Süperkapasitör uygulamaları için metal içeren zeolitik imidazol kafeslerin (ZIF-8) sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of metal doped metal organic framework (ZIF-8) for supercapacitor applications
Yazar: FULYA KÜMBETLİOĞLU
Danışman: PROF. DR. AYTEN ATEŞ
Sivas Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Karıştırma yöntemleri = Mixing methods ; Süperkapasitör = Supercapacitor ; Zeolitik imidazolat kafes = Zeolitic imidazolate framework

Özet:
Nüfus ve sanayileşmenin artmasıyla enerji ihtiyacı günden güne artmaktadır ve enerji kaynakları bu ihtiyacı karşılayamamaktadır. Bu nedenle son zamanlarda enerji depolama sistemleri üzerine yapılan çalışmalar oldukça fazladır.  Enerji depolama sistemlerinden süperkapasitörlerin, bataryalara göre güç yoğunluğunun fazla olması, şarj/deşarj oranlarının hızlı olması ve maliyetinin düşük olması gibi avantajları vardır. Bu yüzden süperkapasitörlerin dezavantajlarının giderilmesi ve geliştirilmesi enerji depolama açısından oldukça önemlidir. Bu tez çalışmasında MOF alt sınıfı olan, gözenekli yapıya, termal ve kimyasal kararlılığa sahip ZIF-8'in sentezi karıştırma yöntemiyle gerçekleştirilmiştir. ZIF-8'in avantajları olmasına rağmen elektriksel iletkenliğinin düşük olması gibi bir dezavantajı da vardır ve bunun için sentezlenen ZIF-8 numunelerinden en iyi sonuç verenlerine çeşitli metaller (Fe, Mn, Cu) yüklenmiş ve bu metallerin ikili kombinasyonu (Fe-Mn/ZIF-8, Cu-Mn/ZIF-8) gerçekleştirilmiştir. Sentez sırasında metanol, DMF ve saf su kullanılmıştır. SEM ve STEM görüntüleri ile metanol çözücüsü ile sentezlenen numunelerde ZIF-8 yapısının başarıyla elde edildiği, XRD ve FTIR analizleri sonucunda kristal yapının oluştuğu   belirlenmiştir. Bu nedenle metal/ZIF-8 sentezlerine metanol çözücüsüyle devam edilmiştir. Sentezlenen metal/ZIF-8 numunelerinin hem karakterizasyonu hem de elektrokimyasal analizleri yapılmıştır. Elektrokimyasal analizler sırasında 0.1 M Na2SO4 elektroliti kullanılmıştır. Analiz sonucunda demir ve mangan metallerinin kombinasyonu sonucunda Fe/ZIF-8'in spesifik kapasitans değeri 43.175 F/g iken, Fe-Mn/ZIF-8'de bu değer 40.105 F/g olarak belirlenmiştir. Manganın Fe/ZIF-8'in elektrokimyasal özelliklerini olumsuz yönde etkilediği tespit edilmiştir. Cu/ZIF-8'de ise spesifik kapasitans 33.735 F/g iken Cu-Mn/ZIF-8'de bu değer 53.585 F/g'a yükselmiştir. Bu sonuçlar doğrultusunda demirin aksine, bakır ile manganın kombinasyonu elektrokimyasal özelliğini artırdığı gözlemlenmiştir. Mangan ve bakır miktarının etkisini görmek amacıyla farklı molar oranlarda kullanılarak ZIF-8 sentezlenmiştir. Bakır ve mangan miktarı eşit tutulduğunda spesifik kapasitansta azalma meydana gelmiştir (39.38 F/g). Mangan miktarı artırıldığında ise spesifik kapasitans (26.14 F/g) daha da azalmıştır.

Abstract:
The increase of population and industrialization leads to an increase of the demand for energy which cannot be met by energy resources. For this reason, much work has been done recently on energy storage systems. Supercapacitors from energy storage systems have advantages such as higher power density than batteries, fast charge/discharge rates and low cost. Therefore, it is very important for energy storage to eliminate the disadvantages of supercapacitors and develop them further. In this work, the synthesis of ZIF-8, a subclass of MOF that has a porous structure and thermal and chemical stability, was carried out by mixing and freeze-drying. Although ZIF-8 has advantages, it also has a disadvantage such as low electrical conductivity, and different metals (Fe, Mn, Cu) were loaded on the best results from the ZIF-8 samples synthesized for these and the combination of these metals (Fe-Mn/ZIF-8, Cu-Mn/ZIF-8). Methanol, DMF and purified water solvents were used for the synthesis. It was found that the ZIF-8 structure in the samples synthesized using methanol as solvent was successfully obtained by SEM ans STEM images, and the crystal structure was formed as a result of XRD and FTIR analysis. The metal/ZIF-8 syntheses was continued using methanol as solvent. Both characterization and electrochemical analysis of the synthesized metal/ZIF-8 samples were performed. A 0.1 M Na2SO4 electrolyte was used for the electrochemical analysis. The analysis showed that the value of specific capacitance of Fe/ZIF-8 due to the combination of ferrous and manganese metals was 43.175 F/g, while this value for Fe-Mn/ZIF-8 was determined to be 40.105 F/g. Manganese was found to have a negative effect on the electrochemical properties of Fe/ZIF-8. While the specific capacitance for Cu/ZIF-8 was 33.735 F/g, this value increased to 53.585 F/g for Cu-Mn/ZIF-8. Consistent with these results, it was found that the combination of copper and manganese improved the electrochemical properties in contrast to iron. To investigate the effect of the amount of manganese and copper, ZIF-8 was synthesized at different molar ratios. When the copper and manganese content was the same, there was a decrease in specific capacitance (39.38 F/g). When the amount of manganese was increased, the specific capacitance (26.14 F/g) decreased further.