Karbon-Silisyum ve Karbon-Azot Hibrit Yapılarının Sentezi ve Süperkapasitör Uygulamaları
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Atatürk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kimya Anabilim Dalı, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2024
Tezin Dili: Türkçe
Öğrenci: ERTUĞRUL CEYRAN
Danışman: Duygu Ekinci
Özet:Amaç: Bu çalışmanın amacı, ucuz ve çevre dostu malzemeler kullanarak yüksek hızda şarj edilebilirliğe ve yüksek kapasitif davranışa sahip süperkapasitör sistemleri üretmek ve bunları esnek ve giyilebilir tasarımlarla birleştirerek yeni nesil enerji depolama cihazları geliştirmektir. Yöntem: Çalışmada esnek süperkapasitör elektrotların (ESE) üretimi için, öncelikle saf pamuktan üretilmiş kumaş (CF) örneği grafen oksit (GO) ve karbon siyahı (CB) içeren aktif materyal karışımı ile kaplandı. CF yüzeyine kaplanmış olan GO, L-askorbik asit (L-AA) kullanılarak indirgenmiş grafen oksite (RGO) dönüştürüldü. Bu işlem sonucunda elde edilen ESE'lerin fonksiyonalizasyon işleminde silisyum atomu içeren klorosilan molekülleri [metil trikloro silan (MTCS), fenil trikloro silan (PTCS), dikloro difenil silan (DCDPS), oktil trikloro silan (OTCS) ve oktadesil trikloro silan (ODTCS)] ve azot atomu içeren azid molekülleri [4-azido bütanoik asit (4-ABA), 4-azido butan-1-ol (4-ABO), 1-azido oktan (1-AO), 8-azido oktanoik asit (8-AOA), 8-azido oktan-1-ol (8-AOO) ve 16-azido hekzadekanoik asit (16-AHA)] kullanıldı. Dopant bileşikler ile kovalent fonksiyonalize edilmiş ESE'lerin karakterizasyon analizleri FT-IR spektroskopisi, Raman spektroskopisi, X-ışını kırınımı (XRD), X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile gerçekleştirildi. ESE'lerin elektrokimyasal performansları ise üç ve iki elektrotlu hücre tasarımında döngüsel voltametri (CV), galvanostatik şarj/deşarj (GCD) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) teknikleri ile araştırıldı. Bulgular: Karakterizasyon çalışmaları, dopant bileşikleri ile gerçekleştirilen fonksiyonalizasyon işlemlerinin başarılı bir şekilde sağlandığını gösterdi. ESE'lerin üç elektrotlu sistemlerdeki elektrokimyasal incelemeleri, kloro silan molekülleri arasında DCDPS çözeltisinde (10 mM) fonksiyonalize edilen elektrotun (DCDPS(10)-RGO:CF) en yüksek spesifik kapasitansa (1 mVs-1'de CS,CV 683,9 mFcm-2 ve 0,5 mAcm-2'de CS,GCD 627,9 mFcm-2), azid molekülleri arasında ise 4-ABA çözeltisinde (5 mM) fonksiyonalize edilen elektrotun (4-ABA(5)-RGO:CF) en yüksek spesifik kapasitansa (1 mVs-1'de CS,CV 715,2 mFcm-2 ve 0,5 mAcm-2'de CS,GCD 517,9 mFcm-2) sahip olduğunu gösterdi. DCDPS(10)-RGO:CF ve 4-ABA(5)-RGO:CF elektrotlarının negatif elektrot ve RGO:CF elektrotun pozitif elektrot olarak kullanıldığı asimetrik aygıtlar geliştirildi ve elektrokimyasal performansları incelendi. DCDPS(10)-RGO:CF//RGO:CF ve 4-ABA(5)-RGO:CF//RGO:CF aygıtlarının CV'lerden hesaplanan CS,CV değerleri 1 mVs-1'de sırasıyla 187,0 mFcm-2 ve 134,6 mFcm-2 olarak belirlendi. GCD eğrilerinden hesaplanan CS,GCD değerleri ise 0,1 mAcm-2'de sırasıyla 105,5 mFcm-2 ve 82,8 mFcm-2 olarak belirlendi. Sonuç: Bu çalışma sonucunda çevre dostu ve ucuz materyallerden, kovalent olarak fonksiyonalize edilmiş yüksek kapasitif davranışa ve uzun çevrim kararlılığına sahip, esnek ve giyilebilir süperkapasitör aygıtlar geliştirildi. Edinilen tecrübelerin yeni nesil süperkapasitör sistemlerin geliştirilmesine katkı sağlayacağı düşünülmektedir.