullanımı biyo-ekonomi için çok önemlidir. Ligninin yapısını, tiplerini ve ekstraksiyon yöntemlerini anlamak, bu biyolojik atığı düşük değerli bir materyalden yüksek değerli bir ürüne dönüştürmek büyük önem taşır.Bu çalışma, sülfürik asit ile Türkiye'deki bitki kaynaklarından (kızılçam ve asma kökü) ligninin elde edilmesi ve ticari lignin ile karşılaştırılmasıyla başlamıştır. Ek olarak da, ligninin diğer öncü malzemelerle kıyaslayarak üretim maliyetini düşürmek için karbon elyaf öncü malzemesi olarak uygunluğunu belirlemek için araştırma yapılmıştır.Bu tezde, mikron altı lignin esaslı nanoelyaf, lignin, poliakrilonitril (PAN) ve daha sonra grafenin (GRP) N, N-dimetilformamid (DMF) içinde disperse edilmesiyle elde edilen çözeltilerin elektroeğirmesiyle üretilmiştir. Lignin esaslı karbon nanoelyaf, üretim aşamalarına odaklanarak araştırılmıştır. Kaynak türleri ve bunlara karşılık gelen ön işlemler, eğirme ve ısıl işlemlerin işlenebilirliğini geliştirmektedir. Ağırlıkça % 5 lignin/PAN oranında ve % 1 grafene sahip olan düzgün nanoelyaf başarıyla üretilmiştir. Sonraki adım, nanoelyafın oksitlendiği, çapraz bağlandığı ve bir sonraki adım için termal olarak stabilize edildiği en önemli adım olan termal stabilizasyon sürecidir. Karbonlaşmadan sonra, lignin esaslı karbon nanoelyaf elde edilir. 900 0C'de karbonize edildiğinde, PAN / Lignin / Grafen karbon nanoelyaf, % 94.3'lük bir karbon içeriğine sahiptir ve ortalama çapı ~ 100 nm'dir. Lignin bazlı karbon nanoelyafı etkileyebilecek her bir basamak kapsamlı olarak ele alınmıştır.Sonuç olarak, düşük maliyetli karbon nanoelyaf ve grafen takviyeli karbon nanoelyaf, biyolojik sensörler ve süperkapasitörleri içeren başta elektronik cihazlar olmak üzere birçok alanda kullanılabilirler. Bu tezde, karbon nanoelyaf (CNF) ve grafen esaslı karbon nanoelyaf (CNF-G)'ın perde baskılı elektrot (SPE) üzerine modifikasyonu, Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS) ve Döngüsel Voltametri (CV) ile doğrulanmıştır. Modifiye elektrotların iletkenlik tespiti için, EIS'in elektrokimyasal daire uyumu seçeneği ile elde edilen yük transfer direnci, Rct değerleri kullanılmıştır. Bu tezin son bölümünde, asetaminofen tespit etmek için etkili bir biyosensör olarak CNF ve CNF-G modifiye elektrotlar kullanılmıştır.

The carbon fiber used in the manufacturing of advanced composites has various applications in the automotive, aerospace, and electronics industry because of their comprehensive properties such as lightweight, flexibility, high strength to weight ratio, excellent chemical resistance, superior electrical conductivity and thermal conductivity. Different kinds of carbon fiber precursors have been used and polyacrylonitrile (PAN) is the mostly utilized polymer type which is a petroleum-based, expensive and unsustainable. Remarkably, lignin is a highly accessible, low-cost, and renewable resource. Also, lignin is a byproduct of pulp and paper industry as well as cellulosic ethanol fuel production. So, the reuse of this byproduct is very significant for the bioeconomy. Accordingly, understanding the structure, types, and extraction methods of lignin are of great importance for transferring these biomass residues from a low-value material to a higher value product. This work started with the extracted lignin from Turkish resources (Turkish Pine and Turkish Vine stem) by sulfuric acid treatment and to compare with commercial lignin. Additionally, we investigated lignin to identify its suitability as a carbon fiber precursor and to use for reducing the processing cost of carbon fiber production compared to other precursors.In this thesis, sub-micron lignin-based nanofibers were produced by electrospinning of solutions obtained by dispersing lignin, polyacrylonitrile (PAN) and then graphene (GRP) in N, N-dimethylformamide (DMF). Lignin-based carbon nanofibers were investigated by focusing on the steps of manufacture. Resource types and corresponding pretreatments improve the processability of spinning and thermal treatments. Defect-free nanofibers with up to 5 wt. % lignin/PAN and 1% graphene were fabricated successfully. The succeeding step is the most significant process of stabilization, where nanofibers are oxidized, crosslinked, and thermally stabilized for the following step. After carbonization, lignin-based carbon nanofibers are obtained. When carbonized at 900 °C, PAN/Lignin/GRP carbon nanofiber presents carbon content of 94.3% and with average diameter ~ 100 nm. Effects of every single step on the lignin-based carbon nanofibers have been discussed comprehensively.To sum up, the low cost of carbon nanofibers and graphene reinforced carbon nanofibers can be used in numerous fields, mainly for electronic devices containing biosensors and supercapacitors. In this thesis, the characterization of carbon nanofiber (CNF) and graphene reinforced carbon nanofiber (CNF-G) modification onto the screen printed electrode (SPE) has been verified via Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and Cyclic Voltammetry (CV). The charge transfer resistance, Rct values obtained by electrochemical circle fit option of EIS have been utilized for conductivity detection of modified electrodes. In the last part of this thesis, CNF and CNF-G modified electrodes were performed for an effective biosensor to detect acetaminophen.