Süperkapasitör ve kataliz uygulamaları için koordinasyon polimerleri kullanılarak ikili metal oksitlerin hazırlanması
Preparation of binary metal oxides derived from coordination polymers for supercapacitor and catalysis applications
Yazar: AKIN SARIOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. FATİH SEMERCİ
Kırklareli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Sistemleri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Taşınabilir elektroniklerin ve elektrikli araçların yaygınlaşmasıyla elektrik enerjisinin depolanması daha önemli hale gelmiştir. Süperkapasitörler elektrokimyasal olarak elektrik enerjisi depolayabilen cihazlardır. Redoks aktif metal iyonu içeren geçiş metallerinin oksitleriyle yüksek enerji yoğunluğuna sahip süperkapasitörler hazırlanabilmektedir. Bu tez çalışmasında yeni iki farklı metal iyonu içeren koordinasyon polimerlerinden metal oksitler hazırlanmış karakterize edilmiş ve elektrokimyasal özellikleri detaylı olarak araştırılmıştır.
Tez kapsamında ilk aşamada {K2[Cu(pydc)2]·3H2O}n (pydc = piridin-2,3-dikarboksilat) ve Co(Ace)2.4H2O veya Ni(Ace)2.4H2O (Ace = asetat) kullanarak oda sıcaklığında, hidrotermal, mikrodalga ve ultrasonik sentez yöntemleriyle çeşitli morfolojilerde ve formüllerde iki farklı metal iyonu içeren koordinasyon polimerleri sentezlenmiş ve karakterize edilmiştir. Koordinasyon polimerleri 400 °C'de durgun hava atmosferinde kalsine edilerek iki farklı metal iyonu içeren metal oksitler hazırlanmıştır. Metal oksitlerin çeşitli bileşimlerde ve morfolojilerdeki CuCo2O4/CuO ve NiO/CuO kompozitleri olduğu belirlenmiştir. Metal oksitlerin süperkapasitör özellikleri elektrokimyasal yöntemlerle araştırılmıştır. Döngüsel voltametri testleriyle ikili metal oksitlerinde gerçekleşen redoks reaksiyonlarının tersinirliğinin yüksek olduğu görülmüştür. Metal oksitlerin spesifik kapasitans değerleri deşarj eğrilerinden edinilen bilgiyle hesaplanmıştır. Buna göre CoCuOx'ler arasında en yüksek kapasitans değerine hidrotermal (HT) yöntemle hazırlanan CoCuOx-HT ile 629 F/g değerine ulaşılmıştır. Benzer şekilde NiCuOx-HT 367 F/g ile NiCuOx'ler arasında en yüksek kapasitansa ulaşan metal oksit olmuştur. Döngü kararlılığında ise 10 A/g'da 3000 döngü sonrasında en kararlı metal oksit %79 kararlılıkla mikrodalga (MW) yöntemiyle hazırlanan CoCuOx-MW iken NiCuOx'ler içinde ise %99 kararlılıkla NiCuOx-RTP olarak belirlenmiştir. Aktif karbon ile CoCuOx-HT kullanılarak asimetrik cihaz tasarlanmış ve cihazın kapasitansı 1 A/g'de 36,11 F/g ile gerçekleşirken güç yoğunluğu 38,87 kW/kg, enerji yoğunluğu 42,65 Wh/kg olduğu belirlenmiştir. 
Endüstriyel ve zirai atık sularda bulunabilen nitrofenol ve türevleri organik bir kirletici olduğu kabul edilmekte ve arıtımı oldukça maliyetli olduğu bilinmektedir. Nitrofenoller NaBH4 varlığındaki metal oksit nanokatalizörler ile indirgenerek ilaç ve çeşitli yeni bileşiklerin başlangıç maddesi olan aminofenollere dönüştürülebilmektedir. Tez kapsamında hazırlanan metal oksitler nitrofenollerin aminofenollere dönüşüm reaksiyondaki katalitik aktivitesi araştırılmıştır. UV-VİS spektrofotometresiyle takip edilen reaksiyonda, katalitör olarak oda sıcaklığında PVP ile hazırlanan NiCuOx-RTP kullanıldığında reaksiyon %100 dönüşümle gerçekleşmiş ve katalitik reaksiyona ilişkin hız sabitinin 1,3963 dk-1 olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
With the spread of portable electronics and electric vehicles, storage of electrical energy has become more important. Supercapacitors are devices that can store electrochemically electrical energy. Supercapacitors with high energy density can be prepared with transition metals oxides containing redox active metal ions. In this thesis, metal oxides are prepared from coordination polymers containing two different metal ions and their electrochemical properties are investigated in detail.
In this thesis, coordination polymers containing two different metal ions by using {K2[Cu(pydc)2]·3H2O}n (pydc = pyridine-2,3-dicarboxylate) and Co(Ace)2.4H2O or Ni(Ace)2.4H2O (Ace = acetate) were synthesized at room temperature, hydrothermal, microwave and ultrasonic assisted synthesis methods in various morphologies and formulas. Metal oxides containing two different metal ions were prepared by calcination of coordination polymers at 400 °C in a static air atmosphere.  Metal oxides are determined as CuCo2O4/CuO and NiO/CuO composites in various compositions and morphologies. Supercapacitor properties of metal oxides were investigated by electrochemical methods. According to CV tests, the reversibility of redox reactions was found to be high in binary metal oxides.  Specific capacitance values of metal oxides are calculated by using discharge curves. The highest capacitance value among CoCuOx materials was achieved with CoCuOx-HT (629 F/g), which was prepared by hydrothermal method. Similarly, NiCuOx-HT reached the highest capacitance among the NiCuOx with 367 F/g. In cycle stability tests, the most stable metal oxides was determined as 79% for CoCuOx-MW and 99% for NiCuOx-RTP. Asymmetric device was designed using CoCuOx-HT and activated carbon, and the capacitance of the device was determined as 36.11 F/g at 1 A/g, while the power density was 38.87 kW/kg and the energy density was 42.65 Wh/kg.
Nitrophenol and its derivatives, which can be found in industrial and agricultural wastewater, are considered to be an organic pollutant and their treatment is very costly.  Nitrophenols can be reduced by using metal oxide nanocatalysts in the presence of NaBH4 and converted to aminophenols which is a starting material of some drugs and various compounds. The catalytic activities of some metal oxides were tested with the model reaction of nitrophenol reduction. When NiCuOx-RTP used as a catalyst the reaction took place with 100% conversion and it was determined that the rate constant for the catalytic reaction was 1.3963 min-1.