Bazı grafen esaslı malzemelerin süperkapasitör sistemlerindeki performanslarının incelenmesi
Investigation of performance of some graphene-based materials in supercapacitor systems
Yazar: MELİH BEŞİR ARVAS
Danışman: PROF. DR. YÜCEL ŞAHİN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Analitik Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Analitik kimya = Analytical chemistry ; Elektrokimya = Electrochemistry ; Elektrokimyasal davranış = Electrochemical behavior ; Elektrokimyasal depolama = Electrochemical deposition ; Elektrokimyasal yöntem = Electrochemical method ; Elektrokimyasal ölçümler = Electrochemical measurements ; Elektrokimyasal özellikler = Electrochemical properties

Özet:
Bu tez çalışmasında, mevcut enerji depolama sistemlerine alternatif olabilecek süperkapasitörler için grafen esaslı malzemeler geliştirilmiştir. Elektrokimyasal çift tabaka kapasitörleri için geliştirilen heteroatom katkılı grafen esaslı elektrot ve toz malzemeler kullanılarak yüksek performanslı süperkapasitör sistemleri yapılmıştır. Bu kapsamda, Yucel Metot ile elde edilen kükürt (S), azot (N), klor (Cl), fosfor (P)  ve kükürt-azot katkılı grafen esaslı malzemelerin elektrot olarak kullanılmasıyla geniş potansiyel çalışma aralığına, yüksek enerji ve güç yoğunluğuna sahip simetrik süperkapasitör sistemleri geliştirilmiştir. Yucel Metot ile üretilen heteroatom katkılı grafen esaslı malzemeler, literatürde yer alan mevcut grafen sentez yöntemlerine göre daha çevreci ve ekonomiktir. Bu yöntemde, grafit gibi bir ucuz öncül malzeme kullanılarak klasik üç elektrotlu elektrokimyasal hücrede tek basamakta, yüksek kalitede, heteroatom katkılı grafen sentezi yapılmaktadır. Sentezlenen grafen esaslı elektrot ve tozların karakterizasyonları için elektrokimyasal (dönüşümlü voltametri, elektrokimyasal empedans spektroskopisi ve dönüşümlü şarj deşarj testleri), spektroskopik ve mikroskobik yöntemler kullanılmıştır. Grafen esaslı toz malzemelerin süperkapasitör performansları düğme tipi (coin cell) hücre içinde incelenmiştir. Bu tez çalışmasında, en yüksek kapasitans değeri (2531 mF/cm2) klor katkılı grafen esaslı elektrot ile tozlarda ise N-katkılı grafen esaslı toz malzeme ile (235.3 F.g-1) elde edilmiştir. Tez kapsamında elde edilen kapasitans değerlerinin literatürde mevcut olan kapasitans değerlerinden daha yüksek olduğu saptanmıştır.

Abstract:
In this thesis, graphene-based materials have been developed for supercapacitors, which can be an alternative to conventional energy storage systems. High-performance supercapacitor systems have been made by using heteroatom-doped graphene-based electrode and powder materials developed for electrochemical double-layer capacitors. In this context, by using sulfur (S), nitrogen (N), chlorine (Cl), phosphorus (P) and sulfur-nitrogen doped graphene-based materials obtained by Yucel's Method as electrodes, symmetrical supercapacitor systems with wide potential operating range, high energy and power density have been developed. Heteroatom-doped graphene-based materials produced by the Yucel's Method are more environmentally friendly and economical than the existing graphene synthesis methods in the literature. In this method, high quality, heteroatom-doped graphene is synthesized in conventional three-electrode electrochemical cell in one step using an inexpensive precursor material such as graphite. Electrochemical (cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy and cyclic charge-discharge tests), spectroscopic and microscopic methods were used for the characterization of the synthesized graphene-based electrodes and powders. Supercapacitor performances of graphene-based powder materials were investigated in a coin cell. In this thesis study, the highest capacitance value (2531 mF/cm2) was obtained with chlorine-doped graphene-based electrode and in powders with N-doped graphene-based powder material (235.3 F.g-1). It has been determined that the capacitance values obtained within the scope of the thesis are higher than the capacitance values available in the literature.