Süperkapasitörler için MXene (Ti3C2Tx) ve MnFe2O4 katkılı kompozit elektrotların geliştirilmesi
Development of MXene (Ti3C2Tx) and MnFe2O4 added composite electrodes for supercapacitors
Yazar: NURİ ERGÜL
Danışman: DOÇ. DR. SAFA POLAT
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Enerji depolama alanı gün geçtikçe daha önemli hale gelmektedir. Süperkapasitörler ise riski az olması ve düşük maliyetle üretilebilmesi sebebi ile tercih edilen önemli cihazlardır. 2D yapılı MXene ve bazı metal oksitler ise geniş yüzey alanı ile yüksek iletkenliğin sinerjik birleşimini sağlayarak bu cihazların performansını iyileştirmektedir. Bu çalışmada ise bu bilgiler ışığında süperkapasitörlerde anot malzemesi olarak kullanılmak üzere mangan ferrit (MnFe2O4) ve Ti3AlC2 (MXene) bazlı elektroaktif maddeler kullanılarak bir süperkapasitör elektrotu geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu bağlamda, bahsi geçen elektroaktif maddeler, akım toplayıcı nikel köpük yüzeyinde hidrotermal yöntem kullanılarak sentezlenmiştir. Sentezler, katkısız mangan ferrit ve sırasıyla 5 mg MXene, 10 mg MXene ve 20 mg MXene katkılı mangan ferrit olacak şekilde gerçekleştirilmiştir. Üretilen elektrotların öncelikle karakterizasyonları ardından elektrokimyasal performansları ölçülmüştür. XRD, FTIR ve SEM analizleriyle gerçekleştirilen karakterizasyon sonuçlarına göre, mangan ferrit bileşiğinin nikel köpük yüzeyinde MXene ile birlikte 2D geometride başarılı bir şekilde oluştuğu ve duvar kalınlığının yaklaşık 50 nm olduğu gözlemlenmiştir. Ancak, düşük miktarda MXene eklenmesi durumunda mikroyapıda MXene varlığı tespit edilmemiştir; miktar bakımından en düşük 10 mg MXene eklemesi mikroyapıda belirgin hale gelmiştir. Ayrıca, MXene ilavesi arttıkça mangan ferrit kristallerinin boyutunun küçüldüğü ve topaksı bir yapıda iç içe geçmiş plaka görünümünün oluşmaya başladığı gözlenmiştir. Elektrokimyasal performans ölçümlerinde en yüksek spesifik kapasitansın 1273 mF/cm2 olduğunu ve enerji-güç yoğunluğunun yaklaşık 15,9 mWh/cm2-150 mW/cm2 ile 20 mg MXene ilaveli mangan ferrit elektrodunda meydana geldiği gözlenmiştir. Bu değerler, katkısız mangan ferrit bazlı elektrota kıyasla spesifik kapasitans bakımından neredeyse üç kat, enerji yoğunluğu bakımından ise yaklaşık %83 daha yüksek olduğu hesaplanmıştır. MXene partiküllerinin yüksek iletkenlik ve muhtemelen geniş yüzey alanıyla ilişkilendirilerek elde edilen bu artış, literatürle karşılaştırıldığında süperkapasitörlere umut vadeden bir elektrot sunmaktadır.

Abstract:
The field of energy storage is becoming increasingly crucial, and supercapacitors stand out as significant devices due to their low risk and cost-effective production. 2D MXene structures and certain metal oxides contribute to enhancing the performance of these devices by providing a synergistic combination of large surface area and high conductivity. In this study, aiming to serve as an anode material for supercapacitors, an electrode is developed using electroactive materials based on manganese ferrite (MnFe2O4) and Ti3AlC2 (MXene) in light of these insights. In this context, the mentioned electroactive materials were synthesized on the current collector nickel foam surface using the hydrothermal method. The syntheses were carried out with pure manganese ferrite and manganese ferrite with respective additions of 5 mg MXene, 10 mg MXene, and 20 mg MXene. After the production, the electrodes were first characterized and then their electrochemical performances were measured. According to the characterization results obtained through XRD, FTIR, and SEM analyses, the manganese ferrite compound successfully formed in a 2D geometry with MXene on the nickel foam surface, with an observed wall thickness of approximately 50 nm. However, in the case of a low amount of added MXene, the presence of MXene in the microstructure was not detected, becoming noticeable with a minimum addition of 10 mg MXene in terms of quantity. Additionally, it was observed that as the amount of MXene increased, the size of manganese ferrite crystals decreased, and a granular structure with nested plate appearance began to form. In the electrochemical performance measurements, the highest specific capacitance was observed at 1273 mF/cm2, and the energy-power density was approximately 15.9 mWh/cm2-150 mW/cm2 in the electrode with 20 mg added MXene. These values were calculated to be nearly three times higher in specific capacitance and approximately 83% higher in energy density compared to the electrode based on pure manganese ferrite. This increase, likely attributed to the high conductivity of MXene particles and possibly their large surface area, presents a promising electrode for supercapacitors when compared with the literature.