dc.contributor.advisor | Barsbay, Murat | |
dc.contributor.author | Alipoorilemeeslam, Saeideh | |
dc.date.accessioned | 2024-10-04T08:57:32Z | |
dc.date.issued | 2024-04-03 | |
dc.date.submitted | 2024-04-03 | |
dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/11655/35791 | |
dc.description.abstract | Today, an increasing number of elderly people or patients with chronic diseases need new generation flexible, implantable, and biocompatible devices to monitor their health conditions moment by moment. Although many people currently use implantable medical devices (IMDs), they require power from an external source or an internal battery. Flexible and biocompatible implantable electronic devices provide an effective strategy to monitor health conditions within the biological body and provide information flow when necessary. In this way, monitoring of patients' current health status, continuity of routine monitoring processes and emergency interventions when necessary can be carried out effectively. It is critical that the power systems of the electronic devices used for this purpose are flexible and high-performance, as well as biocompatible and implantable. Unfortunately, traditional energy sources can cause biocompatibility issues such as immunological rejection, inflammatory reactions and secondary biological toxicity due to corrosion and leakage of battery packs. Additionally, existing energy storage devices require surgical replacement every 6-10 years, posing additional risk to the user. Therefore, alternative energy storage devices that do not have such disadvantages are needed. Supercapacitors are proposed as promising candidates for powering implantable electronic devices, thanks to their high power density, long cycle life, and ability to charge-discharge quickly within seconds.
For this purpose, the aim of the current PhD thesis is to design a solid-state supercapacitor with high electrochemical performance, based on graphene oxide/chitosan (GO/CS) as electrode materials and poly(vinyl alcohol) (PVA)/potassium chloride (KCl) as gel polymer electrolyte (GPE). In this thesis, PVA a hydrophilic and biocompatible polymer, is utilized as the matrix and KCl is used as the ion generator. This thesis focuses on optimizing the key properties of the gel electrolytes, including ionic conductivity, film formation, mechanical-thermal properties, and biocompatibility. Since the ionic conductivity of an electrolyte depends on the charge carrier concentration and mobility, in the first part of this thesis, the effect of KCl amount and polymer molecular weight (Mw) on ionic conductivity of PVA/KCl/H₂O-based gel polymer electrolytes were systematically investigated for the first time. The result of characterization tests confirms the combination of PVA and KCl. Finally, by considering the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) test and mechanical-thermal properties results, GPE with Mw=195000 g mol-1 and PVA/KCl (w/w:1/2) was found to have the greatest ionic conductivity (3.48 ±0.25 mS cm-1). Even after 5000 cycles, it retained 88% of the initial specific capacitance. Our findings reveal that GPEs exhibit exceptional mechanical strength as well as unique ionic conductivity characterized by minimal interfacial resistance. Moreover, the gel electrolyte exhibited exceptional biocompatibility, evident in a cell viability test where 72.3% of cells remained unaffected after 72 h of exposure to PVA/KCl gel.
For the first time, symmetric solid-state supercapacitor based on GO/CS composite fiber was developed by wet-spinning method for different weight ratios of GO/CS. In this way, at an optimum concentration of chitosan, the supercapacitor containing RGO/CS (w/w: 90/10) showed the highest specific capacitance of 523.06± 53.57 F g-1 at scan rate of 5 mV s-1. Chitosan effectively prevents re-stacking of GO nanosheets and provides high specific surface area and high conductivity, thus leading to excellent energy storage performance. Additionally, film-based GO/CS electrodes were prepared using the solution mixing method for various GO/CS weight ratios. The supercapacitor containing RGO/CS (w/w: 90/10) showed the highest specific capacitance of 872.75± 68.35 F g-1 at scan rate of 5 mV s-1. The highest specific capacitance of the film-based supercapacitor can be attributed to variations in the material's surface area, porosity, and accessibility of active sites in the film morphology. Film generally provides a larger surface area, more active sites for electrochemical reactions, and better accessibility of electrolyte ions to the electrode surface compared to fibers, leading to higher specific capacitance. Additionally, the film structure may contribute to improved electrochemical performance by providing improved electron and ion transport within the electrode, better porous structure, and potentially flexibility. Therefore, the results of characterization and microscopic tests of GO/CS film confirm the combination of GO and chitosan. Moreover, the film composite electrode retained 87.31% of its initial capacitance even after 10,000 cycles. The symmetric solid-state supercapacitor exhibits excellent energy and power densities of 234.97 W h kg-1 and 1499.98 kW kg-1, respectively. Beyond its electrochemical benefits, the integration of CS improved biocompatibility and mechanical strength, making it a suitable candidate for implantation. In evaluating the cell viability of the RGO/CS composite, the results showed a viability rate of 76.4% after 72 hours. The recorded cell viability of 76.4% indicates that a significant proportion of cells maintained their viability and well-being after exposure to the RGO/CS electrode.
Following the optimization studies conducted on the structures of electrolyte and electrode materials, in the third stage of the thesis, a flexible solid-state supercapacitor based on RGO/CS (w/w: 90/10) and PVA/KCl gel electrolyte (Mw=195000 g mol-1, PVA/KCl (w/w:1/2)) was fabricated using PET as a flexible current collector substrate, instead of stainless-steel substrate. The specific capacitance value was found as 191.07±19.24 F g-1 at 5 mVs-1 (186.64±21.69 F g-1 at 1 A g-1), and this value was lower than that of the stainless-steel substrate. This may be due to the stable platform for uniform adhesion of the electrode material and good electricity conductor of stainless steel which is beneficial for efficient charge transfer and overall excellent durability and electrochemical performance.
Furthermore, a flexible solid-state supercapacitor based on RGO/CS (w/w: 90/10) and PVA/KCl gel electrolyte (Mw=195000 g mol-1, PVA/KCl (w/w:1/2)) was fabricated using laser 3D-printing technology on polyimide (PI) film. The interdigital RGO/CS electrodes displayed a hair comb formation and showed an outstanding adhesive properties and durability. In this stage of the thesis, the adaptability of the obtained supercapacitors to 3D printing technology was demonstrated.
These findings offer a promising route towards the fabrication of stable and high-performance biocompatible electrode material and gel polymer electrolytes that can be used in solid-state supercapacitors, thus laying the foundation for their integration into flexible, safer, and wearable bioelectronics. Developed with environmentally friendly materials, the electrode paves the way for the production of solid-state supercapacitors with advanced electrochemical and biocompatibility properties, making them suitable for integration into sustainable next-generation biomedical devices. | tr_TR |
dc.language.iso | en | tr_TR |
dc.publisher | Fen Bilimleri Enstitüsü | tr_TR |
dc.rights | info:eu-repo/semantics/openAccess | tr_TR |
dc.subject | Katı hal süper kapasitörleri | tr_TR |
dc.subject | Biyouyumluluk | tr_TR |
dc.subject | Poli(vinil alkol) | tr_TR |
dc.subject | Kitosan | tr_TR |
dc.subject | Grapehen Oksit | tr_TR |
dc.title | Esnek Tüm Katı Hal Süper Kapasitörler için Grafen Oksit (GO) ve Kitosan Bazlı Biyouyumlu Kompozit 3D Mimarilerin Hazırlanması | tr_TR |
dc.title.alternative | Preparation of Biocompatible Composite 3D Architectures Based on Graphene Oxide (GO) and Chitosan for Flexible All Solid State Supercapacitors | |
dc.type | nfo:eu-repo/semantics/doctoralThesis | tr_TR |
dc.description.ozet | Günümüzde giderek artan sayıda yaşlı insan, ya da kronik hastalar, sağlık durumlarının an ve an izlenmesi için, yeni nesil esnek, implante edilebilir, biyouyumlu cihazlara ihtiyaç duymaktadır. Pek çok kişi halihazırda implante edilebilir tıbbi cihazları (Implantable Medical Devices-IMD'ler) kullanıyor olsa da, bunların harici bir kaynaktan veya dahili bir bataryadan güç alması gerekmektedir. Vücuda yerleştirilebilir esnek ve biyouyumlu elektronik cihazlar, biyolojik vücut içindeki sağlık koşullarını an ve an ve gerekli durumlarda bilgi akışını sağlamak için etkin bir strateji sağlar. Böylece hastaların anlık sağlık durumlarının monitörizasyonu, rutin izleme süreçlerinin devamlılığı ve gerekli durumlarda acil müdahaleler etkin bir şekilde yürütülebilir. Bu amaca yönelik kullanılacak elektronik cihazların güç sistemlerinin esnek ve üstün performanslı olmalarının yanı sıra, biyouyumlu ve implante edilebilir olmaları kritik önem taşımaktadır. Ne yazık ki geleneksel enerji kaynakları, pil paketlerinin korozyonu ve sızıntısı nedeniyle immünolojik red, inflamatuar reaksiyonlar ve ikincil biyolojik toksisite gibi biyouyumluluk sorunlarına neden olabilmektedir. Ayrıca mevcut enerji depolama cihazlarının her 6-10 yılda bir ameliyat yoluyla değiştirilmesi gerekir ve bu da kullanıcı için ek risk oluşturur. Dolayısıyla bu gibi dezavantajları olmayan alternatif enerji depolama cihazlarına ihtiyaç duyulmaktadır. Süperkapasitörler, yüksek güç yoğunlukları, uzun çevrim ömrleri ve saniyeler içinde hızlı şarj-deşarj olabilmeleri sayesinde, implante edilebilir elektronik cihazlara güç vermek için umut verici adaylar olarak önerilmektedir.
Bu amaçla, mevcut doktora tezinin amacı, elektrot malzemesi olarak grafen oksit/kitosan (GO/CS) kompozit yapıları ve elektrolit olarak ise poli(vinil alkol) (PVA)/potasyum klorür (KCl) bazlı bir katı jel polimer yapısını kullanarak, yüksek elektrokimyasal performansa sahip, tam katı hal bir süperkapasitör tasarlamaktır. Bu tez çalışmasında, suda çözünebilen biyouyumlu bir polimer olan PVA matris olarak, KCl ise iyon üretici tuz olarak kullanılmıştır. Tez çalışmasının elektrolit üretim aşaması; iyonik iletkenlik, film oluşumu, termal özellikler ve biyouyumluluk da dahil olmak üzere, geliştirilen jel elektrolitlerin temel özelliklerinin optimize edilmesine odaklanmaktadır. Bir elektrolitin iyonik iletkenliği yük taşıyıcı konsantrasyonuna ve hareketliliğine bağlı olduğundan, tez çalışmasının ilk kısmında, KCl miktarının ve polimer molekül ağırlığının (Mw) PVA/KCl/H₂O bazlı jel polimer elektrolitlerin (Gel Polymer Electrolyte-GPE) iyonik iletkenliğine olan etkisi ilk kez sistematik olarak araştırıldı. Gerçekleştirilen yapısal karakterizasyonların, özellikle de elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) testi sonuçları ve termomekanik özellikler dikkate alındığında, Mw=195000 g mol-1 ve PVA/KCl (w/w:1/2) değerine sahip GPE'nin, hem uygun termal ve mekanik özelliklere hem de en yüksek iyonik iletkenliğe (3.48 ±0.25 mS cm-1) sahip olduğu bulunmuştur. Bu GPE formülasyonu, 5000 döngüden sonra bile başlangıçtaki özgül kapasitansının %88'ini korudu. Optimum jel elektrolit yapısının, 72 saatlik maruziyetten sonra hücrelerin %72.3'ünün etkilenmeden kaldığının görüldüğü hücre canlılığı test sonuçlarına göre, yüksek düzeyde biyouyumluluk sergilediği tespit edildi.
GPE geliştirilmesine yönelik çalışmalar sonrasında tezin odağı, biyouyumlu ve esnek bir elektrot malzeme geliştirilmesine yönlendirilmiştir. Bu amaçla, fiber ve film halinde iki farklı kompozit elektrot mazleme, grafen oksit (GO) ve kitosan (CS) kullanılarak optimize edilmiştir. Optimum kitosan konsantrasyonu olarak tespit edilen RGO/CS (w/w: 90/10) ağırlık oranında, fiber halinde hazırlanan kompozit elektot kullanılarak geliştirilen süperkapasitörün, 5 mV s-1 tarama hızında 523.06± 53.57 F g-1 ile en yüksek spesifik kapasitans değerini verdiği bulunmuştur. Kitosan, GO nano tabakalarının agregasyonunu etkili bir şekilde önleyerek, yüksek spesifik yüzey alanı ve yüksek iletkenlik sağlanmasında ve böylece mükemmel bir enerji depolama performansının elde edilmesinde rol almıştır. Film bazlı GO/CS elektrotları da çeşitli GO/CS ağırlık oranlarında hazırlanmış, RGO/CS (w/w: 90/10) oranındaki kompozit film elektrot ile geliştirilen süper kapasitörün, 5 mV s-1 tarama hızında 872.75± 68.35 F g-1 ile en yüksek spesifik kapasitans değerini verdiği görülmüştür. Film bazlı elektrot ile hazırlanan süper kapasitörün, fibere kıyasla daha yüksek spesifik kapasitans vermesi, malzemenin yüzey alanındaki, gözenekliliğindeki ve morfolojisindeki farklılıklara bağlı olarak aktif bölgelerin erişilebilirliğinin artmasına bağlanabilir. Filmler fibere kıyasla, genellikle daha geniş bir yüzey alanı, elektrokimyasal reaksiyonlar için daha fazla aktif bölge ve elektrolit iyonlarının elektrot yüzeyine daha kolay erişilebilirliği gibi avantajlar sağlar. Bu avantajlar ise elde edilen yüksek spesifik kapasitansın temel sebebini oluşturur. Ek olarak film yapısı, elektrot yapısında daha yüksek elektron ve iyon taşınması, daha iyi gözenekli yapı ve potansiyel olarak yüksek esneklik sunarak elektrokimyasal performansın artmasına katkıda bulunabilir. Optimum formülasyondaki (RGO/CS=90/10, w/w) film kompozit elektrot, 10,000 döngüden sonra bile başlangıç kapasitansının %87.31'ini korudu. Bu kompozit elektrot ile geliştirilen simetrik katı hal süper kapasitör, sırasıyla 234.97 W h kg−1 ve 1499.98 kW kg−1 değerlerine ulaşan mükemmel düzeyde enerji ve güç yoğunluğu sergiledi. Elde edilen bu üstün elektrokimyasal kazanımın ötesinde, kitosanın yapıdaki varlığı, biyouyumluluğu ve mekanik sağlamlığı geliştirerek, elektrot malzemeyi implantasyon için uygun bir aday haline getirmiştir. RGO/CS kompozitin biyouyumluluğunun değerlendirildiği test neticesinde, 72 saat sonunda %76.4'lük bir hücre canlılığı tespit edilmiştir. Kaydedilen bu oran, hücrelerin kayda değer bir kısmının RGO/CS elektroduna maruz kaldıktan sonra canlılıklarını koruduğunu göstermektedir.
Elektrolit ve elektrot malzemelerin yapısına yönelik yürütülen optimizasyon çalışmalarının ardından tezin üçüncü adımında, RGO/CS (w/w: 90/10) elektrot ve PVA/KCl jel elektrolit (Mw=195000 g mol-1, PVA/KCl (w/w:1/2)) bazlı esnek katı hal süper kapasitör, esnek bir akım toplayıcı alt tabaka olarak çelik yerine PET kullanılarak üretildi ve elektrokimyasal performansı incelendi. Bu tam esnek süper kapasitörün spesifik kapasitans değeri 5 mVs-1'de 191.07±19.24 F g-1 (1 A g-1'de 186.64±21.69 F g-1) olarak tespit edildi. Bu değer, paslanmaz çelik alt tabakanın kullanıldığı süper kapasitöre kıyasla daha düşüktür. Bunun nedeni paslanmaz çeliğin, elektrot malzemesinin daha düzgün bir şekilde yüzeye yapışmasını sağlayan kararlı bir platform ve verimli bir yük aktarımı için gerekli mükemmel dayanıklılık ve yüksek elektrik iletkenliği kriterlerini sağlanması olabilir.
Tezin son aşamasında, RGO/CS (w/w: 90/10) ve PVA/KCl jel elektrolit (Mw=195000 g mol-1, PVA/KCl (w/w:1/2)) bazlı esnek bir katı hal süper kapasitör, poliimid (PI) film üzerine lazer 3D baskı teknolojisi kullanılarak basıldı. Interdigital RGO/CS elektrotları, PI yüzeyde saç tarağı oluşumu sergiledi ve olağanüstü yapışma özellikleri ve dayanıklılık gösterdi. Tezin bu aşamasında, elde edilen süper kapasitörlerin 3D lazer baskılama teknolojisine uyarlanabilirlikleri gösterildi.
Tez çalışmamız, katı hal süper kapasitörlerinde kullanılabilecek kararlı, yüksek performanslı ve biyouyumlu jel polimer elektrolitlerin imalatına yönelik etkin bir yol sunmakta ve elde edilen malzemelerin esnek, daha güvenli ve giyilebilir biyo-elektroniklere entegrasyonunun temeline yönelik ışık tutmaktadır. Çevre dostu malzemelerle geliştirilen jel elektrolit ve elektrot malzemeler, üstün elektrokimyasal performansları ve biyouyumluluklarıyla katı hal süper kapasitörlerinin üretiminde alternatif bir malzeme olarak, sürdürülebilir yeni nesil biyomedikal cihazların geliştirilmesine katkıda bulunabilir. | tr_TR |
dc.contributor.department | Polimer Bilimi ve Teknoloji | tr_TR |
dc.embargo.terms | Acik erisim | tr_TR |
dc.embargo.lift | 2024-10-04T08:57:32Z | |
dc.funding | Diğer | tr_TR |