Süper kapasitör uygulamaları için nano bor karbür (B4C) sentezi
Synthesis of nano boron carbide (B4C) for supercapasitor applications
Yazar: SELİN TÜMKAYA
Danışman: PROF. DR. CENGİZ KAYA
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Bor karbür yüksek sertlik, düşük yoğunluk, yüksek kimyasal kararlılık ve yüksek nötron absorblayabilme kabiliyeti gibi üstün özellikleri sayesinde ileri teknoloji mühendislik malzemesi olarak birçok alanda kullanılmaktadır. Yüksek yüzey alanına ve en-boy oranına sahip karbür esaslı nano yapıların yeni nesil enerji depolama uygulamalarında kullanım potansiyeli olduğunu gösteren çalışmalar literatürde mevcut olsa da bu alanda bor karbür seramiklerin performansını inceleyen az sayıda çalışma bulunmaktadır. Bunun temel nedeni fiber, plaka veya nano tel gibi morfolojilere sahip bor karbür partiküllerin üretimine dair yeterli bilgi birikiminin literatürde mevcut olmamasıdır. Bu doğrultuda, tez çalışmasında herhangi bir katalizör kullanılmadan farklı morfolojide bor karbür tozlar sol-jel yöntemi ile üretimi amaçlanmıştır. Literatürde ilk defa sol-jel yöntemi ile bor karbür üretiminde polimerik jelin ağ yapısı farklı ısıl bozunma sıcaklıklarına sahip karboksilik asit çiftleri ile modifiye edilerek son ürün bor karbür partiküllerin morfolojisinin kontrolü hedeflenmiştir. Sonuçlar farklı ısıl bozunma sıcaklığına sahip karboksilik asitler ile modifiye edilen jellerden amorf karbon matriste bor oksit kümeleri içeren öncülerin elde edildiğini ve öncü maddenin içerdiği bu bor oksit kümelerinin yüksek en-boy oranına sahip nano bor karbür partiküllerin büyümesini tetiklediğini göstermiştir.  Bu yaklaşımdan yola çıkılarak, malik, sitrik, mandelik, oksalik, askorbik, tartarik asitlerin tek ve çiftler halinde kombinasyonlarını içeren özgün başlangıç kompozisyonları tasarlanarak bor karbür partiküllerin morfolojisi üzerine etkileri incelenmiştir.
Elde edilen sonuçlar karboksilik asit katkısının sentezlenen bor karbür tozun saflığı, kristalinitesi, yüzey alanı ve morfolojisi üzerinde oldukça etkili olduğunu göstermiştir. Karboksilik asit çiftlerinden malik-sitrik kombinasyonu ile hem yüksek kristaliniteye hem de yüksek saflığa sahip eş-eksenli çok yüzlü bor karbür partiküller elde edilmiştir. Yüksek ve düşük ısıl bozunma sıcaklığına sahip karboksilik asit çiftlerinden askorbik-sitrik kombinasyonun kullanımı ise mikron kalınlık ve uzunlukta bor karbür fiberlerin oluşması ile sonuçlanmıştır. Tek asit katkılı kompozisyonlardan %5 ve %10 oksalik asit katkısı içerenler ise yüksek oranda bor karbür nano tel oluşumu sağlamıştır.
Son olarak, sentezlenen yüksek yüzey alanına sahip B4C nano tel içeren tozların süper kapasitörlerde elektrot malzemesi olarak kullanılabilme potansiyeli araştırılmıştır. Elektrokimyasal analiz sonuçları bor karbür nano teller ile üretilen elektrotların 197,8689 F/g spesifik kapasitans değeri ve sırasıyla 63,44 W/kg ve 0,106 Wh/kg güç ve enerji yoğunluğu değerleri ile enerji depolama uygulamaları için yüksek potansiyele sahip olduğunu göstermiştir.

Abstract:
Boron carbide is used in various areas as a high-tech engineering material due to its outstanding properties such as high hardness, low density, high chemical stability, and high neutron absorbing ability. Although there are studies in the literature showing that carbide-based nanostructures with high surface area and aspect ratio have the potential to be used in next-generation energy storage applications, there are few studies examining the performance of boron carbide ceramics in this area. The main reason for this is that there is not enough knowledge in the literature on the production of boron carbide particles with morphologies such as fiber, plate, or nanowire. In this direction, the thesis study aims to produce boron carbide powders with different morphologies by the sol-gel method without using any catalyst. For the first time in literature, in the production of boron carbide by the sol-gel method, the structure of the polymer gel network is modified by carboxylic acid pairs with different thermal degradation temperatures, aimed at controlling the morphology of the final product, boron carbide particles. The results showed that precursors containing boron oxide clusters in an amorphous carbon matrix were obtained from gels modified with carboxylic acids with different thermal decomposition temperatures, and the boron oxide clusters contained in the precursor triggered the growth of nanoboron carbide particles with a high aspect ratio. Starting from this approach, the effects on the morphology of boron carbide particles have been studied by designing unique starting compositions containing combinations of malic, citric, mandelic, oxalic, ascorbic, and tartaric acids in singles and pairs. 
The results obtained showed that the carboxylic acid additive was quite effective on the purity, crystallinity, surface area, and morphology of synthesized boron carbide powder. Equiaxial-polyhedral boron carbide particles with high crystallinity and high purity have been obtained with malic-citric combinations from carboxylic acid pairs. The use of the ascorbic-citric combination of carboxylic acid pairs with high and low thermal degradation temperatures resulted in the formation of boron carbide fibers at micron thickness and length. Those containing 5% and 10% oxalic acid content from single-acid additive compositions have produced a high rate of boron carbide nanowire formation.
Finally, the potential of a powder containing B4C nanowire with a high surface area to be used as an electrode material in supercapacitors was investigated. The results of electrochemical analysis showed that electrodes produced by boron carbide nanowires have a high potential for energy storage applications, with a specific capacitance value of 197,8689 F/g and power and energy density values of 63,44 W/kg and 0,106 Wh/kg, respectively.