Esnek tüm katı hal süper kapasitörler için grafen oksit (GO) ve kitosan bazlı biyouyumlu kompozit 3d mimarilerin hazırlanması

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.