Üç boyutlu grafen içerikli süperkapasitör yapımı
Three-dimensional graphene content supercapacitor production
Yazar: HATİCE HANDE BAŞ
Danışman: PROF. DR. FUNDA ATALAY
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Grafen; elektriksel, termal ve mekanik özellikleri açısından eşsiz bir malzemedir. Son yıllarda sensörler, fotodedektörler, güneş panelleri, enerji depolama aygıtları ve kataliz araştırmalarında yoğun olarak kullanılmaktadır. Özellikle 2 boyutlu (2D) grafen tabakaların polimerler içine homojen olarak dağıtılması ve oluşturulan bu yapıların başta enerji uygulamaları olmak üzere; elektromanyetik kalkanlama, optoelektronik ve sensör teknolojisinde kullanımı hedeflenmiştir. Fakat grafen tabakaların homojen olmayan dağılım ve kendi aralarında yeniden istiflenme eğiliminde olma isteği ve tabakalar arası yüksek direnç gibi parametreler grafenin kullanım alanını önemli ölçüde sınırlamıştır. Bu çalışmada, öncelikle bu problemi ortadan kaldıracak üç boyutlu (3D) grafen köpük yapısının üretilmesi hedeflenmiştir. Bunun için ilk olarak 2D grafen yapıları içeren çözeltiler elektrokimyasal eksfoliasyon (sıyırma) yöntemi ile elde edilmiş, ardından bu yapıların üç boyutlu bir yapı oluşturacak şekilde metal bir iskelet üzerinde istiflenmesi hidrotermal yöntemle sağlanmıştır. Hidrotermal yönteme alternatif olarak çok daha kolay ve etkin bir yöntem olan elektrokimyasal yöntem ile de 3D grafen yapısı nikel köpük üzerinde elde edilmiştir. Elde edilen bu yapılar hiçbir organik bağlayıcıya ve iletkenlik artırıcıya gerek kalmadan süperkapasitör elektrodu olarak kullanılmıştır. Hidrotermal yöntemle elde edilen yapılar arasında en iyi spesifik kapasitans 2000 sürekli dolma boşalma çevrimi için sabit 1 A/g da 280 F/g olarak elde edilmiştir. Elektrokimyasal olarak farklı kaplama sürelerinde elde edilen numuneler arasında, en iyi elektrokimyasal performansı 10 dk boyunca grafen kaplanmış elektrot göstermiştir. Sabit 20 A/g da 2500 sürekli dolup boşalma için gözlenen maksimum kapasitans 970 F/g dır. Ayrıca üretilen 3D grafen yapının nem sensörü olarak kullanımı yönünde de bir ön araştırma yapılmıştır.

Abstract:
Graphene is a unique material in terms of its electrical, thermal and mechanical properties. In recent years, it has been used extensively in sensors, photodetectors, solar panels, energy storage devices and catalysis research.  It is aimed to homogeneously distribute 2 dimensional (2D) graphene layers into polymers and to use these structures in electromagnetic coating, optoelectronics and sensor technology, especially in energy applications. CVD method and Hummers method are generally used in GF production. The first of these methods is costly and requires low pressure and expensive inert gases. The second method requires the use of harmful toxic substances, and the resulting product is not sufficiently pure. But parameters such as the inhomogeneous distribution of graphene sheets and the tendency to assemble among them, high interlayer resistance, the use of graphene has been significantly limited.In this study, it is aimed to produce a three-dimensional (3D) graphene foam structure in order to eliminate this problem. For this purpose, firstly, solutions containing 2D graphene structures were obtained by electrochemical stripping method. Then, the hydrothermal method was used to stack these structures on a metal framework to form a three-dimensional structure. These structures were used as supercapacitor electrodes without the need for any organic binders or conductivity enhancers. Among the structures obtained by the hydrothermal method, the best specific capacitance was obtained as 280 F g at a constant 1 A/g for 2000 continuous charge and discharge cycles. Among the samples electrodeposited at different times, the graphene electrodeposited electrode for 10 min showed the best electrochemical performance. The maximum capacitance value is observed 970 F/g at constant 20 A/g for 2500 continuous charge and discharge cycles.In addition, a preliminary study was carried out for the use of the produced 3D graphene structure as a humidity sensor.