Synthesis of graphene aerogel and its applications

İyi tanımlanmış, birbirine bağlı gözenekli ağlara sahip, üç boyutlu (3D) grafen bazlı aerojeller, dünyadaki en hafif malzemelerden biridir. Geniş yüzey alanı, kontrol edilebilir gözenekli yapı ve işlevselleştirilebilir yüzey alanları içeren mükemmel özellikleri sayesinde, sadece elektronik iletim kapasitesine değil, aynı zamanda birbirine bağlı ağların benzersiz özelliklerine de sahiptirler ve farklı malzemelere gömülebilirler. Ek olarak, grafen aerojeller (GA'lar) düşük yoğunluk, düşük termal iletkenlik, yüksek adsorpsiyon kapasitesi, yüksek mekanik mukavemet ve elektrik iletkenliği gibi büyüleyici özelliklere sahiptir. Bu özellikleri nedeniyle çeşitli araştırma alanlarının dikkatini çekmektedirler. Şimdiye kadar, performans ve yapı bakımından farklılık gösteren GA'ları üretmek için birçok sentez yöntemi kullanılmıştır. Bu tez, modifiye Hummer metoduna dayanan grafen oksit (GO) çözeltilerinin tek aşamalı hidrotermal muamelesi ve uygulamaları için üretilen bu GA'lara dayanan farklı gerinim sensörlerinin üretilmesi yoluyla grafen aerojel sentezine ayrılmıştır. Bu amaçla, süperkritik CO2 (scCO2) kurutma desteği ile yüksek yüzey alanı olan GA'ları (~ 700 m2/g) üretmek için öncü olarak GO ve indirgenmiş grafen oksit (rGO) çözeltileri sentezlenmiştir. Elde edilen GA'lar, gerinim sensörlerinin uygulamaları için GA tabanlı hibrid malzemeleri oluşturmak için kullanılmıştır. Gerinim sensörleri yapısal sağlık izleme uygulamaları ve akıllı yönetim için ilgi çeken bir materyaldir. Özellikle esnek piezotronik gerinim sensörlerinin yüksek hassasiyetleri ve hızlı tepki süreleri bu uygulamalar için onları ideal birer aday yapar. Bu alanda nanoyapılı tasarımları oluşturmak çok zorlayıcı bir hal alması nedeniyle araştırmaların ilgisini çekmektedir. Bu nedenle, birçok farklı piezoelektrik malzeme için çeşitli tasarımlar olmuştur, ancak bu malzemeler arasında birçok uygulama, biyouyumluluk ve optik özellikler gibi benzersiz avantajları nedeniyle ZnO nanomalzemelerini kullanmaktadır. Bununla birlikte, bu nanoteller, elektronik olarak ZnO içeren ve esnek bir harekete izin veren uyumlu bir ana malzeme gerektirir. Bu ihtiyaç ile ilgili olarak, ZnO nanoteller esnek gerinim sensörleri oluşturmak için sürekli olarak çeşitli malzemelere gömülüdürler. Bu tezde, GA'lar, ZnO piezoelektrik özelliklerinin her koşulda muhafaza edilebileceği mükemmel alıcı substrat özellikleri sağladığından, sentezlenen GA substratlarına gömülü ZnO nanotellerine dayanan esnek piezotronik gerinim sensörü üretmek için bir teknik geliştirilmiştir. Ayrıca, bu tanımlanmış gerinim sensörü, sentezlenen grafen aerojel substratı üzerinde kimyasal buhar birikimi yöntemi ile büyütülmüş ZnO nanotel filmi ile elde edilmiştir. Gerinim algılamanın, hem statik hem de dinamik yüklemenin, GA'ların, dikkate değer özelliklerinden ötürü ev sahibi materyal olarak umut verici adaylar olduklarını gösterdikleri bulunmuştur. Ek olarak, sensörün IV karakteristiği, hem statik hem de dinamik yükler altında arzu edilen piezotronik özellikler, Schottky bariyer yüksekliğinde piezo potansiyel modüle edilmiş değişiklikler nedeniyle yüksek hassasiyet gösterir. Herhangi bir ZnO / Karbon bazlı gerinim sensörü için gerinim faktöründen (GF) neredeyse % 50 daha yüksek olan 120' ye kadar yüksek bir GF göstermektedir. Ayrıca, nanoteller, karbon nanotüpler ve iki boyutlu (2D) malzemeler de dahil olmak üzere nanomalzemelerin kullanılmasıyla giyilebilir cihazlar geliştirmek için çok çaba sarf edilmektedir. Özellikle grafen, mükemmel elektriksel ve mekanik özellikleri sayesinde giyilebilir uygulamalar için kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Bu konuda odak, iletken köpük ve nano kağıtlar gibi üç boyutlu grafen tabanlı sensör mimarileri üzerindedir. Bununla birlikte, tüm geometriler hala konformal entegrasyon ve hassasiyet ile ilgili bazı engellerle karşılaşmaktadır. Bu nedenle, bu tezde, istemsiz insan hareketinden bilgiyi etkili bir şekilde çıkaracak GA tabanlı gerinim sensörleri oluşturmanın yeni yöntemi gösterilmektedir. GA'lar, üç boyutlu hibrid çerçeveler üretmek için karbon nanotüplerle (CNT'ler) benzersiz bir şekilde güçlendirilmiştir. Bunlar, iletken yolların genellikle yüksek gerilme veya stres koşulları altında tutulduğu gerilebilir özellikler sağlamaktadırlar. İletken yolların korunması, güvenilir bilgi sağlamak için son derece önemlidir ve bu da gerinim sensörü tasarımları için zorlu problemlerden biridir. Bununla birlikte, GA ve CNTs karışımı, güvenilir veri toplama için mükemmel bir çerçeve sağlar ve malzeme işlevselleştirme özellikleri, hassas sensörler sağlamak için mükemmel bir fırsat sunmaktadır. Bu çalışma sırasında, CNT'lerle yeniden yapılanma ve basit, düşük maliyetli ve ölçeklenebilir olan dispersiyon tekniği ile oldukça işlevselleştirilmiş üretilmiş GA'dan bir gerinim sensörü hazırlanmıştır.