Hidrotermal yöntem ile iki boyutlu WS2 ve Bi2S3 nanoyapıların sentezi ve süperkapasitör uygulamaları
Synthesis of two dimensional WS2 and Bi2S3 nanostructures by hydrothermal method and their supercapacitor applications
Yazar: ADEM KARA
Danışman: PROF. DR. MEHMET ERTUĞRUL
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı / Nanomalzeme  Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Kimya = Chemistry ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Amaç: Bu tez çalışmasında, süperkapasitör elektrot malzemesi olarak Tungsten disülfür (WS2) ve Bizmut sülfür (Bi2S3) nanoboyutlu yapıların sentezi, karakterizasyonu ve elektrokimyasal davranışlarının incelenmesi amaçlanmıştır.
Yöntem: WS2 ve Bi2S3 yapılar hiçbir yüzey aktif madde kullanılmadan hidrotermal yöntem ile sentezlenmiştir. Bu sentezlenen maddelerin karakterizasyonu için taramalı elektron mikroskopi (SEM), geçirimli elektron mikroskopi (TEM), X-ışını kırınım (XRD) teknikleri kullanılmıştır. Bu maddelerin elektrokimyasal davranışlarının incelenmesi için Ni-köpük alttaş üzerine farklı teknikler kullanılarak Ni/WS2 ve Ni/Bi2S3 elektrotları hazırlanmıştır. Elektrotların spesifik kapasitans ve döngü ömürleri (kararlılık), kapasitans performansı, dönüşümlü voltametri (CV), galvanostatik şarj-deşarj (GCD) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) testleri iki ve üç elektrotlu sistemi kullanılarak araştırılmıştır. Ayrıca, elektrot malzemelerin parçacık boyut dağılımı partikül analizör ile incelenmiştir. 
Bulgular: Elektrot hazırlanırken malzemenin öğütülmesi yapısal bir kararlılık sağlamakla birlikte spesifik kapasitans değerinin de artmasına sebep olmuştur. Öğütme işlemi parçacık boyutunun düşmesine sebep olmuştur. 1 M Na2SO4 çözeltisinde W3 (WS2) ve B3 (Bi2S3) elektrotlarının elektrokimyasal davranışları incelendiğinde spesifik kapasitans değerleri 212 ve 117 F/g olarak hesaplanmıştır. Bu elektrotların 5 A/g akım yoğunluğunda 2000 döngü sonrası kapasitans değerlerinin sırayla % 95 ile % 85'ni korudukları belirlenmiştir. Asimetrik hücre-I ve hücre-II'nin spesifik kapasitans değerleri 81,5 ve 61,5 F/g olarak ölçülmüş ve 5 A/g akım yoğunluğunda 2000 döngü sonrası kapasitans değerlerinin sırayla % 81 ve % 71'ni korudukları belirlenmiştir. Asimetrik süperkapasitörler için sırayla 11,32 Wh/kg ve 8,54 Wh/kg enerji yoğunluğuna karşın güç yoğunlukları her iki asimetrik hücre için 250 W/kg olarak hesaplanmıştır.
Sonuç: WS2 ve Bi2S3 hidrotermal yöntem ile yüksek saflıkta sentezlenebilir. WS2 ve Bi2S3'un elektrokimyasal davranışları incelenmiş, her iki madde de süperkapasitör malzemesi olarak kullanılması uygun bulunmuştur. Elektrot malzemesinin öğütülmesi spesifik kapasitans değerini artırmıştır.

Anahtar Kelimeler: WS2, Bi2S3, CV, GCD, EIS, süperkapasitör ve asimetrik süperkapasitör

Abstract:
Purpose: In this thesis, it is aimed to examine the synthesis, characterization and electrochemical behavior of Tungsten disulfide (WS2) and Bismuth sulphide (Bi2S3) in order to test its usability in supercapacitor applications.
Method: WS2 and Bi2S3 were synthesized by hydrothermal method without using any surfactants. For the characterization of these synthesized substances, scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD) techniques. Ni / WS2 and Ni / Bi2S3 electrodes were prepared on Ni-foam substrate using different techniques to investigate the electrochemical behavior of these substances. Stability of the electrodes, capacitance performance, cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge-discharge (GCD) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) tests were investigated using two and three electrode systems. Particle size distribution of electrode materials was examined by a particle analyser.
Findings: While the electrode was being prepared, the grinding of the material provided a structural stability and increased the specific capacitance value. The grinding process caused the particle size to decrease. When the electrochemical behaviors of W3 (WS2) and B3 (Bi2S3) electrodes were examined in 1 M Na2SO4 solution, specific capacitance values were calculated as 212 and 117 F / g. It has been determined that these electrodes maintain 95 % and 85 % of their capacitance values after 2000 cycles at a current density of 5 A / g, respectively.  Specific capacitance values of asymmetric cell-I and cell-II were measured as 81.5 and 61.5 F / g, and it was determined that the capacitance values after 2000 cycles at 5 A / g current density preserved 81 % and 71 %, respectively. Power densities are calculated as 250 W / kg for both asymmetric cells, versus 11.32 Wh / kg and 8.54 Wh / kg respectively for asymmetric supercapacitors.
Results: WS2 and Bi2S3 were synthesized in high purity by hydrothermal method. The electrochemical behaviors of WS2 and Bi2S3 were investigated, and both materials were found suitable to be used as supercapacitor materials. Grinding the electrode material increased the specific capacitance value. 

Keywords:  WS2, Bi2S3, CV, GCD, EIS supercapacitor ve asymmetric supercapacitor.