Giyilebilir elektronikler için MXene ve grafen esaslı mikro süperkapasitörlerin geliştirilmesi
Development of MXene and graphene based micro-supercapacitors for wearable electronics
Yazar: İNAL KAAN DUYGUN
Danışman: PROF. DR. AYŞE BEDELOĞLU
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Polimer Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Polimer Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Günümüzde hızla büyümekte olan giyilebilir teknoloji ürünlerinin çeşit ve sayısı gün geçtikçe artmakta, sağlık takibi ve sportif faaliyet izleyicileri gibi giyilebilir cihazların gelecekte günlük hayatta daha çok yer bulması beklenmektedir. Tekstil ürünleriyle entegre edilen elektronik cihazlar esnek ve yüksek performanslı güç kaynaklarına ihtiyaç duymaktadırlar. Bu amaca yönelik olarak süperkapasitörler ve mikro süperkapasitörler son yıllarda bataryalarla birlikte veya onlara alternatif güç kaynakları olarak kullanılabilmektedir.
Bu çalışmada tekstil endüstrisinde oldukça yaygın bir kullanım alanına sahip olan pamuk esaslı kumaşlar kullanılarak MXene ve grafen esaslı elektrotlara sahip mikro süperkapasitörler geliştirilmiştir. İki boyutlu tabakalı yapılar olan MXene ve indirgenmiş grafen oksit malzemelerin sentez ve optimizasyonu gerçekleştirilmiş ve iki malzemenin elektrokimyasal performans açısından oluşturdukları sinerjik etki incelenmiştir. İndirgenmiş grafen oksitin dispersiyon kabiliyetini artırmak ve kumaş yüzeyleri ile daha iyi bir etkileşim sağlamak amacıyla selüloz nanokristal yapıların varlığında indirgenmiş grafen oksit yapılar elde edilmiştir.
Mikro süperkapasitör elektrotları başlıca MXene ve indirgenmiş grafen oksit/selüloz nanokristal olmak üzere bu iki bileşenin belirli oranlarda karıştırılmasıyla elde edilen hibrit dispersiyonların kumaş yüzeyine uygulanmasıyla elde edilmiştir. Mikro süperkapasitör cihazlarında polivinil alkol/H2SO4 esaslı jel elektrolit kullanılmış ve esnek cihazlar geliştirilmiştir. MXene dispersiyonunda ağırlıça %15'e kadar indirgenmiş grafen oksit varlığının 2 mVs-1 tarama hızında 324,7 Fg-1'e kadar yüksek bir spesifik kapasitans ve çevrim performansını sağladığı belirlenmiştir. Ayrıca hazırlanan indirgenmiş grafen oksit dispersiyonlarında MXene varlığının, spesifik kapasitans değerlerini yükselttiği de belirlenmiştir.
Kumaş üzerine hibrit elektrot yapısının uygulanmasıyla elde edilen mikrosüperkapasitör cihazının MXene ve indirgenmiş grafen oksit/selüloz nanokristal yapının sinerjik etkisi sayesinde 0.04 mA cm-2 akım yoğunluğunda 24,4 mF cm-2 gibi yüksek bir alansal spesifik kapasitansa ulaştığı ayrıca cihaz enerji yoğunluğu değerinin 1,22 mWh cm-2 ve güç yoğunluğunun ise 12,2 mW cm-2 seviyesine ulaştığı belirlenmiştir. Farklı eğme açılarında performansını büyük oranda koruyan mikro süperkapasitörün 180°'lik eğme altında 200 çevrim sonunda spesifik kapasitans değerini %97,2 oranında koruduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Nowadays, the variety and number of rapidly growing wearable technology products are increasing day by day, and wearable devices such as health monitoring and sports activity trackers are expected to find a significant place in daily life in the future. Electronic devices integrated with textile products need flexible and high-performance power supplies. For this purpose, supercapacitors and micro supercapacitors have been used together with batteries or as alternative power sources to them in recent years.
In this study, micro supercapacitors with MXene and graphene-based electrodes were developed using cotton-based fabrics, which are widely used in the textile industry. The synthesis and optimization of MXene and reduced graphene oxide materials, which are two-dimensional layered structures, were carried out and the synergistic effect of the two materials in terms of electrochemical performance was examined. In order to increase the dispersion ability of reduced graphene oxide and provide a better interaction with fabric surfaces, reduced graphene oxide structures were obtained in the presence of cellulose nanocrystal structures.
Micro supercapacitor electrodes were obtained by applying hybrid dispersions obtained by mixing these two components, mainly MXene and reduced graphene oxide/cellulose nanocrystal, in certain proportions, to the fabric surface. Polyvinyl alcohol/H2SO4 based gel electrolyte was used in micro supercapacitor devices and flexible devices were developed. It has been determined that the presence of graphene oxide reduced to 15% by weight in the MXene dispersion provides a high specific capacitance and cycling performance of up to 324.7 Fg-1 at a scanning rate of 2 mVs-1. It was also determined that the presence of MXene in the prepared reduced graphene oxide dispersions increased the specific capacitance values.
The microsupercapacitor device obtained by applying the hybrid electrode structure on the fabric reached a high areal specific capacitance of 24.4 mF cm-2 at a current density of 0.04 mA cm-2, thanks to the synergistic effect of MXene and reduced graphene oxide/cellulose nanocrystal structure. The device energy density value was determined as 22 mWh cm-2 and the power density reached 12.2 mW cm-2. It was determined that the micro supercapacitor, which largely preserved its performance at different bending angles, maintained its specific capacitance by 97.2% after 200 cycles under 180° bending.