Atık biyokütlelerden elde edilen aktif karbonların karakterizasyonu ve elektrokimyasal özellikleri
Characterization and electrochemical properties of activated carbons obtained from waste biomas
Yazar: HATİCE KÜBRA FALCIOĞLU
Danışman: PROF. DR. AHMET TABAK
Sinop Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Aktif karbon = Activated carbon ; Enerji depolama = Energy storage ; Kimyasal aktivasyon = Chemical activation ; Taramalı elektron mikroskobu = Scanning electron microscope

Özet:
Ekolojik nedenler ve artan talep sebepleriyle yenilenebilir enerji üretimi ve depolanması adına yapılan çalışmalar her geçen gün daha da artmaktadır. Enerji depolama sistemlerinin en önemli grubu olan Elektrokimyasal Çift Tabaka Kapasitörlerde (EDCL) aktif karbon temelli elektrotlar düşük maliyet ve yüksek yüzey alanı sebebiyle sıklıkla kullanılmaktadır. Genelde yüzey alanının artması ile birlikte aktif karbonların spesifik kapasitans değerleri artmaktadır. Ancak yüzey morfolojisi, yüzey kimyası ve gözenek boyut dağılımı gibi parametreler de kapasitif performans üzerinde oldukça belirleyicidir. Direk ve dolaylı aktivasyon işlemlerindeki deneysel parametreler (aktive edici oranı, aktivasyon süresi, sıcaklığı vb.) aktif karbonların bu özellikleri üzerinde etkilidir. Bu çalışmada sentezlenen aktif karbonlar, fındık kabukları ve kabak saplarının direk ve dolaylı aktivasyonu ile elde edilmiş ve bu aktif karbonların süperkapasitör uygulamaları için enerji depolama performansları birbiri ile kıyaslanmıştır. Farklı oranlarda biyokütle/H3PO4 çözeltisi kullanılarak [(1:1, 1:2, 1:4) (biyokütle:asit); (kütle:kütle)] inert azot gazı atmosferi ortamında kimyasal aktivasyon gerçekleşmiştir. Ürünlerin üç elektrotlu sistemde elektrot aktif maddesi olarak kullanılabilirliğini araştırmak adına; dönüşümlü voltametri (CV), galvanostatik şarj-deşarj (GCD) ve empedans spektroskopi (EIS) teknikleri ile elektrokimyasal performans testleri yapılmıştır. Yüksek performans gösteren numuneler, Brunauer, Emmett ve Teller (BET), taramalı elektron mikroskobu (SEM), X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ve geçirimli elektron mikroskobu (TEM) analizleri ile karakterize edilmiştir. Aktif karbonlar içinde fındık kabuğunun direk aktivasyonu ile elde edilmiş [(1:4) (Aktif karbon:H3PO4)] numunesi için en yüksek spesifik kapasitans değeri 1000 mA/g akım yoğunluğunda 152,3 F/g olarak belirlenmiştir. Ayrıca bu numunenin BET yüzey alanı 908,0 m2/g olarak ölçülmüştür.

Abstract:
Due to ecological reasons and increasing demand, studies on renewable energy production and storage are increasing day by day. Activated carbon-based electrodes are frequently used in Electrochemical Double Layer Capacitors (EDCL), the most important group of energy storage systems, due to their low cost and high surface area. In general, the specific capacitance values of activated carbons increase with the increase of the surface area. However, parameters such as surface morphology, surface chemistry and pore size distribution are also highly determinative on capacitive performance. Experimental parameters (activator rate, activation time, temperature, etc.) in direct and indirect activation processes are effective on these properties of activated carbons. In this study, the synthesized activated carbons were obtained by direct and indirect activation of hazelnut shells and pumpkin stems, and the energy storage performances of these activated carbons for supercapacitor applications were compared with each other. Using different ratios of biomass/H3PO4 solution [(1:1, 1:2, 1:4) (biomass:acid); (mass:mass)] chemical activation took place in an atmosphere of inert nitrogen gas. In order to investigate the usability of the products as electrode active material in the three-electrode system; Electrochemical performance tests were performed using cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge-discharge (GCD) and impedance spectroscopy (EIS) techniques. High-performing samples were characterized by Brunauer, Emmett and Teller (BET), scanning electron microscopy (SEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and transmission electron microscopy (TEM) analysis. The highest specific capacitance value for the [(1:4) (Activated carbon:H3PO4)] sample obtained by the direct activation of hazelnut shell in activated carbons was determined as 152.3 F/g at 1000 mA/g current density. In addition, the BET surface area of this sample was measured as 908.0 m2/g.