ERGO/In2O3 ve ERGO/Cr2O3 nanokompozitlerinin elektrokimyasal sentezi ve kapasitif özelliklerinin belirlenmesi, asimetrik ERGO/In2O3//ERGO/Cr2O3 süperkapasitör aygıtlarının üretimi
Electrochemical synthesis and investigation of capacitive properties of ERGO/In2O3 and ERGO/Cr2O3 nanocomposites, manufacturing of asymmetric ERGO/In2O3//ERGO/Cr2O3 supercapacitor devices
Yazar: EMİR ÇEPNİ
Danışman: PROF. DR. TUBA ÖZNÜLÜER
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı / Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry

Özet:
Amaç: Bu tez çalışmasında, literatürde ilk defa elektrodepozisyon yöntemiyle elektrokimyasal indirgenmiş grafen oksit (ERGO)/indiyum oksit (In2O3) ve ERGO/krom oksit (Cr2O3) nanokompozitlerinin sentezlenerek süperkapasitör özelliklerinin belirlenmesi ve elektrot malzemesi olarak kullanıldıkları asimetrik ERGO/In2O3//ERGO/Cr2O3 süperkapasitör aygıtlarının üretimi amaçlanmıştır.
Yöntem: Tez çalışması kapsamında ERGO/In2O3 ve ERGO/Cr2O3 nanokompozitlerinin elektrokimyasal sentezinde belirlenen optimizasyon parametrelerinde çeşitli denemeler yapılarak optimize elektrodepozisyon şartları belirlenmiştir. Elektrokimyasal sentez şartları optimize edilen ERGO/In2O3 ve ERGO/Cr2O3 nanokompozitlerinin yapısal ve morfolojik karakterizasyonunda X-ışını kırınımı, X-ışını fotoelektron spektroskopi, enerji dağılımlı X-ışını spektroskopi, taramalı elektron mikroskobu ve geçirimli elektron mikroskobu kullanılmıştır. Karakterize edilen ERGO/In2O3 ve ERGO/Cr2O3 nanokompozitlerinin elektrot/elektrolit arayüzünde meydana gelen elektron transfer mekanizmalarını araştımak için elektrokimyasal empedans spektroskopisinden faydalanılmıştır. ERGO/In2O3, ERGO/Cr2O3 nanokompozitlerinin ve üretilen asimetrik ERGO/In2O3//ERGO/Cr2O3 süperkapasitör aygıtlarının kapasitif özelliklerinin belirlenmesinde ise dönüşümlü voltametri ve galvanostatik şarj/deşarj yöntemleri kullanılmıştır. 
Bulgular: Bu çalışmada ERGO/In2O3 ve ERGO/Cr2O3 nanokompozitleri, kolay, hızlı ve çevre dostu bir yaklaşım sunan elektrokimyasal depozisyon yöntemi kullanılarak, karakterizasyon çalışmalarında elde edilen bulgular ışığında, literatürde ilk defa sentezlenmiştir. Kapasitif özellikleri incelenen ERGO/Cr2O3 nanokompozitinin 0,5 A g-1 akım yoğunluğunda 535,4 F g-1'lik spesifik kapasitansa ve 10000 sarj/deşarj döngüsü sonrasında %74,8'lik stabiliteye sahip olduğu belirlenmiştir. Kapasitif özellikleri analiz edilen ERGO/In2O3 nanokompozitinin 1,0 A g-1 akım yoğunluğunda 477,78 F g-1'lik spesifik kapasitansa ve 10000 sarj/deşarj döngüsü sonrasında %77,3'lik stabiliteye sahip olduğu saptanmıştır. Üretilen asimetrik ERGO/In2O3//ERGO/Cr2O3 süperkapasitör aygıtlarının ise 2,0 A g-1 akım yoğunluğunda 664,22 F g-1'lik spesifik kapasitansa, 2000 çevrim döngüsü sonrasında %63,4'lük stabiliteye, 15984,34 W kg-1 maksimum güç yoğunluğuna ve 369,01 Wh kg-1 maksimum enerji yoğunluğuna sahip olduğu belirlenmiştir.
Sonuç: Elektrokimyasal sentezle üretilen ERGO/In2O3 ve ERGO/Cr2O3 nanokompozitlerinin oldukça umut verici kapasitif özelliği olan malzemeler olduğu ve bu nanokompozitlerin elektrot malzemesi olarak kullanıldıkları asimetrik ERGO/In2O3//ERGO/Cr2O3 süperkapasitör aygıtlarının, elektrokimyasal enerji depolama sistemleri içerisinde iyi bir tercih olabileceği belirlenmiştir.

Abstract:
Purpose: In this thesis study, it was aimed to synthesize electrochemically reduced graphene oxide (ERGO)/indium oxide (In2O3) and ERGO/chromium oxide (Cr2O3) nanocomposites via electrodeposition method for the first time in the literature to determine their supercapacitor properties, and produce asymmetric ERGO/In2O3//ERGO/Cr2O3 supercapacitor devices.
Method: Within the scope of the thesis study, optimized electrodeposition conditions were determined by conducting various experiments on the optimization parameters appointted in the electrochemical synthesis of ERGO/In2O3 and ERGO/Cr2O3 nanocomposites. For the structural and morphological characterization of ERGO/In2O3 and ERGO/Cr2O3 nanocomposites whose electrochemical synthesis conditions were optimized, X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, energy dispersive X-ray spectroscopy, scanning electron microscope and transmission electron microscope were used. Electrochemical impedance spectroscopy was used to investigate the electron transfer mechanisms occurring at the electrode/electrolyte interface of the characterized ERGO/In2O3 and ERGO/Cr2O3 nanocomposites. Cyclic voltammetry and galvanostatic charge/discharge methods were used to determine the capacitive properties of ERGO/In2O3, ERGO/Cr2O3 nanocomposites and the produced asymmetric ERGO/In2O3//ERGO/Cr2O3 supercapacitor devices.
Results: In this study, ERGO/In2O3 and ERGO/Cr2O3 nanocomposites were synthesized in the light of the findings obtained in the characterization studies for the first time in the literature, using the electrochemical deposition method, which offers an easy, fast and environmentally friendly approach. ERGO/Cr2O3 nanocomposite, whose capacitive properties were investigated, was determined to have a specific capacitance of 535.4 F g-1 at a current density of 0.5 A g-1 and a stability of 74.8% after 10000 charge/discharge cycles. ERGO/In2O3 nanocomposite, whose capacitive properties were analyzed, was found to have a specific capacitance of 477.78 F g-1 at a current density of 1.0 A g-1 and a stability of 77.3% after 10000 charge/discharge cycles. On the other hand, it has been determined that the produced asymmetric ERGO/In2O3//ERGO/Cr2O3 supercapacitor devices have a specific capacitance of 664.22 F g-1 at 2.0 A g-1 current density, a stability of 63.4% after 2000 cycles, a maximum power density of 15984.34 W kg-1, and a maximum power density of 369.01 Wh kg-1.
Conclusion: It has been determined that ERGO/In2O3 and ERGO/Cr2O3 nanocomposites produced by electrochemical synthesis are very promising materials with capacitive properties and asymmetric ERGO/In2O3//ERGO/Cr2O3 supercapacitor devices, in which these nanocomposites are used as electrode materials, can be a good choice in electrochemical energy storage systems.