ESNEK SÜPERKAPASİTÖRLER İÇİN METAL DESTEKLİ GRAFEN OKSİT KATKILI HİDROJEL MALZEMELERİN ÜRETİMİ ve ELEKTROKİMYASAL KARAKTERİZASYONU
Tezin Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Kimya Anabilim Dalı Başkanlığı, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2023
Tezin Dili: Türkçe
Öğrenci: Betül DEMİR
Asıl Danışman (Eş Danışmanlı Tezler İçin): Cemal Özeroğlu
Eş Danışman: Sibel Yazar Aydoğan
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Süperkapasitörler bir enerji depolama aygıtı olup fiziksel özelliklerine ve enerji depolama kabiliyetlerine bağlı olarak enerjinin ihtiyaç duyulduğu birçok elektronik cihazda kullanılabilmektedir. Süperkapasitörlerin hızlı şarj-deşarj yetenekleri, yüksek güç yoğunluğu sunabilmeleri, bataryalara kıyasla uzun döngü ömrüne sahip olmaları bu alanda avantajlı kılan özellikleridir. Üretilen elektrot malzemelerinin bataryalar gibi sadece metal türlerine bağımlı olmamaları elektrot malzemesinin üretiminde daha geniş bir malzeme yelpazesine sahip olmasını sağlar. Bu da maliyeti düşük, toksik olmayan, sürdürülebilir, kolay üretim prosesine sahip malzemelerle bir enerji depolama aygıtı üretimine imkan sağlamaktadır. Ayrıca esnek, hafif ve iletken özellikteki malzemelerin elektrot malzemesi olarak kullanılabilmesi giyilebilir ve esnek enerji depolama birimlerinin üretimine de olanak sunmaktadır. Henüz bu alanda yaygın olarak kullanılamamalarının sebebi ise ihtiyaç duyulan gerekli enerji yoğunluğunu sunamamalarıdır. Bu zamana kadar geleneksel kapasitörlerde uzun döngü ömrüne sahip karbon temelli elektrot malzemeleri kullanılmıştır. Doğaları gereği elektrostatik etkileşimlerle enerji depolayabilen bu cihazlarda elektrot alanı büyük önem taşımaktadır. Taşınabilir ve küçük boyutlarda cihazlar için kullanılacak enerji depolama birimlerinde ise cihazın büyüklüğü karşılaşılan ayrı bir problemdir. Bu gibi sorunları gidermek için redoks özelliklerine sahip metallerin tercih edilmesi spesifik kapasitans değerlerini arttırabilecek en önemli katkılardandır. Bu tezde karbon keçe (KK) esnek elektrot malzemesi akım toplayıcı olarak kullanıldı. Ardından grafen oksit (GO) elektrot aktif malzemesi sentezlendi. Birlikte çöktürme yöntemi ile ayrı ayrı Fe, Ru, Ni, Ga ve Co metalleri GO' e katkılanarak elektrot malzemesinin kapasitans özellikleri incelendi. En iyi sonuç veren metallerle ikili katkılama yapılarak en iyi performans sunan elektrot malzemesi araştırıldı. Ayrıca bu tezde radikal polimerizasyon yöntemi ile poliakrilik asit (PAA) hidrojeli üretildi. Süperkapasitör aygıtlarında performansı kısıtlayan diğer bir özellik elektrot yüzeyindeki aktif malzemenin topaklanması gibi etkilerinden dolayı elektrolit iyonlarının elektrot yüzeyine yeterince ulaşamaması sonucunda kapasitansında düşüş olmasıdır. PAA' nın polimerleşmesi sırasında metallerin kolloidal çöktürmesi gerçekleştirilerek homojen bir yüzey oluşturmasını sağlandı. Ayrıca elektrot aktif malzemelerin KK elektrot yüzeyine yapışmasını sağlayarak KK ile olan etkileşimini arttırdı. Ek olarak, iyonik iletkenlik özellikleri yüksek hidrojeller sayesinde elektrolit iyonlarının iç yüzeylere ulaşmasını sağlayarak kapasitif davranışın artmasını sağladı. Son olarak, malzeme polimerle birlikte elektrot yüzeyine kaplandığından metallerin sergilediği düşük döngü ömrü iyileştirildi. Bu tez çalışmasında 3-elektrotlu sistemde en yüksek spesifik kapasitans değerini PAA-(Ni/GO) ve PAA-(Co/GO) elektrotları gösterdi. PAA-(Ni/GO) elektrodu için 1,0 mA cm-2 akım yoğunluğunda 332,58 F/g olarak hesaplandı. PAA-(Co/GO) elektrodu için ise 2,0 mA cm-2 akım yoğunluğunda 174,5 F/g olarak hesaplandı. Ardından oluşturulan ikili metal katkılı GO ile üretilen elektrot malzemesinin miktar optimizasyonu yapılarak PAA-%10CoNi(70-30)/GO elektrodunun en yüksek enerji depolama performansı sergilediği görüldü. Bu elektrot malzemelerinden üretilen simetrik süperkapasitörün spesifik kapasitans değeri 0.4 mA cm-2' de 85,7 F/g olarak hesaplandı. Ulaşılan en yüksek enerji ve güç yoğunluğu değerleri sırasıyla 23.3 Wh/kg ve 8400.0 W/kg olarak hesaplandı.