Süperkapasitör uygulamaları için Mn-oksit filmlerin üretilmesi
Production of Mn-oxide films for supercapacitor applications
Yazar: İLKNUR ORHAN ÜSTÜNDAĞ
Danışman: DOÇ. DR. MÜRŞİDE ŞAFAK HACIİSMAİLOĞLU
Bursa Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Manganez oksit = Manganese oxide ; Metal oksitler = Metal oxides

Özet:
MnO2 elektrotlar, metal, metal oksit ve karbon alttabakalar üzerine elektrodepozisyon yöntemi ile üretildi. Burada metal alttabaka direnç davranışını, metal oksit alttabaka direnç-kapasitif davranışını ve karbon alttabaka kapasitif davranışı baskın olarak sergilediğinden özellikle tercih edildi. Bunun yanında metal alttabaka üzerine MnO2 büyütülmeden önce çeşitli yüzey işlemleri yapıldı. Bu yüzey işlemleri zımparalama, ultrasonifikasyon, asite daldırma ve pasivasyon olarak özetlenebilir. Ayrıca depozisyon potansiyeli ve yük miktarı değiştirilerek metal alttabaka üzerine MnO2 üretildi. Elektrotların yapısal ve kimyasal özellikleri Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FT-IR), X-ışını Kırınımı (XRD), X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS), Temas Açısı tayini, Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) ve Enerji Dağılımlı X-ışını Spektroskopisi (EDX) ile incelendi. Elektrokimyasal davranışları, Empedans Spektroskopisi (EİS), Mott-Schottky (M-S) tekniği ile karakterize edildi. Kapasitif davranışları Dönüşümlü Voltametri (CV) ve Galvanostatik Şarj-Deşarj (GCD) teknikleri ile araştırıldı. Elde edilen yapısal ve kimyasal özelliklerin kapasitif davranışlara nasıl etki ettiği araştırıldı. Buna göre karbon alttabaka üzerine üretilen MnO2 elektrotun spesifik kapasitans değeri 1049 F/g bulundu. Bu değer, literatürde bulunan en yüksek değerlerden biridir. Metal ve metal oksit üzerine üretilen elektrotlardan elde edilen spesifik kapasitans değeri daha düşüktür. Buradan karbon alttabakanın MnO2' nin kapasitif davranışına katkı sağladığı sonucu çıkarılabilir. Metal, metal-oksit ve karbon alttabaka üzerine üretilen MnO2 elektrotlarda 1000 döngü sonrasında spesifik kapasitans değerlerinde sırasıyla %182, %156 ve %110'luk artış gözlendi. Bu durum literatürde kendi kendine iyileşme olarak adlandırılır ve cihazların kullanım ömrünü uzatır. 

MnO2 elektrotlar kullanılarak simetrik süperkapasitör cihazlar üretildi. Elektrotlardakine benzer şekilde elektrokimyasal ve kapasitif davranışları araştırıldı. Süperkapasitörün kırmızı LED'i 1 dk kadar çalıştırdığı görüldü. Sonuç olarak bu süperkapasitörler düşük ve orta güç gerektiren sistemlerde enerji depolama cihazı olarak kullanılabilir.

Abstract:
MnO2 electrodes were electrodeposited on metal, metal oxide and carbon substrates. Here, the metal substrate was particulary chosen because of its resistance behaviour, metal oxide for resistance-capacitance and the carbon for capacitance behaviour. Moreover some surface treatments such as sanding, ultrasonification, acid immersin and passivation were applied to the metal surface before the MnO2 electrodeposition. The effects of the deposition potential and the charge density of MnO2 on metal substrates were also investigated. The structural and chemical properties were analyzed by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), X-ray Diffraction (XRD), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Contact Angle, Scanning Electron Microscopy (SEM), Atomic Force Microscopy (AFM) and Energy Separation X-ray Spectrometer (EDX). The electrochemical behaviours were characterized by Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) and Mott Schottky (M-S). The capacitive behaviour was studied by Cyclic Voltammetry (CV) and Galvanostatic Charge/Discharge (GCD). The correlation between the capacitive behavior and the structural-chemical behaviour was explained. 
The specific capacitance of 1049 F/g was calculated for the MnO2 electrrode on the carbon substrate, which is one of the highest results found in the literature. The values calculated for the electrodes deposited on metal and metal oxide are lower than that. It seems the carbon electrode contributes to the capacitive behaviour. After 1000 cycles, the specific capacitance increases to %182, %156 ve %110 of the first value for the metal, metal oxide and carbon substrates respectively. This is self healing effect and extends the life cycle of the device.

Symmetrical supercapacitors were fabricated with these MnO2 electrodes. The electrochemical and the capacitive behaviour was studied as the same of the electrodes. The device light up an LED over 1 min. Consequently, these symmetrical supercapacitors can be employed in the devices requiring low-medium power density.