Biyokütle esaslı kapasitif karbon elektrot geliştirilmesi
Developing biomass based capacitive carbon electrode
Yazar: VEDİA EZGİ TUĞLUAY
Danışman: PROF. DR. DİLEK DURANOĞLU DİNÇER
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Yüksek performanslı, düşük maliyetli ve çevre dostu enerji depolama sistemlerinin geliştirilmesi kritik önem taşımaktadır. Süper kapasitörler, yüksek güç yoğunluğu, uzun çevrim ömrü, ultra hızlı şarj oranı ve çok çeşitli çalışma koşulları nedeniyle umut verici enerji depolama sistemlerinden biri olarak kabul edilmektedir. Yenilenebilir biyokütle geri dönüştürülebilir, çevre dostu, sürdürülebilir, basit, yaygın olarak bulunabilir ve çevreye zararsız olması nedeniyle karbon elektrotlar için etkili bir hammaddedir.
Bu çalışmada, karbonizasyon koşullarının biyokütle esaslı karbon elektrotların kapasitansı üzerindeki etkisinin araştırılması amaçlanmıştır. Bu amaçla öncelikle nar kabuğu biyokütle atıkları yüksek sıcaklıklarda (800-1100 °C) ve farklı azot akışı (3-15 L/dak) ve ısıtma hızlarında (5-25 °C/dak) karbonize edilmiştir. Biyokütle esaslı karbonlar ile elektrotlar hazırlanmış, ardından döngüsel voltametri analizi  ile kapasitans değerleri belirlenmiştir. Karbonizasyon koşullarının elektrotların kapasitans değerlerine etkisi deneysel tasarım yöntemi kullanılarak sistematik olarak incelenmiştir. Kapasitans ile karbonizasyon koşulları (sıcaklık, ısıtma hızı ve azot akış hızı) arasındaki ilişkiyi veren bir regresyon modeli geliştirilerek optimum karbonizasyon koşulları belirlenmiştir. Belirlenen optimum karbonizasyon koşullarında üretilen kabak çekirdeği kabuğu ve şeker pancarı küspesi esaslı kapasitif  elektrotların da döngüsel voltametri analizi ile kapasitans değerleri belirlenmiş ve kıyaslanmıştır. Nar kabuğu ve kabak çekirdeği kabuğu esaslı karbonlara KOH aktivasyonu uygulanmasıyla kapasitans değerlerinin arttığı belirlenmiştir.  Biyokütle esaslı karbon elektrotların mikro yapısı ve gözenekliliği SEM ve azot adsorpsiyon-desorpsiyon yüzey karakterizasyonu analizleriyle belirlenmiştir.

Abstract:
The development of high-performance, low-cost and environmentally friendly energy storage systems is of critical importance. Supercapacitors are recognized as one of the most promising energy storage systems due to their high power density, long cycle life, ultra-fast charging rate and wide range of operating conditions. Renewable biomass is an effective raw material for carbon electrodes because it is recyclable, environmentally friendly, sustainable, simple, widely available and less harmful to the environment.
In this study, it was aimed to investigate the effect of carbonization conditions on the capacitance of biomass-based carbon electrodes. For this purpose, pomegranate peel biomass wastes were carbonized at high temperatures (800-1100 °C) and under different nitrogen flows (3-15 L/min) and various heating rates (5-25 °C/min). Electrodes were prepared with biomass-based carbonized samples and then capacitance values were determined using cyclic voltammetry analysis. The effect of carbonization conditions on the capacitance values of the electrodes was systematically investigated using the experimental design method. Optimum carbonization conditions were determined by developing a regression model that gives the relationship between capacitance and carbonization conditions (temperature, heating rate and nitrogen flow rate). The capacitance values of pumpkin seed shell and sugar beet pulp based capacitive electrodes produced under the determined optimum carbonization conditions were determined and compared by cyclic voltammetry analysis. It was determined that the capacitance values increased by applying KOH activation to pomegranate peel and pumpkin seed shell based carbons. The microstructure and porosity of biomass based carbon electrodes were determined by SEM and nitrogen adsorption-desorption surface characterization analyses.