Esnek süperkapasitörler için metal destekli grafen oksit katkılı hidrojel malzemelerin üretimi ve elektrokimyasal karakterizasyonu
Production and electrochemical characterization of metal supported graphene oxide-doped hydrogel materials for flexible supercapacitors
Yazar: BETÜL DEMİR
Danışman: PROF. DR. CEMAL ÖZEROĞLU ; DR. SİBEL YAZAR AYDOĞAN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Fiziksel Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Süperkapasitörler bir enerji depolama aygıtı olup fiziksel özelliklerine ve enerji depolama kabiliyetlerine bağlı olarak enerjinin ihtiyaç duyulduğu birçok elektronik cihazda kullanılabilmektedir. Süperkapasitörlerin hızlı şarj-deşarj yetenekleri, yüksek güç yoğunluğu sunabilmeleri, bataryalara kıyasla uzun döngü ömrüne sahip olmaları bu alanda avantajlı kılan özellikleridir. Üretilen elektrot malzemelerinin bataryalar gibi sadece metal türlerine bağımlı olmamaları elektrot malzemesinin üretiminde daha geniş bir malzeme yelpazesine sahip olmasını sağlar. Bu da maliyeti düşük, toksik olmayan, sürdürülebilir, kolay üretim prosesine sahip malzemelerle bir enerji depolama aygıtı üretimine imkan sağlamaktadır. Ayrıca esnek, hafif ve iletken özellikteki malzemelerin elektrot malzemesi olarak kullanılabilmesi giyilebilir ve esnek enerji depolama birimlerinin üretimine de olanak sunmaktadır. Henüz bu alanda yaygın olarak kullanılamamalarının sebebi ise ihtiyaç duyulan gerekli enerji yoğunluğunu sunamamalarıdır. Bu zamana kadar geleneksel kapasitörlerde uzun döngü ömrüne sahip karbon temelli elektrot malzemeleri kullanılmıştır. Doğaları gereği elektrostatik etkileşimlerle enerji depolayabilen bu cihazlarda elektrot alanı büyük önem taşımaktadır. Taşınabilir ve küçük boyutlarda cihazlar için kullanılacak enerji depolama birimlerinde ise cihazın büyüklüğü karşılaşılan ayrı bir problemdir. Bu gibi sorunları gidermek için redoks özelliklerine sahip metallerin tercih edilmesi spesifik kapasitans değerlerini arttırabilecek en önemli katkılardandır.
Bu tezde karbon keçe (KK) esnek elektrot malzemesi akım toplayıcı olarak kullanıldı. Ardından grafen oksit (GO) elektrot aktif malzemesi sentezlendi. Birlikte çöktürme yöntemi ile ayrı ayrı Fe, Ru, Ni, Ga ve Co metalleri GO' e katkılanarak elektrot malzemesinin kapasitans özellikleri incelendi. En iyi sonuç veren metallerle ikili katkılama yapılarak en iyi performans sunan elektrot malzemesi araştırıldı. Ayrıca bu tezde radikal polimerizasyon yöntemi ile poliakrilik asit (PAA) hidrojeli üretildi. Süperkapasitör aygıtlarında performansı kısıtlayan diğer bir özellik elektrot yüzeyindeki aktif malzemenin topaklanması gibi etkilerinden dolayı elektrolit iyonlarının elektrot yüzeyine yeterince ulaşamaması sonucunda kapasitansında düşüş olmasıdır. PAA' nın polimerleşmesi sırasında metallerin kolloidal çöktürmesi gerçekleştirilerek homojen bir yüzey oluşturmasını sağlandı. Ayrıca elektrot aktif malzemelerin KK elektrot yüzeyine yapışmasını sağlayarak KK ile olan etkileşimini arttırdı. Ek olarak, iyonik iletkenlik özellikleri yüksek hidrojeller sayesinde elektrolit iyonlarının iç yüzeylere ulaşmasını sağlayarak kapasitif davranışın artmasını sağladı. Son olarak, malzeme polimerle birlikte elektrot yüzeyine kaplandığından metallerin sergilediği düşük döngü ömrü iyileştirildi.
Bu tez çalışmasında 3-elektrotlu sistemde en yüksek spesifik kapasitans değerini PAA-(Ni/GO) ve PAA-(Co/GO) elektrotları gösterdi. PAA-(Ni/GO) elektrodu için 1,0 mA cm-2 akım yoğunluğunda 332,58 F/g olarak hesaplandı. PAA-(Co/GO) elektrodu için ise 2,0 mA cm-2 akım yoğunluğunda 174,5 F/g olarak hesaplandı. Ardından oluşturulan ikili metal katkılı GO ile üretilen elektrot malzemesinin miktar optimizasyonu yapılarak  PAA-%10CoNi(70-30)/GO elektrodunun en yüksek enerji depolama performansı sergilediği görüldü. Bu elektrot malzemelerinden üretilen simetrik süperkapasitörün spesifik kapasitans değeri 0.4 mA cm-2' de 85,7 F/g olarak hesaplandı. Ulaşılan en yüksek enerji ve güç yoğunluğu değerleri sırasıyla 23.3 Wh/kg ve 8400.0 W/kg olarak hesaplandı.

Abstract:
Supercapacitors are energy storage devices and, depending on their physical properties and energy storage capabilities, can be used in many electronic devices where energy is needed. The fast charge-discharge capabilities of supercapacitors, their ability to offer high power density, and their long cycle life compared to batteries are the features that make them advantageous in this field. The fact that the electrode materials produced are not only dependent on metal types like batteries allows a wider range of materials to be used in producing electrode materials. This enables the production of an energy storage device with low-cost, non-toxic, sustainable materials with an easy production process. In addition, the use of flexible, lightweight and conductive materials as electrode materials enables the production of wearable and flexible energy storage units. The reason why they are not yet widely used in this field is that they cannot offer the required energy density needed. Until now, carbon-based electrode materials with long cycle life have been used in conventional capacitors. Electrode area is of great importance in these devices, which can store energy through electrostatic interactions due to their nature. In energy storage units to be used for portable and small-sized devices, the size of the device is another problem. To overcome such problems, choosing metals with redox properties is one of the most important contributions that can increase specific capacitance values.
In this thesis, carbon felt (CF) flexible electrode material was used as a current collector. Then graphene oxide (GO) electrode active material was synthesized. The capacitance properties of the electrode material were investigated by doping Fe, Ru, Ni, Ga and Co metals into GO separately by co-precipitation method. The best performing electrode material was investigated by binary doping with the best performing metals. In addition, polyacrylic acid (PAA) hydrogel was produced by radical polymerization method in this thesis. Another feature that limits the performance of supercapacitor devices is the decrease in capacitance as a result of the electrolyte ions not reaching the electrode surface sufficiently due to the effects such as agglomeration of the active material on the electrode surface. During the polymerization of PAA, colloidal precipitation of metals was provided to form a homogeneous surface. In addition, it increased the interaction of electrode active materials with CF by enabling them to adhere to the KK electrode surface. In addition, hydrogels with high ionic conductivity enabled the electrolyte ions to reach the inner surfaces and increased the capacitive behavior. Finally, the low cycle life exhibited by metals was improved as the material was coated on the electrode surface together with the polymer. 
In this thesis, PAA-(Ni/GO) and PAA-(Co/GO) electrodes showed the highest specific capacitans performance in the 3-electrode system. It was calculated as 332.58 F/g at a current density of 1.0 mA cm-2 for PAA-(Ni/GO) electrode. For PAA-(Co/GO) electrode, it was calculated as 174.5 F/g at a current density of 2.0 mA cm-2. Subsequently, quantitative optimization of the electrode material produced with the binary metal doped GO was performed and it was observed that the PAA-10%CoNi(70-30)/GO electrode exhibited the highest energy storage performance. The specific capacitance value of the symmetrical supercapacitor produced from these electrode materials was calculated as 85.7 F/g at 0.4 mA cm-2. The highest energy and power density values achieved were 23.3 Wh/kg and 8400.0 W/kg, respectively.