Deniz Suyu Bataryaları: Yeni Nesil Nanoparçacıklar Ile Desteklenmiş Entegre Nanojeneratör-Kapasitif Deiyonizasyon-Süperkapasitör Sistemlerinin Geliştirilmesi

Proje Özeti

Küresel ısınmanın ve dolayısıyla iklim değişikliğinin yol açtığı ve önümüzdeki yıllarda daha da şiddetleneceği düşünülen kuraklık, insanların temiz su kaynaklarına ulaşmasını imkânsız hale getirecektir. Günümüzde dahi milyarlarca insan temiz su kaynaklarına ulaşamamaktadır. Ülkemiz kuraklıktan en çok etkilenecek bölgelerden biridir. Bu yüzden su kaynaklarımızı artırmamız çok ciddi önem arz etmektedir. Ülkemizin deniz suyuna ulaşımının kolay olması neticesinde, tuzlu suyu, kullanılabilir veya içilebilir su haline getirmek kullanılabilecek en pratik çözümlerden biridir. Enerji sarfiyatının az olmasından dolayı kapasitif deiyonizasyon (CDI) yöntemi bu proje önerisi için seçilmiştir. Bu sistemin çalışması için gerekli olan yaklaşık 1,2-2 V’luk akım metal-organik kafes yapılarıyla elde edilecek dikey temas-ayrılma prensibine göre çalışan nanojeneratörler yardımıyla sağlanacaktır. Hazırlanacak olan akışlı kapasitif deiyonizasyon (FCDI) hücreleri ile süperkapasitör hücreleri analog yapılardır. Bu sebeple 2 adet FCDI hücresi hazırlanacak, bir hücre tuz giderme işlemi yaparken (şarj hücresi) diğer hücre de enerji geri kazanımı (deşarj hücresi) olarak görev yapacaktır. İki hücre arasına bir DC-DC dönüştürücü koyularak birbirine bağlanacaktır. Bu şekilde iyon deşarjından enerji sağlanacaktır. Bu proje önerisinin maksimum enerji verimliliği ile çalışması planlanmaktadır. FCDI hücrelerinin elektrotları için iletkenlik özelliğine sahip MOF’lar üretilecektir. Bu MOF’lar tetrathiafulvalene ve triazollerden oluşacaktır. Ayrıca bu MOF’lardan MOF-üzeri-MOF yapıları da hazırlanacaktır. Yüksek yüzey alanı, gözenekli yapıların çeşitliliği gibi iki veya daha fazla MOF'un entegrasyonundan elde edilen ayırt edici yapısal özellikler, onlara adsorpsiyon/ayırma, heterojen kataliz ve sensör alanlarında umut verici uygulama potansiyelleri kazandırmıştır. Ayrıca, MOF-üzeri-MOF'tan türetilmiş işlevsel malzemeler, elektrokataliz, süper kapasitörler ve Li-ion piller dahil olmak üzere enerji ile ilgili uygulamalarda da mükemmel performans gösterir. Henüz CDI metodu ile tuz gideriminde kullanılmamışlardır. MOF’lar ve MOF-üzeri-MOF’lar solvotermal yöntemle üretilecektir. MOF-MOF çekirdek-kabuk yapıları epitaksiyel büyüme metodu ile hazırlanacaktır. Bu malzemelerin dışında MXene’ler de elektrot malzemesi olarak üretilecektir. V₂C, Nb₄C₃ ve Ti₃C₂ MXene’leri öğütme, yüksek sıcaklıkta piroliz ve aşındırma metotları sırasıyla kullanılarak sentezlenecektir. Sodyum süper iyonik iletken (NASICON) yapıları MOF ve MXene’lerden türetilecektir. Bunu için sodyum fosfat ve fosforik asitle beraber solvotermal metot uygulanacak ve daha sonra piroliz edilerek elde edileceklerdir. MOF ve MXene’lerden türetilmiş NASICON yapılar da henüz FCDI çalışmalarında kullanılmamıştır. Bu malzemelerin üretilmesinde kullanılacak olan MOF ve MXene’ler düzgün yapılı kristallerdir. NASICON üretiminde kalıp olarak kullanılmaları elde edilecek nanomalzemenin düzgün dizilimli olmasını sağlayacak ve elektrik iletkenliğini artırmada yardımcı olacaktır. Ayrıca her iki malzemede geniş yüzey alanına sahip olduğu için NASICON’larında yüzey alanlarının geniş olacağı öngörülmüştür. MOF’lar yüksek yüzey alanları sayesinde sodyum elektrosorpsiyonunda başarılı sonuçlar elde edilmesini sağlayacaktır. MXene’ler hem elektrik iletkenliğine sahip olması hem de tabakaları sayesinde sodyum elektrosorpsiyonuna elverişlidir. NASICON’lar ise sodyum pillerinde kullanıldıkları için CDI çalışmalarında da başarılı sonuçlar verecekleri düşünülmektedir.

Nanojeneratörler için de başarılı sonuç elde edilmiş olan tetrafluorotereftalik asit organik bağlayıcısı kullanılarak farklı metallerle MOF’lar elde edilecektir. Dikey tüp şeklinde içerisinde ileri-geri yönde hareket eden her iki ucunda da MOF’lardan elde edilmiş elektrotlar bulunan ve deniz dalgası sayesinde hareket ederek temas-ayrılma moduna göre elektrik üretecek şekilde hazırlanacaktır. Bu cihazlar önce hazırlanıp denenecek daha sonra FCDI sistemine bağlanacaktır.

Elektrokimyasal çalışmalar için farklı tuz konsantrasyonları (1, 5, 10, 20 ve 30 g/L), farklı akımlar (1-2 V arası, 0,2 Voltluk adımlarla) gibi çeşitli değişkenler çalışılacaktır. Ayrıca elektrot malzemesi içindeki nanomalzemelerin oranları da farklılaştırılarak en verimli sistem geliştirilecektir.  Çalışmalar, galvanostat yardımıyla ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi kullanılarak analiz edilecektir.

Proje önerisinin prosesin başlatılması için gereken enerjiyi de kendisi üreterek, enerji sarfiyatı yapmadan tuz giderme işlemi yapması ve ayrıca enerji geri kazanımı sağlaması sebebiyle çok faydalı sonuçlar sağlayacağı düşünülmektedir. Son aşamada her 3 cihazın optimum şartları belirlendikten sonra cihazlar birleştirilip bir prototip cihaz elde edilecektir. Bu cihazın performansı test edilecektir.