Biyokütle temelli aktif karbonların elektrokimyasal çift tabaka kapasitörlerde elektrot malzemesi olarak kullanımı
Use of biomass based activated carbons as electrode materials in electrochemical double-layer capacitors
Yazar: İFFET IŞIL GÜRTEN İNAL
Danışman: PROF. DR. ZEKİ AKTAŞ
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Süperkapasitörler, enerjiyi çok hızlı depolamak ve aktarmak üzerine tasarlanmış, elektrokimyasal enerji depolama sistemlerinin en önemli grubunu oluşturmaktadır. Süperkapasitörler, geleneksel kapasitörlere kıyasla, yüzlerce kat fazla enerji depolayabilirken, bu enerjiyi elektrokimyasal pillere göre yaklaşık on kat hızlı aktarabilirler. Yüksek yüzey alanları sebebiyle gözenekli karbon malzemeler, süperkapasitörlerde elektrot malzemesi olarak sıklıkla kullanılmaktadır. Diğer karbon temelli malzemelere göre üretim maliyeti daha düşük, yüzey alanı daha yüksek olan aktif karbonlar ise, en çok kullanılan karbon elektrot malzemesidir. Gözenekli karbon elektrotun yüzey alanı arttıkça, elektrot yüzeyinde biriken yük miktarı arttığından kapasitans da artmaktadır. Ancak; yüksek yüzey alanı tek başına yüksek kapasitans için yeterli değildir. Karbon elektrotun gözenek yapısı ve yüzey kimyası da önemlidir. 
Tez çalışmasında, biyokütle temelli başlangıç maddelerinden (çay atığı, domates bitkisi, kimyon bitkisi) yüksek performanslı süperkapasitör elektrot malzemesi olarak kullanılabilecek, farklı yüzey özelliklerine sahip aktif karbonlar üretilmiş ve üretilen aktif karbonların yüzey özeliklerinin kapasitör performansına etkisi araştırılmıştır. Aktif karbon örnekleri, farklı aktivasyon araçları kullanılarak, kimyasal aktivasyon yöntemiyle üretilmiştir. Ayrıca, çeşitli fiziksel ve kimyasal işlemler ile üretilen karbon malzemelerin yüzey özellikleri modifiye edilerek, elektrokimyasal performansın geliştirilmesi amaçlanmıştır. Elektrot bileşimi/kalınlığı/hazırlama tekniği, elektrolit tipi, aktif karbon başlangıç maddesi/kimyasal aktivasyon aracı tipinin elektrokimyasal performans üzerine etkileri incelenmiştir. Üretilen/modifiye edilen aktif karbon örnekleri başlıca; yüzey alanı ve gözenek boyut dağılımı, elementel, SEM, FTIR, XPS yöntemleri ile karakterize edilirken, hazırlanan elektrotların elektrokimyasal karakterizasyonu ise döngüsel voltametri (CV), galvanostatik dolma-boşalma GCD ve impedans spektroskopisi teknikleri ile gerçekleştirilmiştir.
Deneysel bulgulara göre; Püskürtme yöntemiyle, daldırma yöntemine göre, daha homojen elektrotlar hazırlanmış ve elektrotların kapasitif performanslarında önemli artış elde edilmiştir. Karbonun yüzey özelikleri ve elektrokimyasal performansının, üretimde kullanılan kimyasal aktivasyon aracı tipi ile önemli ölçüde değiştiği belirlenmiştir. Orijinal aktif karbon örneğine uygulanan CO2 aktivasyonunun, ürünün gözenek yapısını önemli ölçüde değiştirerek, elektrokimyasal performansı arttırdığı tespit edilmiştir. Düşük derişimlerde HNO3 modifikasyonu ile kapasitif performansında gelişme sağlanmış, ancak artan asit derişimlerinde yüzeydeki oksijenli fonksiyonel grupların etkisiyle elektrot direncinde artış gözlenmiştir. Aktif karbon yüzeyine Ag nanoparçacıkları çöktürülmesi ile hazırlanan kompozit örneğin, BET yüzey alanı ve kapasitif performansı düşerken, aktif karbon ve PANI ile hazırlanan kompozit elektrotların spesifik kapasitanslarında orijinal örneğe göre önemli artış gözlenmiştir. Hammaddenin farklı asitlerle demineralisayonu da elektrot performansını olumlu etkilemiştir.

Abstract:
Supercapacitor is commonly used the term for class of electrochemical energy-storage devices that are ideally suited to the rapid storage and release of energy. The specific energy of supercapacitors is several orders of magnitude higher compared with conventional capacitors. Supercapacitors also have a higher specific power than most batteries; however their specific energy is somewhat lower. Porous carbon materials are the most widely used as the electrode materials due to their high surface area. Activated carbons produced from natural materials such as biomasses are the most attractive option to use as the electrode materials among all carbonaceous materials. An activated carbon electrode with high capacitance is ideal for applications; this requires the carbon to have not only a high surface area but also an optimised pore size distribution and surface chemistry. 
The aim of this PhD thesis is to prepare the activated carbons with different surface properties as to employ high performance supercapacitor electrodes from various biomass based (waste tea, tomato and cumin plant) activated carbons. To use such materials, the activated carbons were produced in accordance with the chemical method. The activated carbon samples were modified by using various techniques as well as the chemical activation. Effects of electrode preparation method, electrode thickness, the type of chemical activation agent and the raw material on the capacitive performance of the electrode were investigated. The activated carbon samples prepared by different production/modification methods were characterised in terms of surface area and pore size distribution, elemental, SEM, FTIR, XPS analyses. Cyclic Voltammetry (CV), Galvanostatic Charge-Discharge (GCD) and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) techniques were applied to characterise the electrochemical performance of the electrodes. 
The results showed that, homogenous electrode surface was obtained by spray coating method compared with dip coating. Moreover a sharp increase in the capacitive performance of the electrodes was achieved. The results also showed that the pore structure and type of the activation agent have significant impact on the supercapacitor performance. Additional activation of the activated carbon in the presence of CO2 promoted the performance of the electrodes, leading a change in the pore structure of the sample. Modification of the activated carbons with low concentration of HNO3 leads to improve performance of the electrodes. However the high concentration of HNO3 caused a significant increase in the ESR of the electrodes. While the composite electrodes prepared by Ag nanoparticles and the activated carbon sample showed a poor electrochemical performance and reduced the BET surface area, the composite of PANI and the activated carbon presented significant increase in the specific capacitance. Demineralisation of the raw material of the activated carbon caused a slight improvement in the performance of the electrodes.