Enerji depolanmasında elektrot malzemesi olarak kullanılabilen nanoyapılı karbon malzemelerin biyokütle atıklarından üretimi
Production of nanostructured carbon materials from biomass wastes that can be used as anode materials for energy storage
Yazar: BURAK ERDEMİR
Danışman: DOÇ. DR. BAHADIR KESKİN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Anorganik Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Aktif karbon = Activated carbon ; Anotlar = Anodes ; Hidrotermal = Hydrothermal ; Karbonlaştırma = Carbonization ; Mezo gözenekli karbon = Mesoporous carbon

Özet:
Artan nüfus ve teknolojik aletlere duyulan ihtiyacın artması sonucu enerji kullanımı giderek artmaktadır. Gerekli olan enerji ihtiyacı petrol, kömür, doğal gaz ve bunların içeriklerinden oluşan fosil yakıtlardan karşılanmaktadır. Ancak fosil yakıtlar uzun ileriki yıllarda tükenme tehlikesi gösterme durumundadır. Ayrıca fosil yakıtların kullanılması sonucu ortaya sera gazı emisyonları çıkarak ciddi çevre sorunlarına sebep olmaktadır. Tüm bu sebepler yeni enerji kaynakları arayışı ve aynı zamanda üretilen bu enerjinin daha verimli bir şekilde depolanması için yeni enerji depolama sistemleri arayışı ve geliştirilmesini de beraberinde getirmektedir. Enerji depolama sistemlerinde kullanılacak olan yüksek performanslı, düşük maliyetli, çevreci ve yenilenebilir malzemeler üzerinde çalışmalar yapılmaktadır. Biyokütle kaynakları yenilenebilir, çevreci hem de düşük maliyetli olmaları sebebiyle büyük ilgi görmüştür. Bir çok karbon malzeme çeşidi enerji depolama sistemleri için elektrot malzemesi olarak kullanılmak istenmektedir. Grafit bu amaçla kullanılan en iyi ticari elektrot malzemesi olmuştur. Fakat depolama kapasitesi yeterli değildir. Bu yüzden daha yüksek Kapasitans özelliğine sahip karbon malzemeler arayışına geçilmiştir. 
Karbon nanotüpler, grafen, gözenekli karbonlargibi karbon içerikli malzemeler elektrot malzemeleri üretimi için araştırılmaktadır. 
Bu tez çalışmasında bir biyokütle kaynağı olan ve her yıl tonlarca miktar atık olarak çöpe atılan ceviz kabukları biyokütle kaynağı olarak kullanılarak hidrotermal karbonizasyon yöntemi ile karbon malzeme elde edilmiştir. Bu karbon malzeme katalizör kullanılarak (C2K) ve kullanılmadan (C1) iki farklı yöntem şekilde sentezlenip karşılaştırılması hedeflenmiştir. Daha sonra karakterizasyonları yapılmıştır. Elde edilen ürünlerden en iyi karbonize olanı seçilerek aktivasyonu geçekleştirilerek gözenekli karbon haline getirilmiştir. Aktivasyon işlemin daha yeni ve çevreci bir yöntem olarak sodyum tiyosülfat kullanılarak yapılmıştır. Aktivasyon işleminde sıcaklık sabit tutularak (sodyum tiyosülfat)/(karbon malzeme miktarı) oranına göre 0,7, 1 ve 1,3 oranları denenmiştir. Böylece sodyum tiyosülfat miktarındaki değişimin, elde edilen gözenekli karbonun morfolojisinde ortaya çıakracağı sonuçların gözlemlenmesi hedeflemiştir. Diğer yandan oranlar sabit tutularak ısı etkisinin araştırılması için 800 oC ve 900 oC de malzemeler üretilmiştir. Böylece aynı oranda sıcaklığın artması ile elde edilen gözenekli karbondaki değişim gözlemlenmiştir. Elde edilen bu gözenekli karbon elektrot malzemesinin FT-IR, BET, SEM-EDX, Raman, XRD, Zetasizer gibi yöntemler ile yapı analizleri ve karakterizasyonları yapılmıştır. Daha sonra, gözenekli karbon malzeme, iletken bir polimer ve asetilen siyahı kullanılarak çamur (slurry) hazırlanarak, nikel köpüğe kapalanması sonucunda elektrotlar üretilmiştir. Yine hazılanan slurry kullanılarak düğmepil (coincell) hazırlanmış, elektrokimyasal ölçümler ve testler yapılmıştır. Bu yöntem ile de enerji depolama sistemlerinde kullanılacak elektrot malzemeleri için uygunluğu araştırılmıştır.

Abstract:
As a result of the increasing population and the need for technological tools, the use of energy is increasing. The required energy needs are met by fossil fuels consisting of oil, coal, natural gas and their contents. However, fossil fuels are in danger of extinction in the coming years. In addition, g eenhouse gas emissions because of the use of fossil fuels cause serious environmental problems. All these reasons bring along the search for new energy sources and the search and development of new energy storage systems in order to store this produced energy more efficiently. Studies we carried out on high-performance, low-cost, environmentally friendly and renewable materials to be used in energy storage systems. Biomass resources have attracted great attention because they are renewable, environmentally friendly and low cost. Many types of carbon materials are desired to be used as anode material for energy storage systems. Graphite has been the best commercial anode material used for this purpose. But the storage capacity is not enough. Therefore, carbon materials with higher Capacitance properties have been sought. Carbon-containing materials such as carbon nanotubes, graphene, porous carbons are being investigated for the production of anode materials.
In this thesis study, carbon material was obtained by hydrothermal carbonization method by using walnut shells, which are a biomass source and thrown away as tons of waste every year, as a biomass source. It is aimed to synthesize and compare this carbon material in two different ways, using a catalyst (C2K) and without using it (C1). Then their characterizations were made. The best carbonized one of the obtained products was selected and activated and turned into porous carbon. The activation process was done using sodium thiosulfate as a newer and more environmentally friendly method. In the activation process, the temperature was kept constant and the ratios of 0.7, 1 and 1.3 were tested according to the (sodium thiosulfate)/(carbon material amount). Thus, it was aimed to observe the results of the change in the amount of sodium thiosulfate on the morphology of the obtained porous carbon. On the other hand, materials were produced at 800 oC and 900 oC to investigate the heat effect by keeping the ratios constant. In this way, the change in the porous carbon obtained with the increase in temperature at the same ratio was observed. Structural analyzes and characterizations of these porous carbon materials were made using methods such as FT-IR, BET, SEM-EDX, Raman, XRD, Zetasizer. Then, electrodes was produced as a result of slurry preparation using porous carbon material, a conductive polymer and carbon black, and coating it with nickel foam. Electrochemical measurements and tests were carried out by preparing a button cell (coincell) using the slurry. With this method, its suitability for electrode materials to be used in energy storage systems was investigated.