Nano-nio kompozit polimer filmlerin hazırlanması ve iyonik iletkenlik özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Kompozit polimer filmlerin morfolojik ve iyonik iletkenlik özelliklerini geliştirmek için en iyi yollardan biri polimere Al2O3, SiO2, TiO2, ZrO2, NiO gibi anorganik dolgu maddelerinin eklenmesidir. Anorganik dolgu maddelerinin polimere eklenmesi, katı polimer elektrolitlerin iletkenliğini arttırır. Tez çalışmasının ilk aşamasında, NiCl2 ve NaHCO3 anorganik başlangıç malzemeleri kullanılarak iki aşamalı kimyasal yöntem ile nano yapılı NiO malzemeleri sentezlendi. Kalsinasyon sıcaklığının elde edilen son nanopartiküllerin özelliklerine etkisini incelemek için, nanopartiküllerin sentezi 400 °C ve 600 °C sıcaklıklarında gerçekleştirildi. Nanopartiküllerin kristal doğası, mikroyapısı, morfolojisi ve spesifik yüzey alanını karakterize etmek için XRD, FTIR, Raman, SEM, TEM ve N2 absorpsiyon-desorpsiyon izotermleri kullanıldı. Optik özellikleri UV-GB kullanılarak analiz edildi. XRD analizleri hazırlanan nanopartiküllerin kübik NiO'lerden oluştuğunu gösterdi. Tez çalışmasının ikinci aşaması, ev sahibi polimer olarak kullanılabilecek ROMP polimerlerin sentezi ile ilgilidir. Ekzo-N-fenil-7-oksanorbornen-5,6-dikarboksimid (ekzo-PhONDI) ve yeni ekzo-N-benzil-7-oksanorbornen-5,6-dikarboksimid (ekzo-PhCH2ONDI) monomerleri Diels-Alder reaksiyonları ile sentezlendi. Polinorbornen türevleri 1.nesil rutenyum alkiliden başlatıcısı, [(PCy3)2Cl2Ru=CHPh], kullanılarak halka açılımı metatez polimerizasyon yöntemi ile elde edildi. Polinorbornen türevlerinin yapısal özellikleri NMR, FTIR, DSC, TGA ve GPC ile analiz edildi. Ekzo-PPhONDI ve ekzo-PPhCH2ONDI polimerlerinin Tg değerleri sırasıyla 211.56 °C ve 168.34 °C olarak gözlendi. Tezin son bölümünde PPhONDI-LiClO4-NiO ve PPhCH2ONDI-LiClO4-NiO sistemlerine dayalı nanokompozit katı polimer filmleri hazırlandı ve farklı miktarlarda nano-NiO dolgu maddesinin film özellikleri üzerine etkisi incelendi. Kompozit polimer filmler çözelti döküm tekniği ile hazırlandı. NiO nanopartikül miktarı ağırlıkça %1 ile 15 arasında değiştirildi. PPhONDI polimerine dayalı katı nanokompozit polimer filmlerde en yüksek iletkenlik ağırlıkça %8 oranında NiO dolgu maddesi ve %10 LiClO4 doplama malzemesi bileşimi ile elde edildi. Hazırlanan filmler XRD, FTIR, DSC ve TGA ile karakterize edildi.Kompozit polimer elektrolit filmlerin morfolojisi SEM ile incelendi. SEM sonuçları dolgu maddesinin polimer matriks içinde homojen olarak dağıldığını gösterdi.

One of the most promising ways to improve the morphological and ionic conductivity properties of composite polymer films is addition of inorganic fillers such as, Al2O3, SiO2, TiO2, ZrO2, NiO. The addition of inorganic fillers into polymers improves the conductivity of solid polymer electrolytes. In the first part of the thesis, nanostructured NiO materials were synthesized by the two steps chemical method using NiCl2 and NaHCO3 as inorganic precursors. The synthesis of nanoparticles was carried out at 400 °C and 600 °C to examine the effect of the calcination temperature on the quality of the obtained final nanoparticles. XRD, FTIR, Raman, SEM, TEM and N2 adsorption-desorption isotherms were used to characterize the crystalline nature, microstructure, morphology and specific surface area of the nanoparticles. The optical properties were analyzed using UV-Vis. The XRD analysis shows that the prepared nanoparticles has composed of cubic NiO. The second part of the thesis is concerned with the synthesis of ROMP polymers for using as the host polymer. Exo-N-phenyl-7-oxanorbornene-5,6-dicarboximide (exo-PhONDI) and new exo-N-benzyl-7-oxanorbornene-5,6-dicarboximide (exo-PhCH2ONDI) monomers were synthesized by the Diels–Alder reactions. Polynorbornene derivatives were obtained via ring opening metathesis polymerization using first-generation ruthenium alkylidene initiator, [(PCy3)2Cl2Ru=CHPh]. The structural properties of the polynorbornene derivatives were analyzed by NMR, FTIR, DSC, TGA and GPC. Tgs for polymer exo-PPhONDI and exo-PPhCH2ONDI were observed at 211.56 °C and 168.34 °C, respectively. In the final part of the thesis, nanocomposite solid polymer films based on PPhONDI-LiClO4-NiO and PPhCH2ONDI-LiClO4-NiO systems have been prepared and the effect of inorganic nano-NiO filler with different amounts on the film properties has been examined. Composite polymer films were prepared via the solution-casting technique. The amount of nanoparticle was varied from 1 to 15 wt.% of NiO. The solid nanocomposite polymer films based on PPhONDI polymer with highest conductivity was achieved for the composition with 8 wt.% of nano-NiO filler and 10 wt.% of LiClO4 dopant. The prepared films were characterized using XRD, FTIR, DSC and TGA. Morphology of the composite polymer electrolyte films was examined by SEM. The SEM results showed that the filler was homogeneously distributed in the polymer matrix.