Fosfazen temelli pillar[5]kinon bileşiklerinin sentezi ve sulu çinko bataryalarda katot malzemesi olarak kullanılabilirliğinin araştırılması

Abstract

Enerji depolama sistemleri arasında lityum iyon piller yüksek enerji ve güç yoğunlukları sebebiyle yaygın olarak kullanılmasına rağmen, maliyeti, güvenirliği ve sürdürülebilirliğinin sınırlı olması nedeniyle alternatif pil sistemlerine gerek duyulmaktadır. Sulu çinko iyon piller; düşük maliyetli, uzun ömürlü, yüksek hacimsel ve gravimetrik kapasiteye sahip olmasından dolayı lityum iyon pillerinin alternatifi olarak en umut vaat eden teknolojilerden biridir. Sulu çinko pillerde çoğunlukla katot malzemeleri olarak inorganik yapılar kullanılmaktadır. Ancak bu katot malzemeler yüksek kapasite değerlerine sahip olmalarına rağmen sulu elektrolit içerisinde çözünmesi ya da yapısal bozunmaya uğramaları nedeniyle pratik uygulamaları için problem teşkil etmektedir. Bu sebeple organik elektroaktif malzemeler moleküler yapının özel olarak tasarlanabilmesi, esnekliği, hafifliği, kaynağının yenilenebilir olması ve nispeten düşük maliyetinden dolayı katot malzemesi olarak büyük bir ilgi çekmektedir. Bu tez kapsamında pillar[5]kinon bileşiği öncü olarak sentezlenmiştir. Halkalı ve düz zincirli fosfazen bileşikleri ile nükleofilik yer değiştirme yapacak şekilde fonksiyonlandırılıp karakterize edilmiştir. Ardından halkalı ve rli fosfazen temelli pillar[5]kinon türevi bileşikler sentezlenmiş ve standart spektroskopik yöntemler (FT-IR, MALDI-TOF, 1H, 31P ve 13C NMR ile aydınlatılıp, termal özellikleri diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC), termal gravimetrik analiz (TGA)) ile karakterize edilmiştir. Pillar[5]kinon ve fosfazen temelli pillar[5]kinon bileşikleri sulu çinko iyon bataryalar (aqueos zinc-ion batteries, AZIB) için katot malzemesi olarak kullanılmış ve elektrokimyasal ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Şarj-deşarj sırasında oluşabilecek yapısal değişimler (ex-situ) FT-IR ve XPS yöntemleri kullanılarak incelenmiştir. Ayrıca pillar[5]kinon ve fosfazen temelli pillar[5]kinon yapılarının optimize geometrileri, HOMO-LUMO enerji seviyeleri, olası elektrokimyasal mekanizması DFT (Density Functional Theory) yöntemi ile araştırılmıştır. Tez kapsamında yapılan çalışmalarda pillar[5]kinon bileşiğinin fonksiyonlandırılması ile inorganik-organik hibrit moleküller sentezlenmiştir. Bileşiklerin AZIB'lerde elde edilen batarya performansları potansiyel katot malzemesi olarak kullanılabilirliğini göstermiştir.Although lithium-ion batteries are widely used among energy storage systems due to their high energy and power densities, alternative battery systems are needed because of their limited cost, reliability, and sustainability. Aqueous zinc-ion batteries are one of the most promising technologies as an alternative to lithium-ion batteries due to their low cost, long lifespan, high volumetric and gravimetric capacity. In aqueous zinc batteries, inorganic structures are mostly used as cathode materials. However, although these cathode materials have high capacity values, they pose a problem for practical applications due to their dissolution or structural degradation in the aqueous electrolyte. For this reason, organic electroactive materials are attracting great interest as cathode materials due to the ability to design the molecular structure specifically, their flexibility, lightness, renewable source, and relatively low cost. In this thesis, pillar[5]quinone compound was synthesized as a precursor. It was functionalized and characterized to undergo nucleophilic substitution with cyclic and straight-chain phosphazene compounds. Subsequently, cyclic and straight-chain phosphazene-based pillar[5]quinone derivative compounds were synthesized and elucidated using standard spectroscopic methods (FT-IR, MALDI-TOF, 1H, 31P and 13C NMR, and their thermal properties were characterized by differential scanning calorimetry (DSC), thermal gravimetric analysis (TGA)). Pillar[5]quinone and phosphazene-based pillar[5]quinone compounds were used as cathode materials for aqueous zinc-ion batteries (AZIB) and their electrochemical measurements were performed. Structural changes that may occur during charge-discharge (ex-situ) were investigated using FT-IR and XPS methods. In addition, the optimized geometries, HOMO-LUMO energy levels, and possible electrochemical mechanisms of pillar[5]quinone and phosphazene-based pillar[5]quinone structures were investigated using the DFT (Density Functional Theory) method. In the studies conducted within the scope of the thesis, inorganic-organic hybrid molecules were synthesized by functionalizing the pillar[5]quinone compound. The battery performances of the compounds obtained in AZIBs showed their potential usability as cathode materials.