Titanyum esaslı nanokompozitlerle yüksek performanslı enerji depolama uygulamaları
High performance energy storage applications with titanium based nanocomposites
Yazar: MUHAMMET EBUBEKİR TORBALI
Danışman: DOÇ. DR. ECE ÜNÜR YILMAZ
Bursa Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu tez çalışmasında; anataz fazındaki titanyum dioksit (TiO2), biyokütle kaynaklı aktif
karbon ve iletken polimerden oluşan nanokompozit malzeme sentezlenmiş ve elde
edilen malzeme süperkapasitör elektrot malzemesi olarak kullanılmıştır. Basit ve çevre
dostu bir metot olan hidrotermal karbonizasyon yöntemiyle tek adımda titanyum
dioksit parçacıkları biyokütle kaynaklı aktif karbonla kaplanmış, daha sonra kompozit
malzeme piroliz işlemine tabi tutulmuştur. Piroliz işlemi ile yapıdaki hidroksil grupları
bozularak oksijen içeriği düşürülmüş ve karbon içeriğinin artması sağlanmıştır.
Yapıdaki karbon içeriğinin artması sonucunda titanyum dioksitin mekanik özellikleri
iyileştirilmeye çalışılmıştır. Sentezlenen nanokompozit malzemenin elektriksel
iletkenliğini artırmak için PEDOT:PSS katkısı yapılmış, böylece TiO2'nin sahip
olduğu geniş bant aralığının olumsuz etkisi azaltılmaya çalışılmıştır. Sentezlenen
malzemelerin elementel analizleri ile bileşenleri tespit edilmiştir. XRD analizi ısıl
işlemler ve polimer kaplama sonrasında TiO2'nin anataz fazında herhangi bir değişim
olmadığını göstermiştir. SEM ve TEM görüntüleri ile malzemenin topografik ve
morfolojik analizleri yapılmış, küresel şekle sahip, ince bir karbon ve polimer tabakası
ile kaplanmış kristal nanoparçacıklar gözlenmiştir. TGA analizi ile uygulanan termal
işleme karşılık malzemelerin kütlesel kararlılıkları incelenmiş, FTIR analizleri ile
atomik bağ yapıları araştırılmıştır. Sentezlenen malzemelerin spesifik yüzey alanları
ve gözenek boyutu dağılımları sırası ile BET ve DFT metotları kullanılarak
belirlenmiştir. TiO2/C/PEDOT:PSS nanokompozitin mezogözenekli yapıya ve
102,3 m2g-1spesifik yüzey alanına sahip olduğu görülmüştür. Fiziksel
karakterizasyonların ardından malzemelerin elektrokimyasal performansları üçlü
elektrot konfigürasyonu kullanılarak 0-1 V (vs. Ag/AgCl) potansiyel aralığında 1M
H2SO4 sulu çözeltisi içerisinde gerçekleştirilmiştir. TiO2/C/PEDOT:PSS üçlü
kompozit malzeme bileşenlerinin oluşturduğu sinerjik etki ile 0,25 Ag-1
akım yoğunluğunda 189,4 Fg-1 yüksek spesifik kapasitans göstermiştir. Bu değer, literatürde
TiO2 ve PEDOT:PSS' in süperkapasitör elektrot malzemesi olarak birlikte kullanıldığı
çalışmalardan elde edilen sonuçların üzerindedir. Ayrıca üçlü kompozit malzeme 1500
şarj-deşarj çevrimi sonrası sahip olduğu kapasitansın %98'ini korumuş ve yüksek
elektrokimyasal kararlılık elde edilmiştir. Sonuç olarak, bileşenlerinin öne çıkan
özelliklerini bir araya getirerek hazırlanan üçlü kompozit malzeme enerji depolama
çalışmaları açısından ümit vaad eden sonuçlar göstermiştir.

Abstract:
In this work, the nanocomposite material consisting of biomass-derived activated
carbon, titanium dioxide (anatase phase) and conductive polymer was prepared and
tested as a supercapacitor electrode material. TiO2 nanoparticles were coated by
biomass-derived activated carbon via a simple, environmentally friendly and one-step
hydrothermal carbonization method. Successive pyrolysis process increased the
carbon content of the material by degradation of hydroxyl groups. As a result of
increasing carbon content in the structure, the mechanical properties of titanium
dioxide have been improved. PEDOT:PSS coating was applied to reduce the wide
band gap of anatase TiO2 and thus improve the electrical conductivity of the
synthesized composite material. Chemical compositions of the synthesized materials
were determined by elemental analysis. XRD patterns showed that the anatase phase
of TiO2 was maintained after the heat treatments and the polymer coating. The
crystalline spherical nanoparticles with a thin carbon layer were observed from SEM
and TEM images. The thermal stabilities of the materials were investigated by TGA
analysis. FTIR analyses were used to investigate chemical bonding. The pore size
distributions and the specific surface area of the synthesized materials were calculated
by the DFT and BET method, respectively. The TiO2/C/PEDOT:PSS ternary
composite showed a mesoporous structure with a surface area of 102,3 m2g-1. The
electrochemical properties of the TiO2/C/PEDOT:PSS composite was investigated by
using a three-electrode cell configuration at the potential range of 0 to 1 V (vs.
Ag/AgCl) in 1M H2SO4 aqueous electrolyte. The TiO2/C/PEDOT:PSS ternary
composite electrode showed a high specific capacitance of 189.4 Fg-1 at a current
density of 0.25 Ag-1 due to the synergistic effect of its components. The capacitance is
higher than the previously reported values for TiO2 and PEDOT:PSS-based
nanocomposites. In addition, TiO2/C/PEDOT: PSS ternary composite material showed
98% capacitance retention and high electrochemical stability after 1500 cycles. As a
result, the composite material showed promising results for energy storage
applications.