Grafen Üretiminde Ucuz ve Çevreci Yeni Bir Yöntem

Öz

Grafenin endüstriyel üretiminde kullanılan kimyasal miktarının azaltılması için yeni ekonomik, çevreci ve etkili yöntemlerin geliştirilmesi ve geliştirilen yöntemle elde edilen ürünlerin elektrokimyasal pillerde kullanılabilirliğinin araştırılması amaçlanmıştır. Levha ve çubuk grafitler bilyeli değirmende grafit kütlesinin % 25’i kadar kuru buz ve grafit kütlesinin 10 katı kadar 2-10 mm çaplı paslanmaz çelik bilyelerle 500 rpm dönme hızında 36 saat işlem yapılmıştır. Ürünler asit ile yıkanmış ve vakumlu fırında kurutulmuştur. Levhadan elde edilen ürün L, çubuktan elde edilen ürün K, karşılaştırma amacı ile Hummer yöntemiyle ön oksidasyona uğratılmış grafit oksit GO olarak etiketlendirilmiştir. Örneklerin SEM görüntüleri çekilmiş ve su (s), izopropil alkol (i) ve kloroform (k) ile çözünürlük testleri yapılmıştır. Örneklerin spesifik kapasitans değerlerinin hesaplanması amacıyla Dönüşümlü Voltametri (CV) çalışmaları yapılmıştır. SEM’de GO ile karşılaştırıldığında, kuru buzla üretilen L ve K grafit oksitlerindeki grafen plakalarının birbirinden ayrıldığı görülmüştür. Çözünürlük testinde GO’nun, su ve isopropil alkolde çöktüğü, kloroformda (GO-k) ise çökmediği, L’nin suda çöktüğü, izopropil alkol ve kloroformda çökmediği, K’nın ise su, izopropil alkol ve kloroformda çökmediği görülmüştür. CV sonuçlarına göre, kuru buz işlemiyle elde edilen örneklerin spesifik kapasitans değerleri, GO örneği ile karşılaştırıldığında 3M H2SO4 çözeltisinde K örneği için % 92 oranında arttığı, 6M KOH çözeltisinde ise L örneği için % 28 ve K örneği için % 84 oranında arttığı, görülmüştür. Bu yöntemin grafitin yüzey alanı ve kapasitansını arttırarak, enerji uygulamalarında depolayabileceği enerji miktarının artırılabileceği ve Grafitoksit üretiminde çok fazla kimyasalın gereksiz kullanımını ortadan kaldırılabileceği sonucuna varılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Grafen,Grafitoksit,Kuru buz,Dönüşümlü Voltametri

A New Cheap and Green Method of Graphene Production

Öz

 It is aimed to develop new economical, environmentally friendly and effective methods to reduce the amount of this chemical used in industrial production of graphite and to investigate the usability of the products obtained by the developed method in electrochemical batteries. Plate and bar graphite were processed with dry ice for 25 hours at 25% of the graphite mass and for 36 hours at 500 rpm rotation speed with stainless steel balls 2-10 mm diameter 10 times as large as graphite mass. The products were washed with acid and dried in a vacuum oven. Product L obtained from the plate was labeled as product K obtained from the bar, graphite oxide GO preliminarily oxidized by Hummer method for comparison purpose. SEM images were taken of the samples and solubility tests were performed with water (s), isopropyl alcohol (i) and chloroform (k). Cyclic Voltammetry (CV) studies were carried out to calculate the specific capacitance values of the samples. Compared with GO in SEM, graphite plates in the L and K graphite oxides produced by dry ice were separated from each other. In the solubility test, it was observed that GO precipitated in water and isopropyl alcohol, did not precipitate in chloroform (GO-k), precipitated in water, did not precipitate in isopropyl alcohol and chloroform, and did not precipitate in water, isopropyl alcohol and chloroform. According to the CV results, the specific capacitance values of the samples obtained by the dry ice process increased by 92% for the K sample in the 3M H2SO4 solution and 28% for the L sample and 84% for the K sample in the 6M KOH solution, respectively, as compared to the GO sample. By increasing the surface area and the capacity of the graphite, this method can increase the amount of energy that can be stored in energy applications and the unnecessary use of many chemicals in graphite oxide production can be removed.

Anahtar Kelimeler

• Graphene,Graphite oxide,Dry Ice,Cyclic Voltammetry

Kaynakça

1. Akbudak S., 2012. “Grafen”. Nanobülten, Aylık Nanoteknoloji ve Nanotıp Bilim Dergisi, 5-10 s. Aralık.
2. Alvarez, S., Blanco-Lopez, M.C., Mıranda-Ordıeres, A.J., Fuertes, A.B., Centeno, T.A. 2004. “Electrochemical capacitor performance of mesoporous carbons obtained by templating technique”. Carbon, 43: 855–894.
3. Andrea F., Young Philip Kim., 2009. “Quantum interference and Klein tunnelling in graphene heterojunctions”. Nature Physics 5: 222.
4. Arseven M., 2010. “Nanokarbon ve Formları”. Hacettepe Üniversitesi, İleri Malzemeler Araştırma Grubu Nanoteknoloji&Nanotıp Anabilim Dalı. Ankara
5. Bedeloğle, A., Taş, M., 2016. “Grafen ve Grafen Üretim Yöntemleri”. AKU J. Sci. Eng. 16. 031203 (544-554).
6. Biçer, E., 2012. “Lityum İyon Pillerde Yeni Organik Polimerler”. Ankara Üniv. Fen Bil. Enst. Doktora Tezi, Ankara 178 s.
7. Botas C., Lvarez P.A., Blanco P., Granda M., Blanco C., Santamarı R.A., Romasanta L.J., Verdejo R., Lo´Pez-Manchado M.A., Menendez R., 2013. “Graphene Materials With Different Structures Prepared From The Same Graphite By The Hummers And Brodie Methods”. Carbon 65, 156 –164.
8. Chen J., Yao B., Li C., Shi G., 2013. “An Improved Hummers Method For Eco- Friendly Synthesis of Graphene Oxide”. Carbon 64, 225–229.

9. Erbatur O., 2012. “Ultrasonik Etkileşim ve Süperkritik Çözgenler Aracılığı ile Grafen Üretimi ve Grafen-İletken Polimer Kompozitleri Geliştirilmesi”. Çukurova Üniversitesi Fen Ed. Fakültesi Kimya Bölümü Adana.
10. Ersoy M.S., Dönmez U., Yildiz K., Salan T., Yazici M., Tiyek İ., Alma M.H., 2015. “Graphene Applied Textile Materials For Wearable E-Textiles”. 5th International Istanbul Textile Congress: Innovative Technologies “Inspire To Innovate”, Book of Proceedings, pp.82-86, 11th -12th September, IstanbulTechnical University, Istanbul, Turkey.
11. http://bilimania.com/component/content/ar ticle/35-bilisimteknolojileri/ 3225-yeni-pil-teknolojisi, 17.11.2018
12. http://kimyaca.com/kuru-buz/, 17.11.2017
13. Hummers W. S., Offeman R. E. 1958. “Preparation of graphitic oxide” J. Am Chem Soc, (80):1339-1339. In-Yup
14. J., Yeon-Ran S., Gyung-Joo S., Hyun-Jung C., Seo-Yoon B., Javeed M., Sun-Min J., Jeong-Min S., Min-Jung K., Dong Wook C., Liming D., Jong-Beom B. 2012. “Edge-carboxylated graphene nanosheets via ball milling”, PNAS, (109):5588-5593.
15. Kozal, B., 2012. “Karbon Tabanlı Petek Örgülerin Elektronik Özellikleri”. Ankara Üniv. Fen Bil. Enst. Doktora Tezi. 119 s. Ankara
16. Marcano D. C., Kosynkin D. V., Berlin J. M., Sinitskii A., Sun Z., Slesarev A., Alemany L. B., Lu W., Tour J. M., 2010. “Improved Synthesis of Graphene Oxide”. Amercan Chemical Society ACSNANO, Vol.4 No.8.
17. Neto A. H., Guinea, F., Peres, N. M. R., 2006. “Drawing conclusions from graphene”. Phys. World 19, 33.
18. Novoselov, K. S. et al. 2005. “Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene”. Nature 438 (7065): 197–200. doi:10.1038/nature04233. PMID 16281030.
19. Novoselov, K. S., Geim, A. K., Morozov, S. V., Yiang, D. Zhang. Y., Dubonos S. V., Grigorieva, I. V., Firsov, A. A., 2004. “Nomenclature and terminology of graphite intercalation compounds”. Science 306: 666. Park S., Ruoff R., 2009. “Chemical Methods For The Production of Graphene”, Nature Nanotechnology, 4, 217-224.
20. Sengupta R., Bhattacharya M., Bandyopadhyay S., Bhowmick A.K., 2011. “A Review On The Mechanical And Electrical Properties of Graphite And Modified Graphite Reinforced Polymer Composites”, Prog. Polym. Sci. 36, 638–670.
21. Song J., Wang X., Chang C.T., 2014, “Preparation and Characterization of Graphene Oxide”, Hindawi-Journal of Nanomaterials, Vol. 2014, Artical ID 276143, 6 p.
22. Tiyek, İ, Yazıcı, M., Alma, M., H., Dönmez, U., Yıldırım, B., Salan, T., Uruş, S., Karataş, Ş., Karteri, İ., 2016. “Nanolif Yapılı Poli (Akrilonitril-Vinil Asetat)/ Grafen Oksit Yapıların Karakterizasyonu”. Journal of Textiles and Engineer. Cilt (Vol) : 23, Sayı (No) : 102 (82-92)
23. Topçu A. A., 2012. “A Green Pathway For The Production of Chemically Exfoliated Graphene Sheets With The Assistance of Microwave Irradiation”. Master of Science, Koç University.
24. Varol G.A., Hür E., 2012. “Elektrokimyasal Yolla Karbon Malzeme Üzerinde Biriktirilen Politiyofen, Poli(3-metiltiyofen) ve Poli(3,4 etilendioksitiyofen) Filmlerinin Süperkapasitör Aktif Materyali Olarak Kullanımlarının Araştırılması”. IV. Ulusal Polimer Bilim Ve Teknoloji Kongresi 5-8 Eylül. Çanakkale.
25. Zhang, Y., Tan, Y. W., Stormer, H. L., Kim, P., 2005. “Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry’s phase in graphene”. Nature 438: 201– 204. doi:10.1038/nature04235.