Yeni amfifilik kopolimerler ve modifiye iletken polimerler kullanılarak enzimatik yakıt hücrelerinin geliştirilmesi

Abstract

Bu tez, teknik açıdan arada membran olmaksızın tek bir kompartıman içinde çalışan, bu sayede hem atıksuda bulunan glikozu hem de Carpobrotus Acinaciformis bitkisinin ürettiği glikozu yenilenebilir yakıt olarak kullanarak elektrik enerjisine çevirebilen yüksek performanslı enzimatik yakıt hücrelerinin (EFC) geliştirilmesi amaçlanmaktadır. Tezde anot biyokatalizörü olarak glikoz oksidaz, katot biyokatalizörü olarak lakkaz veya bilirubin oksidaz enzimi kullanılmıştır. Sistemde anot ve katot tek bir kompartımana daldırılarak çalıştırıldığından anot ve katot enzimlerinin birarada çalışabildiği optimum ortam şartları belirlenmiştir. Elektrot konfigürasyonlarına bağlı tüm parametreler maksimum güç üretimi elde edilecek şekilde optimize edilmiştir. Tez kapsamında elektrotlar için kullanılan amfifilik blok/graft kopolimerler ve homopolimerler (polipropilen, ve polistiren-poliizopren esaslı kopolimerler) amaca yönelik sentezlenmiş, bu polimerlerin yapısına enzim immobilizasyonu için farklı fonksiyonel gruplar (-COOH, -NH2 ve polietilenglikol) takılmış, elektrot yüzeyinde hızlı elektron transferinin sağlanması amacıyla da çeşitli nanoparçacıklar (altın, kobalt oksit, ferrosen, p-benzokinon, grafen) polimerlere emdirilmiştir. Ayrıca polipirol ve politiyofen esaslı farklı iletken kopolimerler de elektrokimyasal yoldan sentezlenerek ve medyatörlerle modifiye edilerek EFC sistemlerinde kullanılmıştır. Geliştirilen her EFC, standart glikoz çözeltilerinde test edildikten sonra Carpobrotus Acinaciformis bitkisinde ve evsel atıksuda işletilmiştir. Yüksek performansa sahip EFC'lerin akım yoğunlukları ve elektriksel güç çıktıları hesaplanmıştır. En yüksek güç yoğunluğu, 20 mM'lık standart glikoz için 23.5 µW/cm2, bitki için 1.3 µW/cm2 ve evsel atıksu için 16 µW/cm2 olarak altın ve kobalt oksit nanopartikül içeren Polipropilen-g-Polietilenglikol esaslı EFC sisteminden 560 mV'luk hücre potansiyelinde elde edilmiştir. Günümüze kadar yapılan EFC çalışmalarında çok çeşitli polimer malzeme kullanımına ve yapılan sistem optimizasyona dayalı bu kadar geniş ölçekte bir değerlendirme yer almamıştır. Deneysel sonuçlar ışığında bu tez ile EFC'lerin yenilenebilir yakıt kaynaklarıyla etkin kullanımına ilişkin önemli bir aşama kaydedildiği söylenebilir.

This thesis is based on the idea of development of high performance enzymatic fuel cells (EFCs) which use glucose both found in wastewater and Carpobrotus Acinaciformis plant generates as a renewable fuel and converts it to electric power without using a membrane in a single compartment technically. In the thesis, enzyme glucose oxidase has been used as anodic biocatalyst, enzyme laccase or bilirubin oxidase has been used as cathodic biocatalyst. Optimum working conditions where anodic and cathodic enzymes work together have been determined since anode and cathode have been immersed in the same single compartment. All of the parameters associated with the electrode configuration have been optimized to acquire maximum power. Amphiphilic block/graft copolymers and homopolymers (polypropylene and polystyrene-polyisoprene based copolymers) have been purposively synthesized, various functional groups (-COOH, -NH2 and polyethyleneglycol) have been placed to the polymers for enzyme immobilization and various nanoparticles (gold, cobalt oxide, ferrocene, p-benzoquinone, graphene) have been soaked in the side groups of the polymers in order to get fast electron transfer on surface of the electrodes within the thesis. In addition, various polypyrrole and polythiophene based conductive copolymers have been electropolymerized and used in EFC systems by modifying them with mediators. Each of the developed EFC has been operated in Carpobrotus Acinaciformis plant and municipal wastewater after it has been tested for standard glucose solutions. The current densities and electrical power output of the high performance EFCs have been calculated. The maximum power density has been obtained for gold and cobalt nanoparticle including Polypropylene-g-Polyethyleneglycol based EFC as 23.5 µW/cm2 for 20 mM of standard glucose, 1.3 µW/cm2 for plant operation and 16 µW/cm2 for municipal wastewater at a cell potential of 560 mV. There has not been a large-scale assessment on EFC subject area yet. It can be said that, an important progress has been made with regard to effective usage of EFCs with renewable fuel sources with this thesis under the light of experimental results.