Karbon nanotüp ve polimer malzemelerin süperkapasitör bileşenleri olarak incelenmesi
Investigation of carbon nanotube and polymer materials as supercapacitor components
Yazar: SEDEF ARSLAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SALİM EROL
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Çalışmada, karbon nanotüpleri (CNT'ler) ve polimer malzemelerinin süperkapasitör bileşenleri olarak incelenmesi amaçlanmıştır. CNT'ler, benzersiz fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip nano ölçekli karbon yapılarıdır ve yüksek yüzey alanı ve mükemmel iletkenlikleri ile dikkat çekerler. Polimer malzemeler ise esneklik, hafiflik ve işlenebilirlik gibi avantajlara sahiptir. Bu çalışmada, %10 Ga/CNT ve %10 Nb/CNT karışımları kullanılarak iki farklı elektrot malzemesi oluşturulmuştur. Her iki karışım da kütlece %10 galyum veya niyobyum ve %90 karbon nanotüp içermektedir. Elektrot malzemelerinin oluşturulması için her bir karışım, TDI/PEG (toluen dizosiyanat/polietilen glikol) polimeri ile 1:1 oranında karıştırılmıştır. Bu karışımın sonucunda, Ga/CNT ve Nb/CNT elektrot malzemeleri elde edilmiştir. Bu çalışmanın amacı, Ga/CNT ve Nb/CNT elektrot malzemelerinin elektrokimyasal özelliklerini değerlendirmek ve potansiyel olarak kullanılabilecek yeni elektrot malzemelerini keşfetmektir. Elektrokimyasal testler, elektrot malzemelerinin iletkenlik, elektrokimyasal aktivite ve dayanıklılık gibi özelliklerini değerlendirmek için yapılmıştır. Elektrokimyasal Analiz, Döngüsel Voltametri Analizi, Galvanostatik Şarj Deşarj Analizi ve Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi Analizi yapılarak araştırma bulguları elde edilmiştir. Araştırma sonucunda elektrotlarının kapasitif performansı arasında farklılıklar bulunduğu ve bu farklılıkların malzeme özellikleri, yüzey pürüzlülüğü ve gözenek yapısı gibi faktörlere göre değişkenlik gösterdiği saptanmıştır. Deneyde kullanılan her iki numune de kapasitif davranış göstermiş ancak farklı özgül kapasitans değerleri ve hız performanslarına sahip olmuşlardır.  Sonuç olarak, CNT'ler ve polimer malzemeleri süperkapasitör bileşenleri olarak değerlendirildiğinde, her birinin kendi avantajları ve kısıtlamaları bulunmaktadır. CNT'lerin üstün iletkenlik ve yüzey alanı özellikleri, polimerlerin ise esneklik ve düşük maliyet gibi avantajları dikkate alındığında yüksek işlevli bileşenler oldukları saptanmıştır. Sonuçlar, Ga/CNT ve Nb/CNT elektrot malzemelerinin yüksek iletkenlik özellikleri gösterdiğini ve elektrokimyasal aktivite açısından da başarılı olduklarını göstermiştir. Ayrıca, bu elektrot malzemelerinin TDI/PEG polimeri ile karıştırılarak yapılan kompozitlerin mekanik dayanıklılığı artırdığı görülmüştür.

Anahtar Kelimeler: Ga/CNT, Nb/CNT, Elektrot Malzemesi, TDI/PEG polimeri, Elektrokimya, İletkenlik, Elektrokimyasal Aktivite, Enerji Depolama, Sensörler.

Abstract:
The study aimed to examine carbon nanotubes (CNTs ) and polymer materials as supercapacitor components. CNTs are nanoscale carbon structures with unique physical and chemical properties and attract attention with their high surface area and excellent conductivity. Polymer materials have advantages such as flexibility, lightness and workability. In this study, two different electrode materials were created using 10%Ga/CNT and 10%Nb/CNT mixtures. Both mixtures contain 10% gallium or niobium and 90% carbon nanotube by mass. Each mixture for the creation of electrode materials was mixed with the polymer TDI/PEG (toluene dizocyanate/polyethylene glycol) at a ratio of 1:1. As a result of this mixture, Ga/CNT and Nb/CNT electrode materials were obtained. The purpose of this study is to evaluate the electrochemical properties of Ga/CNT and Nb/CNT electrode materials and discover new electrode materials that can potentially be used. Electrochemical tests were performed to evaluate the properties of electrode materials such as conductivity, electrochemical activity and durability. Research findings were obtained by analyzing Electrochemical Analysis, Cyclic Voltametry Analysis, Galvanostatic Charging Discharge Analysis and Electrochemical Impedance Spectroscopy. As a result of the research, it was determined that there are differences between the capacitive performance of their electrodes and these differences vary according to factors such as material properties, surface roughness and pore structure. Both samples used in the experiment showed capacitive behavior but had different specific capacitance values and speed performances.  As a result, when CNTs and polymer materials are considered supercapacitor components, each has its own advantages and restrictions. Considering the advantages of CNTs such as superior conductivity and surface area properties and polymers flexibility and low cost, it has been determined that they are high function components. The results showed that Ga/CNT and Nb/CNT electrode materials show high conductivity properties and are also successful in terms of electrochemical activity. In addition, it has been observed that composites made by mixing these electrode materials with the TDI/PEG polymer increase mechanical durability.

Key Words: Ga/CNT, Nb/CNT, Electrode Material, TDI/PEG polymer, Electrochemistry, Conductivity, Electrochemical Activity, Energy Storage, Sensors.