Biyokütleden üretilen azot, kükürt ve fosfor katkılı aktif karbonun süperkapasitör performansı
The supercapacitor performance of nitrogen, sulphur and phosphorus doped activated carbon produced from biomass
Yazar: SÜHEYLA TEKİN
Danışman: PROF. DR. ZEKİ AKTAŞ
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Elektrik enerjisi depolama cihazları arasında süperkapasitörler yüksek güç kapasiteleri ve mükemmel döngü kararlılıkları nedeniyle büyük ilgi görmektedir. Süperkapasitörlerde kullanılan elektrot malzemesinin hem yüksek erişilebilir spesifik yüzey alanı, hem de iyonların/elektronların yüksek aktarım verimliliğine sahip olması gerektiğine inanılmaktadır. Bu yüzden karbon malzemeler gelişmiş gözenek boyut dağılımı, geniş spesifik yüzey alanı, yüksek kimyasal kararlılığı ve yüksek elektrokimyasal performansı nedeniyle en umut verici elektrot malzemesi olarak kabul edilmektedir. Son zamanlarda karbon öncüsü olarak biyokütle, ve biyokütle yan ürünlerinden elde edilen yenilenebilir karbon bazlı elektrotlar, düşük maliyetlerinden dolayı tercih edilmektedirler.
Araştırmada, atık çay (biyokütle) ile önce farklı emdirme oranlarında, ZnCl2 çözeltisi ile emdirme yapılmıştır ve daha sonra karışımın farklı sıcaklıklarda inert azot atmosferi altında karbonizasyonu ve aktivasyonu yapılmıştır. Ürünler, süperkapasitörlerde elektrot malzemesi olarak kullanılmıştır.   Yüksek yüzey alanı ve uygun gözenek büyüklüğüne sahip aktif karbon, doğrudan kullanıldığında süperkapasitörün performansı istenen düzeyde olmamıştır. Süperkapasitörün performansını iyileştirmek için, aktif karbon yüzeyine azot, kükürt ve fosfor katkılaması yapılmıştır. Aktif karbonlar başlıca; BET yüzey alanı, gözenek boyut dağılımı, FTIR ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) analizleri ile karakterize edilmiştir. Süperkapasitörler ise döngüsel voltametri (CV), elektrokimyasal impedans spektroskopisi (EIS) ve galvanostatik şarj/deşarj (GCD) teknikleri ile elektrokimyasal performans testleri gerçekleştirilmiştir.
Süperkapasitörlerin elektrokimyasal kapasitif performansı H2SO4 ve KOH sulu elektrolitinde incelenmiştir. En iyi elektrokimyasal performans kütlece 1:1 oranında potasyum metabisülfit (kükürt) katkılı aktif karbondan KOH sulu elektroliti ile hazırlanan süperkapasitörde bulunmuştur. Hücre 1 A/g akım yoğunluğunda 167.52 F/g elektrokimyasal kapasite sergilemiştir. Bu nedenle, ekonomik ve sürdürülebilir kükürt katkılı karbon elektrotun yüksek performanslı enerji depolama cihazlarında kullanılabileceği kanıtlanmıştır.

Abstract:
Among electrical energy storage devices, supercapacitors are of great interest due to their high power capacity and excellent long life cycle. It is believed that an ideal electrode material of supercapacitors should include both high accessible specific surface area and high transfer efficiency of ions/electrons and so carbon materials are considered the most promising electrode material due to their improved pore size distribution, large specific surface area, high chemical stability and high electrochemical performance. Recently, renewable carbon-based electrodes derived from biomass and byproducts as carbon precursors have gained attention due to their low cost.
In the study, the waste tea (biomass) was first impregnated with ZnCl2 solution (activation agent) at different impregnation ratios and then the mixture was carbonised/activated under inert nitrogen atmosphere at different temperatures. The products were used as electrode materials in supercapacitors. The performance of the supercapacitor was not at the desired level with only activated carbon with a high surface area and suitable pore size. Nitrogen, sulfur and phosphorus were doped to the activated carbon surface to improve the performance of the supercapacitor. The activated carbons were characterised by BET surface area, pore size distribution, FTIR and scanning electron microscopy (SEM) analyses. Electrochemical performance tests of supercapacitors were performed using cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and galvanostatic charge/discharge (GCD) techniques.
Electrochemical capacitive performance of the supercapacitors was studied using H2SO4 and KOH aqueous electrolytes. The best electrochemical performance was found in the supercapacitor prepared with KOH electrolyte from the activated carbon doped with potassium metabisulphite (sulpfur) at a ratio of 1:1 by mass. The supercapacitor cell exhibited 167.52 F/g electrochemical capacity at a current density of 1 A/g. Therefore, it has been proven that the economical and sustainable carbon electrode with sulpfur doped can be used in high performance energy storage devices.