Heteroatom katkili grafen içeren nanokompozitlerin enerji depolama performanslarının incelenmesi
Investigation of the energy storage performances of heteroatom doped graphene containing nanocomposites
Yazar: HASAN ALTINIŞIK
Danışman: PROF. DR. NURAY YILDIZ
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Elektrokimyasal ölçümler = Electrochemical measurements ; Elektrolitler = Electrolytes ; Enerji = Energy ; Enerji depolama sistemi = Energy storage system

Özet:
Bu tez çalışmasında, süperkapasitör uygulamasına yönelik, yüksek kapasitansa ve enerji-güç yoğunluğu ile uzun döngü ömrüne sahip heteroatom katkılı grafen temelli nanokompozitlerin sentezi amaçlanmıştır. Grafen oksitin, hidrotermal koşullarda indirgenmesi ve bir azot kaynağı yardımıyla katkılanması sonucunda azot katkılı indirgenmiş grafen oksit (NrGO) elde edilmiştir. Çalışma kapsamında ayrıca, NrGO yüzeyinde metal nanotanecik (Au), metal oksit nanotanecik (MnO2) ve iletken polimer (PANI) yapılarının sentezi ile birlikte, hem elektriksel çift tabaka kapasitansı hem de psödokapasitans mekanizması ile enerji depolama özeliklerine sahip, yüksek iletkenlik ve mekanik dayanım gösteren hibrit nanomalzemeler sentezlenmiştir. Hazırlanan nanokompozitler Fourier-dönüşümlü kızıl ötesi spektroskopisi (FTIR), UVgörünür bölge spektrofotometre analizi, X-ışınları kırınımı (XRD), X-ışınları fotoelektron spektroskopisi (XPS), elementel analiz, Taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve EDX analizi ve Geçirimli Elektron Mikroskobu (TEM) analizleri ile karakterize edilmiştir. Nanokompozitlerin sentez parametreleri ve kompozit bileşiminin elektrokimyasal performanslarına etkileri incelenmiştir. Elektrokimyasal özelikler ikili elektrot konfigürasyonunda dönüşümlü voltammetri (CV), galvanostatik şarj-deşarj (GŞD) ve elektrokimyasal impedans spektroskopisi (EIS) analizleri ile belirlenmiştir.
Hidrotermal koşullarda ve üre varlığında sentezlenen NrGO yapısı yüzeyinde, DBSA ve H2SO4 sulu çözeltisinde anilin monomerinin yerinde polimerizasyonu ile MnO2 tuzları çöktürülerek hazırlanmış olan NrGO-MnO2-PANI nanokompoziti, 1 A g-1 akım yoğunluğu değerinde, NrGO (164.5 F g-1), PANI (282.11 F g-1), NrGO-PANI (346.3 F g-1), MnO2 (41.03 F g-1), NrGO-MnO2 (73.1 F g-1), Au-MnO2-PANI (155 F g-1) ve NrGO-Au-PANI (263.4 F g-1) gibi nanokompozitlerden daha üstün elektrokimyasal performans göstererek   400.5 F g-1 kapasitans göstermiş ve   tekrarlı şarj-deşarj döngüsünün ardından kapasitansının % 86.1'ini koruyarak yüksek kapasitans ve uzun döngü ömrü göstermiştir. Bu nedenle, NrGO-MnO2-PANI nanokompoziti başta olmak üzere, tez çalışması kapsamında sentezlenen nanokompozitler süperkapasitör uygulamaları için önemli potansiyele sahiptir. Elde edilen bulgular bileşenlerin birbirleri ile oluşturdukları kompozitlerin, sahip oldukları dezavantajları önemli ölçüde gidermenin yanında, birbirleri arasındaki sinerjik etkiler yoluyla kompozitin elektrokimyasal performansını kayda değer şekilde geliştirdiğini göstermektedir.

Abstract:
In this thesis, it is aimed to synthesis of heteroatom-doped graphene-based nanocomposites with high capacitance, energy-power density and long cycle life for supercapacitor application. Nitrogen doped reduced graphene oxide (NrGO) was obtained as a result of the reduction of graphene oxide under hydrothermal conditions and doping via a nitrogen source (urea). In addition, to prepare hybrid electrode materials having high electrical conductivity and excellent mechanical strength, that can store energy with both electrical double layer and pseudocapacitance mechanisms towards supercapacitor application, metal nanoparticles (Au), metal oxide nanoparticles (MnO2) and conducting polymer (PANI) structures were synthesized succesfully on the surfaces of nitrogen doped reduced graphene oxide (NrGO). The prepared nanocomposites were characterized by Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), UV-visible spectrophotometer analysis, X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), elemental analysis, Scanning electron microscopy (SEM) and EDX analysis, and Transmisson Electron Microscopy (TEM) analysis. The effects of synthesis parameters and composite composition of nanocomposites on electrochemical performance were investigated. Electrochemical properties of electrode materials were determined in two-electrode configuration with cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge-discharge (GCD), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analyses.

NrGO-MnO2-PANI nanocomposite was prepared as a result of in situ polymerization of aniline monomer and precipitation of MnO2 precourses in DBSA and H2SO4 aqueous solution on the NrGO surface. The NrGO-MnO2-PANI nanocomposite exhibited superior specific capacitance (400.5 F g-1), compared to NrGO (164.5 F g-1), PANI (282.11 F g-1), NrGO-PANI (346.3 F g-1), MnO2 (41.03 F g-1), NrGO-MnO2  (73.1 F g-1), Au-MnO2-PANI (155 F g-1) ve NrGO-Au-PANI (263.4 F g-1) in two-electrode configuration at 1 A g-1 current density. In addition, the NrGO-MnO2-PANI electrode have long-cycle life and maintained 86.1 % of its capacitance after  charge-discharge cycles. Because of their superior electrochemical properties NrGO-MnO2-PANI nanocomposite and other nanocomposites that were prepared in the concept of the thesis are promising electrode materials toward supercapacitor applications. As a result, the formed nanocomposite structures were significantly remove the disadvantages of the components. In addition the synergistic effects between the components enhanced the electrochemical performance of the nanocomposite considerably.