Karbon-silisyum ve karbon-azot hibrit yapılarının sentezi ve süperkapasitör uygulamaları
Synthesis and supercapacitor applications of carbon-silicon and carbon-nitrogen hybrid structures
Yazar: ERTUĞRUL CEYRAN
Danışman: PROF. DR. DUYGU EKİNCİ
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry

Özet:
Amaç: Bu çalışmanın amacı, ucuz ve çevre dostu malzemeler kullanarak yüksek hızda şarj edilebilirliğe ve yüksek kapasitif davranışa sahip süperkapasitör sistemleri üretmek ve bunları esnek ve giyilebilir tasarımlarla birleştirerek yeni nesil enerji depolama cihazları geliştirmektir.
Yöntem: Çalışmada esnek süperkapasitör elektrotların (ESE) üretimi için, öncelikle saf pamuktan üretilmiş kumaş (CF) örneği grafen oksit (GO) ve karbon siyahı (CB) içeren aktif materyal karışımı ile kaplandı. CF yüzeyine kaplanmış olan GO, L-askorbik asit (L-AA) kullanılarak indirgenmiş grafen oksite (RGO) dönüştürüldü. Bu işlem sonucunda elde edilen ESE'lerin fonksiyonalizasyon işleminde silisyum atomu içeren klorosilan molekülleri [metil trikloro silan (MTCS), fenil trikloro silan (PTCS), dikloro difenil silan (DCDPS), oktil trikloro silan (OTCS) ve oktadesil trikloro silan (ODTCS)] ve azot atomu içeren azid molekülleri [4-azido bütanoik asit (4-ABA), 4-azido butan-1-ol (4-ABO), 1-azido oktan (1-AO), 8-azido oktanoik asit (8-AOA), 8-azido oktan-1-ol (8-AOO) ve 16-azido hekzadekanoik asit (16-AHA)] kullanıldı. Dopant bileşikler ile kovalent fonksiyonalize edilmiş ESE'lerin karakterizasyon analizleri FT-IR spektroskopisi, Raman spektroskopisi, X-ışını kırınımı (XRD), X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile gerçekleştirildi. ESE'lerin elektrokimyasal performansları ise üç ve iki elektrotlu hücre tasarımında döngüsel voltametri (CV), galvanostatik şarj/deşarj (GCD) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) teknikleri ile araştırıldı.
Bulgular: Karakterizasyon çalışmaları, dopant bileşikleri ile gerçekleştirilen fonksiyonalizasyon işlemlerinin başarılı bir şekilde sağlandığını gösterdi. ESE'lerin üç elektrotlu sistemlerdeki elektrokimyasal incelemeleri, kloro silan molekülleri arasında DCDPS çözeltisinde (10 mM) fonksiyonalize edilen elektrotun (DCDPS(10)-RGO:CF) en yüksek spesifik kapasitansa (1 mVs-1'de CS,CV 683,9 mFcm-2 ve 0,5 mAcm-2'de CS,GCD 627,9 mFcm-2), azid molekülleri arasında ise 4-ABA çözeltisinde (5 mM) fonksiyonalize edilen elektrotun (4-ABA(5)-RGO:CF)  en yüksek spesifik kapasitansa (1 mVs-1'de CS,CV 715,2 mFcm-2 ve 0,5 mAcm-2'de CS,GCD 517,9 mFcm-2) sahip olduğunu gösterdi. DCDPS(10)-RGO:CF ve 4-ABA(5)-RGO:CF elektrotlarının negatif elektrot ve RGO:CF elektrotun pozitif elektrot olarak kullanıldığı asimetrik aygıtlar geliştirildi ve elektrokimyasal performansları incelendi. DCDPS(10)-RGO:CF//RGO:CF ve 4-ABA(5)-RGO:CF//RGO:CF aygıtlarının CV'lerden hesaplanan CS,CV değerleri 1 mVs-1'de sırasıyla 187,0 mFcm-2 ve 134,6 mFcm-2 olarak belirlendi. GCD eğrilerinden hesaplanan CS,GCD değerleri ise 0,1 mAcm-2'de sırasıyla 105,5 mFcm-2 ve 82,8 mFcm-2 olarak belirlendi.
Sonuç: Bu çalışma sonucunda çevre dostu ve ucuz materyallerden, kovalent olarak fonksiyonalize edilmiş yüksek kapasitif davranışa ve uzun çevrim kararlılığına sahip, esnek ve giyilebilir süperkapasitör aygıtlar geliştirildi. Edinilen tecrübelerin yeni nesil süperkapasitör sistemlerin geliştirilmesine katkı sağlayacağı düşünülmektedir.

Abstract:
Purpose: This study aims to produce supercapacitor systems with high-speed rechargeability and high capacitive behaviour using cheap and environmentally friendly materials and to develop next-generation energy storage devices by combining them with flexible and wearable designs.
Method: For the fabrication of flexible supercapacitor electrodes (FSE) in this study, firstly, a pure cotton fabric (CF) sample was coated with a mixture of active material containing graphene oxide (GO) and carbon black (CB). The GO coated on the CF surface was converted to reduced graphene oxide (RGO) using L-ascorbic acid (L-AA). In the functionalization process of the FSEs obtained as a result of this process, chlorosilane molecules containing silicon atoms [methyl trichloro silane (MTCS), phenyl trichloro silane (PTCS), dichloro diphenyl silane (DCDPS), octyl trichloro silane (OTCS), and octadecyl trichloro silane (ODTCS)] and azide molecules containing nitrogen atoms [4-azido butanoic acid (4-ABA), 4-azido butan-1-ol (4-ABO), 1-azido octane (1-AO), 8-azido octanoic acid (8-AOA), 8-azido octan-1-ol (8-AOO) and 16-azido hexadecanoic acid (16-AHA)] were used. Characterization analyses of ESEs covalently functionalized with dopant compounds were carried out by FT-IR spectroscopy, Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and scanning electron microscopy (SEM). The electrochemical performances of FSEs were investigated by cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge/discharge (GCD), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) techniques in three and two-electrode cell designs.
Findings: 
Characterization studies showed that the functionalization processes carried out with dopant compounds were successfully achieved. Electrochemical investigations of FSEs in three-electrode systems showed that the electrode (DCDPS(10)-RGO:CF) functionalized in DCDPS solution (10 mM) between chloro silane molecules  had the highest specific capacitance (CS,CV 683.9 mFcm-2 at 1 mVs-1 and CS,GCD 627.9 mFcm-2 at 0.5 mAcm-2), while among the azide molecules, the electrode (4-ABA(5)-RGO:CF)  functionalized in 4-ABA solution (5 mM) showed the highest specific capacitance (CS,CV 715.2 mFcm-2 at 1 mVs-1 and CS,GCD 517.9 mFcm-2 at 0.5 mAcm-2). Asymmetric devices using DCDPS(10)-RGO:CF and 4-ABA(5)-RGO:CF as negative electrodes and RGO:CF as positive electrode, were developed and their electrochemical performances were investigated. The CS,CV values of DCDPS(10)-RGO:CF//RGO:CF and 4-ABA(5)-RGO:CF//RGO:CF devices calculated from CVs were determined as 187.0 mFcm-2 and 134.6 mFcm-2 at 1 mVs-1, respectively. CS,GCD values calculated from GCD curves, were determined as 105.5 mFcm-2 and 82.8 mFcm-2 at 0.1 mAcm-2, respectively.
Results: As a result of this study, covalently functionalized, flexible, and wearable supercapacitor devices exhibiting high capacitive behavior and long cycle stability were successfully developed using environmentally friendly and cost-effective materials. It is anticipated that the insights gained will significantly contribute to the advancement of new-generation supercapacitor system.