Polianilin Temelli Elektrokromik Polimer Kompozitlerinin Sentezi

Bu yazı, Fatih Ekrem Gülce ile birlikte yürüttüğüm, TÜBİTAK'ta Bronz Madalya kazanan ve Intel ISEF'te Türkiye'yi temsil etme fırsatı bulduğum lise dönemi araştırma projemin bilimsel özeti. Proje, Ege Üniversitesi Fen Fakültesi Kimya Bölümü'nden Doç. Dr. Zekerya Dursun danışmanlığında, danışman öğretmenimiz Mustafa Erkan'ın desteğiyle yürütüldü. Amacım hem projenin arkasındaki kimyayı anlaşılır şekilde anlatmak hem de benzer bir yarışma projesi düşünen öğrencilere gerçek verilerle bir yol haritası bırakmak.

Neden Polianilin?

Polianilin (PANİ), iletken polimerler ailesinin en "erişilebilir" üyelerinden biri. Sebebi basit: monomeri (anilin) ucuz, sentezi oda sıcaklığında ve nispeten basit bir laboratuvar kurulumuyla yapılabiliyor, üstelik hem elektriksel iletkenlik hem de elektrokromizm gösteriyor — yani üzerine uygulanan potansiyele bağlı olarak renk değiştiriyor.

PANİ'nin oksidasyon durumuna göre üç temel formu var:

• Lökoemeraldin (tam indirgenmiş)
• Emeraldin (yarı oksitlenmiş, iletken tuz formu)
• Pernigranilin (tam oksitlenmiş)

Bu geçişler geri döndürülebilir olduğu için PANİ, düşük maliyetli elektrokromik cihazlar (akıllı cam, düşük güçlü gösterge panelleri, renk değiştiren sensörler) için cazip bir aday. Ama saf PANİ'nin bir sorunu var: optik zıtlığı (renk değişiminin göze çarpma derecesi) sınırlı, ve düşük redoks kararlılığı katı hal elektrokromik camlarda ticarileşmesini zorlaştırıyor.

Projenin Sorusu: PANİ'nin Performansını Nasıl Artırırız?

Literatür taramasında, anilin ile o-fenilendiaminin (OPD) Cu(NO₃)₂ ve AgNO₃ gibi metal tuzları varlığında elektrokimyasal kopolimerleşmesini ve bu kompozitlerin elektrokromik özelliklerini birlikte inceleyen bir çalışmaya rastlamadık — bu bizim projenin özgün katkı noktası oldu. İki strateji izledik:

1. Kopolimerizasyon — anilini ikinci bir monomerle (o-fenilendiamin, OPD) birlikte polimerleştirerek PANİ-ko-POPD kopolimeri elde etmek.
2. Kompozit oluşturma — polimerizasyon ortamına Cu(NO₃)₂ veya AgNO₃ gibi metal tuzları ekleyerek, büyüyen polimer filmine metal parçacıkların gömülmesini sağlamak.

Sentez Yöntemi: Elektrokimyasal Polimerizasyon

Projede kimyasal değil, elektrokimyasal (döngüsel voltametri ile) polimerizasyon yolunu izledik — çünkü film kalınlığı döngü sayısıyla doğrudan kontrol edilebiliyor ve elektrokromik cihaz prototipi için bu çok daha uygun.

1. Üç elektrotlu hücre — çalışma elektrodu olarak ITO (indiyum kalay oksit) kaplı cam, karşıt elektrot olarak Pt tel, referans elektrot olarak Ag tel kullandık.
2. Elektrolit — 0,50 M H₂SO₄ çözeltisi; asidik ortam hem anilinin çözünmesi hem de PANİ'nin iletken "emeraldin tuzu" formunda kalması için gerekli.
3. Monomer derişimleri — anilin 40,0 mM sabit tutulup, OPD derişimi 1-8 mM arasında taranarak en uygun oranın 40 mM anilin : 5 mM OPD olduğu belirlendi (bu oranda kopolimerin redoks pikleri, PANİ ve POPD'nin piklerinin tam ortasına düşüyor — yani gerçek bir kopolimer oluştuğunun kanıtı).
4. Gerilim programı — -0,4 V ile +1,2 V arasında, 50 mV/s tarama hızında, 40 döngü sürekli gerilim taraması (döngü sayısı 10/30/40/50 karşılaştırılarak belirlendi; 40 ve 50 döngüde akım neredeyse aynı kaldığı için 40'ta karar kılındı).
5. Metal tuzu kompozitleri — aynı koşullarda, çözeltiye 0,01 mM Cu(NO₃)₂ veya AgNO₃ eklenerek polimerizasyon tekrarlandı.

Karakterizasyon: Neyi, Nasıl Ölçtük?

Bir sentez projesinin jüri karşısında güçlü durabilmesi için "ürettik" demek yetmiyor, ürettiğini kanıtlamak gerekiyor. Kullandığımız yöntemler:

• Döngüsel voltametri (CV) — kopolimerleşmenin gerçekten olup olmadığının (pik potansiyellerinin kayması üzerinden) ve polimerizasyon hızının izlenmesi.
• Çift potansiyel basamaklı kronoamperometri + eş zamanlı UV-Vis absorpsiyon ölçümü — 0,5 V ile -0,5 V arasında 30 saniyelik adımlarla, filmin optik zıtlığını (ΔA) ve renk değişim hızını belirledik.
• Kolorimetri (CIE L, a, b) — rengi "sarımsı yeşil" gibi öznel ifadelerle değil, sayısal koordinatlarla ölçtük.
• SEM (taramalı elektron mikroskopisi) — İYTE Malzeme Araştırma Merkezi'nde, filmlerin yüzey morfolojisini görüntüledik.
• AFM (atomik kuvvet mikroskopisi) — Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü'nde, nanometre ölçeğinde yüzey topografyasını inceledik.

Sonuçlar: Optik Zıtlık 0,08'den 1,0'a

En somut bulgumuz, 0,5 V ile -0,5 V arasındaki potansiyel değişiminde ölçülen optik zıtlık (ΔA) değerleriydi. Sayılar kendi adına konuşuyor:

Yapı	Optik zıtlık (ΔA)
Saf PANİ	0,08
Saf POPD	0,18
PANİ-ko-POPD (kopolimer)	0,25
PANİ-Cu(NO₃)₂ kompoziti	0,42
POPD-Cu(NO₃)₂ kompoziti	0,30
PANİ-AgNO₃ kompoziti	0,60
PANİ-POPD-Cu(NO₃)₂ kompoziti	0,50
PANİ-POPD-AgNO₃ kompoziti	1,0

Yani en iyi kombinasyon (kopolimer + AgNO₃), saf PANİ'ye kıyasla optik zıtlığı yaklaşık 12,5 kat artırdı. Tüm örneklerde renk değişimi 30 saniye içinde kararlı hale geliyordu — pratik bir elektrokromik cihaz için makul bir tepki süresi.

SEM görüntüleri bu sonucu doğrular nitelikteydi: saf PANİ süngerimsi/gözenekli bir yapı gösterirken, POPD çok daha ince ve gözeneksizdi; kopolimer filmi ise ikisinin basit bir karışımı değil, tamamen farklı bir morfolojiye sahipti. Metal tuzu içeren örneklerde ise AFM ve SEM'de polimer matrisine gömülmüş metal parçacıkları net biçimde görülüyordu — yani gerçekten bir kompozit oluşmuştu, sadece polimer + tuz karışımı değil.

TÜBİTAK'tan Intel ISEF'e

Proje TÜBİTAK'ta Bronz Madalya aldı ve ardından Intel ISEF'te (Uluslararası Bilim ve Mühendislik Fuarı) Türkiye'yi temsil etme fırsatı verdi. Bu süreç bana gösterdi ki jüri karşısında en çok değer gören şey "ne kadar karmaşık bir kompozit ürettiğin" değil, neden o kompozit ortağını seçtiğin, hangi değişkeni neden kontrol ettiğin ve sonucu nasıl doğruladığın üzerine kurabildiğin net bir anlatı. Bu deneyimi ve yarışma sürecine dair pratik tavsiyeleri ayrı bir yazıda daha detaylı anlattım.

Sonuç

Polianilin temelli elektrokromik kompozitler, düşük maliyetli malzeme biliminin akademik araştırmayla lise seviyesinde nasıl buluşabileceğinin güzel bir örneği. Ucuz bir monomer, standart bir laboratuvar elektrokimyası kurulumu ve doğru karakterizasyon disipliniyle, literatürde daha önce test edilmemiş bir kombinasyon (anilin-OPD kopolimeri + metal tuzu kompoziti) optik zıtlığı bir düzine kata yakın artırabiliyor. Bizim için de öyle oldu.