S. officinalis ekstraktı ile yeşil hidrotermal sentezlenen nanokompozitlerin manyetik ve süperkapasitör özelliklerinin araştırılması
Investigation of the magnetic and supercapacitor properties of nanocomposites synthesized by green hydrothermal method with S. officinalis extract
Yazar: KÜBRA ZENKİN
Danışman: PROF. DR. SEFA DURMUŞ
Düzce Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Son yıllarda dünyada, enerji kıtlığı ve küresel ısınmanın meydana gelmesi yeşil enerji depolama cihazları olarak süperkapasitörlere olan ihtiyacı arttırmıştır. Bu nedenle, toplumun ihtiyaçlarını karşılamak için yüksek enerji yoğunluğuna sahip, düşük maliyetli yeni süperkapasitörler geliştirilmelidir. Süperkapasitör türü olan psödokapasitörlerin Faradaik redoks reaksiyonları, genellikle metal iyonlarının birden fazla değerlik durumuna sahip olduğu metal oksitlerde gerçekleştirilmektedir. Geçiş metal oksit psödokapasitörler, değişken oksidasyon adımları nedeniyle yüksek enerji yoğunluğuna, yüksek özgül kapasitansa, üstün özgül enerjiye ve büyük yük transfer reaksiyon özelliklerine sahiptir ve bu da onları yüksek performanslı süperkapasitörler için benzersiz adaylar haline getirmektedir. Son zamanlarda, psödokapasitör uygulamaları için geçiş metal oksit bazlı malzemelerin araştırılması ve geliştirilmesi için birçok çalışma yürütülmektedir. Bu tez çalışmasında teorik psödokapasitör özelliği yüksek, NiO'in elektrokimyasal özelliklerini geliştirmek için, Fe3O4, Co3O4, CuO ve ZnO geçiş metal oksitleri ile Salvia officinalis (S. officinalis) bitki ekstrakt aracılı hidrotermal yöntem kullanılarak nanokompozitler sentezlendi. Sentez, 120°C, 12 s (HT-I) ve 180°C, 24 s (HT-II) olmak üzere iki farklı çalışma şartlarında gerçekleştirildi. Sentezlenen nanokompozitlerin yapısal karakterizasyonu Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FT-IR), Toz X-Işını Kırınımı (PXRD), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Enerji Dağılımlı X-Işını Spektroskopisi (EDX) yöntemleri kullanılarak karakterize edildi. Nanobileşiklerin X- ışını kırınımından elde edilen tam genişlik yarı maksimum (FWHM) değerleri ile kristalit boyutu hesaplamasında Scherrer ve Williamson-Hall (W-H) formülleri kullanıldı. Ek olarak mikro gerinim, gerilim ve enerji yoğunluğu, W-H modelleri olan düzgün deformasyon model (UDM), düzgün gerilme (stress) deformasyon model (USDM) ve düzgün deformasyon enerji yoğunluğu model (UDEDM) ile analiz edildi. Manyetik ve elektrokimyasal davranışları Titreşimli Numune Manyetometresi (VSM) ve Dönüşümlü Voltametri (CV) analizleri kullanılarak aydınlatıldı. HT-II yöntemi ile sentezlenen nanokompozitlerin HT-I yöntemine kıyasla çok daha küçük partikül boyutlu ve homojen yüzey morfolojisine sahip olduğu belirlendi. Yapılan VSM ve CV analiz sonuçlarına göre NiO NP ve NiO/Fe3O4, NiO/Co3O4, NiO/CuO, NiO/ZnO nanokompozitlerin hem doygunluk manyetizasyonunda hem de spesifik kapasitans değerlerinde önemli artış tespit edildi.

Abstract:
In recent years, energy scarcity and global warming have increased the need for supercapacitors as green energy storage devices. Therefore, new low-cost supercapacitors with high energy density must be developed to meet the needs of society. Faradaic redox reactions of pseudocapacitors, a type of supercapacitor, are usually performed in metal oxides where metal ions have multiple valence states. Transition metal oxide pseudocapacitors have high energy density, high specific capacitance, superior specific energy, and large charge transfer reaction characteristics due to variable oxidation steps, making them unique candidates for high performance supercapacitors. Recently, many studies have been conducted to investigate and develop transition metal oxide based materials for pseudocapacitor applications. In this thesis, the synthesis of nanocomposites using Salvia officinalis (S. officinalis) plant extract-mediated hydrothermal method with Fe3O4, Co3O4, CuO and ZnO transition metal oxides to improve the electrochemical properties of NiO with high theoretical pseudocapacitor properties was carried out at two different operating conditions, 120°C, 12 s (HT-I) and 180°C, 24 s (HT-II). The structural characterization of the synthesized nanocomposites was characterized using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), X-Ray Diffraction (PXRD), Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDX) methods. Scherrer and Williamson-Hall (W-H) formulas were used to calculate the full width half maximum (FWHM) values obtained from X-ray diffraction of nanocomponents and crystallite size. In addition, microstrain, stress and energy density were analyzed using with the W-H models of uniform deformation model (UDM), uniform stress deformation model (USDM) and uniform deformation energy density model (UDEDM). Magnetic and electrochemical behaviors were elucidated using Vibrating Sample Magnetometer (VSM) and Cyclic Voltammetry (CV) analysis. 
The nanocomposites synthesized by HT-II method were found to have much smaller particle size and homogeneous surface morphology compared to HT-I method. According to the results of VSM and CV analysis, a significant increase in both saturation magnetization and specific capacitance values of NiO NP and NiO/Fe3O4, NiO/Co3O4, NiO/CuO, NiO/ZnO nanocomposites were determined.