Karbon nanofiber esaslı hibrit elektrotların geliştirilmesi ve süperkapasitör uygulamaları
Development of carbon nanofiber based hybrid electrodes and supercapacitors applications
Yazar: HAMİDE AYDIN
Danışman: DOÇ. DR. SELCAN KARAKUŞ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ÜMRAN KURTAN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Fiziksel Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry
Dizin: Karbon elektrot = Carbon electrode ; Metal nanopartiküller = Metal nanoparticles ; Süperkapasitör = Supercapacitor

Özet:
Enerji depolama, sürdürülebilir enerji kaynaklarının kullanımını artırmak, enerji talebini dengelemek ve enerji sektöründe dönüşümü desteklemek için hayati bir öneme sahiptir. Faradaik veya Faradaik olmayan süreçler yoluyla enerji depolayan, elektrokimyasal kapasitörler olarak da bilinen süperkapasitörler, çeşitli uygulamalarda geleneksel enerji depolama sistemlerini tamamladıkları ve hatta bunların yerini alabildikleri için son zamanlarda popülerlik kazanmıştır. Süperkapasitörlerin performansı, her iki enerji depolama sürecini aynı anda kullanan yeni nanoparçacık içeren hibrit elektrotlar geliştirilerek önemli ölçüde artırılabilir.
Tez kapsamında, süperkapasitörler için farklı hibrit karbon nanofiber (CNF) elektrot malzemeleri sentezlenmiştir. Bu malzemeler XRD, Raman, XPS, SEM, EDX, TEM ve BET teknikleri kullanılarak karakterize edilmiştir. ZrO2, La2O2S, Nb2O5, Eu2O3 ve Gd2O3 nanoparçacıkları içeren heteroatom katkılanmış CNF esaslı hibrit elektrotlar ile hazırlanan simetrik süperkapasitör hücrelerinin elektrokimyasal performansları incelenmiştir. 
Sonuç olarak, optimize edilmiş CNF/ZrO2, CNF/La2O2S, CNF/Nb2O5, CNF/Eu2O3 ve CNF/Gd2O3 hibrit elektrot malzemeleri yüksek spesifik kapasite (Csp), yüksek spesifik enerji ve yüksek çevrim ömrü sağlamıştır. Özellikle CNF/Nb2O5-1 elektrot malzemesi 0-1,2 V potansiyel aralığında yüksek bir spesifik kapasite (200 F/g) ve yüksek spesifik enerji (300 W/kg spesifik güçte 10 Wh/kg) sağlamıştır. 10000 döngüden sonra bile kapasitansının %90'ını korumuştur. Elde edilen sonuçlara göre, bu hibrit elektrot malzemeleri, enerji depolama uygulamaları için süperkapasitörlerde yüksek bir kullanım potansiyeli sergilemiştir.

Abstract:
Energy storage is of vital importance to increase the use of sustainable energy sources, balance energy demand and support transformation in the energy sector. Supercapacitors, also known as electrochemical capacitors, which store energy through Faradaic or non-Faradaic processes, have gained popularity recently as they complement or even replace traditional energy storage systems in a variety of applications. The performance of supercapacitors can be significantly increased by developing new nanoparticle-containing hybrid electrodes that use both energy storage processes simultaneously.
Within the scope of this thesis, different hybrid carbon nanofiber (CNF) electrode materials were synthesized for supercapacitors. These materials were characterized by using XRD, Raman, XPS, SEM, EDX, TEM and BET techniques. The electrochemical performances of symmetric supercapacitor cells constructed from heteroatom-doped CNF-based hybrid electrodes containing ZrO2, La2O2S, Nb2O5, Eu2O3 and Gd2O3 nanoparticles were examined.
As a result, the optimized CNF/ZrO2, CNF/La2O2S, CNF/Nb2O5, CNF/Eu2O3 and CNF/Gd2O3 hybrid electrode materials provided high specific capacitance (Csp), high specific energy and high cycle life. In particular, the CNF/Nb2O5-1 electrode material provided a high specific capacitance (200 F/g) and high specific energy (10 Wh/kg at a specific power of 300 W/kg) in the 0-1.2 V potential range. It retained 90% of its capacitance even after 10000 cycles. According to these results, these hybrid electrode materials exhibited a high potential for use in supercapacitors for energy storage applications.