Grafen kuantum nokta/ metal oksit/ iletken polimer içeren nanokompozitlerin süperkapasitör performanslarının incelenmesi
Investigation of supercapacitor performances of nanocomposites containing graphene quantum dot/metal oxide/conductive polymer
Yazar: BERAY ALYAKUT
Danışman: PROF. DR. NURAY YILDIZ
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Grafen = Graphene ; Polipirol = Polypyrrole ; Süperkapasitör = Supercapacitor

Özet:
Tez çalışmasında, indirgenmiş grafen oksit (rGO), yüksek yüzey alanı, düşük maliyet ve çevre dostu özelikleri ile bilinen grafen kuantum nokta (GKN), yüksek teorik spesifik kapasitansa sahip iletken polimer (polipirol, (PPy)) ve MnO2 içeren nanokompozitlerin sentezi, karakterizasyonu ve süperkapasitör uygulamaları için performanslarının incelenmesi amaçlanmıştır. Nanokompozitlerin karakterizasyonları UV-vis görünür bölge spektrofotometresi, Fourier-dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR), X-ışınları kırınımı (XRD), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Enerji Dağılımlı X Işını analizi (EDX) ve Geçirimli Elektron Mikroskobu (TEM) analizleri ile gerçekleştirilmiştir. Nanoyapıların farklı bileşimlerinin kompozit bileşenlerine göre elektrokimyasal performansları ikili elektrot konfigürasyon yöntemi ile nötr ve asidik elektrolitlerde incelenmiş; galvanometrik şarj-deşarj (GŞD), dönüşümlü voltametri (CV) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) analizleri yapılmıştır. rGO, 1 A/g akım yoğunluğunda 72.98 F/g, saf PPy ise 151.63 F/g olarak ölçülmüştür. Elektrokimyasal performansa bileşen miktarlarının etkisinin incelenmesi için kütlece farklı pirol kullanılarak sentezlenen rGO-PPy nanokompozitleri arasından rGO-PPy12, 1 A/g'da 189.09 F/g kapasitans ortaya koymuştur. Ayrıca üç bileşenli rGO-MnO2-PPy nanokompozitlerinde en iyi kapasitif davranışı sergileyen örnek 1 A/g'da 323.91 F/g ve 5 mV/s'de 577.39 F/g değerlerine sahip olan ayrıca 5000 döngü sonrası (GŞD) kapasitansının %88.9'unu koruyan rGO-MnO2(PVP,120)-PPy16 örneği olmuştur. Farklı bileşen oranlarında sentezlenen GKN-PPy nanokompozitleri arasında 5 mV/s'de 331.76 F/g ve 1 A/g'da 195.34 F/g spesifik kapasitansa sahip GKN-PPy16 örneği, 5000 döngü sonunda (GŞD) spesifik kapasitansının %93'ünü korumuştur. GKN-MnO2-PPy16 nanokompoziti ise 5 mV/s'de 463.46 F/g, 1 A/g'da 193.46 F/g bulunarak üstün elektrokimyasal performans sergilemiştir. rGO-PPy12, rGO-MnO2 (PVP,120)-PPy16, GKN-PPy16, GKN-MnO2-PPy16 nanokompozitlerinin, elde edilen bulgular doğrultusunda saf PPy, MnO2 ve rGO'nun dezavantajlarının üstesinden gelerek kapasitif performansı önemli ölçüde artırdığı sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In this thesis study, the synthesis, characterization, and performance evaluation of nanocomposites containing reduced graphene oxide (rGO), known for its high surface area, low cost, and environmentally friendly properties; graphene quantum dots (GQD); conducting polymer (polypyrrole, PPy) and MnO2 with high theoretical specific capacitance for supercapacitor applications were aimed. The characterization of the nanocomposites was carried out using UV-vis spectroscopy, Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-ray Analysis (EDX), and Transmission Electron Microscopy (TEM). The electrochemical performance of the nanostructures, depending on the composite components with different mass ratios, was examined in neutral and acidic electrolytes using a two-electrode configuration method; galvanostatic charge-discharge (GCD), cyclic voltammetry (CV), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analyses were performed. rGO was measured to have a specific capacitance of 72.98 F/g at a current density of 1 A/g, while pure PPy showed 151.63 F/g. Among the rGO-PPy nanocomposites synthesized with different mass ratios of PPy to investigate the effect of component amounts on electrochemical performance, rGO-PPy12 exhibited 189.09 F/g at 1 A/g. Additionally, among the rGO-MnO2-PPy nanocomposites synthesized with different MnO2 and PPy ratios, the sample demonstrating the best capacitive behavior was rGO-MnO2(PVP,120)-PPy16, which exhibited values of 323.91 F/g at 1 A/g and 577.39 F/g at 5 mV/s, and retained 88.9% of its capacitance after 5000 cycles (GCD). Among the nanocomposites synthesized with different GQD-PPy component ratios, the GQD-PPy16 sample exhibited a specific capacitance of 331.76 F/g at 5 mV/s and 195.34 F/g at 1 A/g, retaining 93% of its specific capacitance after 5000 cycles (GCD). The GQD-MnO2-PPy16 nanocomposite demonstrated superior electrochemical performance, with values of 463.46 F/g at 5 mV/s and 193.46 F/g at 1 A/g. Based on the findings, it was concluded that the rGO-PPy12, rGO-MnO2 (PVP,120)-PPy16, GQD-PPy16, and GQD-MnO2-PPy16 nanocomposites significantly improved capacitive performance by overcoming the disadvantages of pure PPy, MnO2, and rGO.