Synthesis, Characterization, And Thermal Conductivity Properties of Graphene Oxide Doped Chromium-Titanium Oxide Structures

Abstract

This study investigates synthesis and characterization of graphene oxide (GO) undoped and doped chromium-titanium oxide structures, along with their thermal conductivity properties in detail. The importance of low or high thermal conductivity varies depending on the intended application, and it is known that thermal conductivity, which determines which determines a material's ability to conduct heat, plays a crucial role in energy, electronics, and thermoelectric applications. Materials with low thermal conductivity are widely used in various industrial fields due to their effective heat insulation capabilities. For experimental studies, GO-undoped(T1), 1%-GO-doped(T2), and 3%-GO-doped(T3) samples were produced via the sol-gel method, followed by calcination, pelletization, and sintering processes. Characterization of these pellets was performed using X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), and Fourier Transform-Infrared Spectroscopy (FTIR). Thermal conductivity was measured using Physical Properties Measurement System (PPMS). No structural or peak changes were detected in the XRD and FTIR results, but differences in peak intensities were observed. SEM images revealed reductions in structural dimensions with GO doping, which corresponded to changes in thermal conductivity data. The thermal conductivity values of the T1, T2, and T3 samples were measured as 6.49, 3.45, and 1.50 W/K·m, respectively. These findings indicate that GO-doping reduces thermal conductivity and that differences in the material structure are significant. Additionally, it was observed that reducing the structure to the nanoscale also led to a decrease in thermal conductivity. These materials could play an important role in developing next-generation material designs.

Bu çalışmada, grafen oksit katkılı ve katkısız krom titanyum oksit yapılarının sentez ve karakterizasyonları ile birlikte termal iletkenlik özellikleri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Termal iletkenlik değerlerinin düşük veya yüksek olması hedeflenen malzeme türüne göre önem arz etmekte ve malzemelerin ısıyı iletme yeteneğini belirleyen termal iletkenliğin enerji, elektronik ve termoelektrik uygulamalarda önemli rol oynadığı bilinmektedir. Düşük termal iletkenliğe sahip malzemeler, ısıyı etkin bir şekilde izole edebilme yetenekleri sayesinde çeşitli endüstriyel alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Deneysel çalışmalar sonucunda, GO- undoped (T1), 1% GO-doped (T2) ve 3% GO-doped (T3) örnekleri sol-jel yöntemi ile üretilmiş olup örneklerin ilk olarak kalsinasyonu ardından peletleme sonrası sinterleme işlemi yapılmıştır. Bu sinterlenen peletlerin karakterizasyonu X-ışınları Kırınımı (XRD), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopi (FTIR) ile yapılmıştır. Termal iletkenlik ölçümleri ise Fiziksel Özellikler Ölçüm Sistemi (PPMS) ile yapılmıştır. Karakterizasyonlarda XRD ve FTIR sonuçlarında herhangi yapı ve pik değişikliği saptanmamış, ancak pik şiddetlerinde farklılıklar görülmüştür. SEM görüntülerinde GO katkılaması ile yapı boyutlarında azalmalar meydana geldiği anlaşılmış ve termal iletkenlik verilerindeki değişimle bu durum açıklanmıştır. T1, T2, ve T3 örneklerinin termal iletkenlik değerleri sırasıyla 6.49, 3.45 ve 1.50 W/K·m olarak ölçülmüştür. Bu bulgular, grafen oksit katkısının termal iletkenliği azalttığını ve malzeme yapısındaki değişikliklerin bu süreçte etkili olduğunu göstermektedir. Ayrıca yapının nanoboyuta indirgenmesiyle termal iletkenlik verilerinin de düştüğü gözlemlenmiştir. Enerji verimliliğini artırma potansiyeli açısından bu malzemelerin yeni nesil malzeme tasarımlarının geliştirilmesinde önemli rol oynayabilecektir.