Çok işlevli, yapısal süperkapasitörlerde potansiyel uygulamalar için modifiye karbon fiberlerin geliştirilmesi
Development of modified carbon fibers for potential applications in multifunctional structural supercapacitors
Yazar: ŞEVVAL NUR KARADEMİR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ İFFET IŞIL GÜRTEN İNAL
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Aktif karbon = Activated carbon

Özet:
Bu tez çalışmasında, çok işlevli yapısal süperkapasitörlerde potansiyel malzeme olarak kullanılmak üzere, enerji depolama kapasiteleri iyileştirilmiş ve mekanik dayanımlarını koruyan modifiye karbon fiber kumaşlar geliştirilmiştir. Bu amaçla, atık biber posasından (salça fabrikası atığı) farklı kimyasal aktivasyon araçları (ZnCl2, K2CO3, H3PO4) kullanılarak gözenekli karbon malzemeler üretilmiş, yüzey özellikleri, yüzey alanı, gözenek boyut ve parçacık boyut dağılımı, elementel analiz, FTIR, Raman, SEM-EDS, XPS; enerji depolama kapasiteleri ise döngüsel voltametri (CV), galvanostatik şarj-deşarj (GCD) ve empedans spektroskopisi (EIS) teknikleri ile karakterize edilmiştir. Karbon fiber kumaşların yüzeyi, en iyi enerji depolama performansı gösteren aktif karbon örnekleri (BP/K2CO3 1:1 ve BP/ZnCl2 1:1.5) ile farklı kütle oranlarında kaplanmıştır (%0, %2, %5, %10). Karşılaştırma amacıyla, karbon fiber kumaşlara doğrudan kimyasal aktivasyon işlemi de uygulanmıştır. Modifiye edilen tüm karbon fiber kumaşların, elektrokimyasal testleri de aynı koşullarda gerçekleştirilmiştir. Karbon fiber kumaş yüzeyindeki aktif karbon miktarının artmasıyla elektrokimyasal performansın arttığı gözlenmiştir. Kütlece %10 aktif karbon ile modifiye edilmiş karbon fiberlerin spesifik kapasitansında orijinal fibere göre 19 kat artış elde edilmiştir. Orijinal karbon fiber ve aktif karbon ile modifiye edilen kumaşlardan epoksi reçine kullanılarak, vakum infüzyon yöntemiyle kompozit malzemeler hazırlanıp oda sıcaklığında çekme testleri gerçekleştirilmiş ve çekme dayanımlarında orijinal fibere göre önemli bir düşüş elde edilmemiştir. %0, %2, %5, %10 aktif karbon kaplı kompozitlerin çekme dayanımları sırasıyla; 513.41, 493.42, 502.76, ve 474.55 MPa olarak belirlenmiştir. Sonuç olarak, atık biyokütle temelli aktif karbonlar ile modifiye edilerek hazırlanan karbon fiber kompozitlerin yapısal süperkapasitör elektrotu olarak kullanılma potansiyelinin yüksek olduğu görülmüştür.

Abstract:
In this thesis study, modified carbon fiber fabrics have been developed to be used as potential materials in multifunctional structural supercapacitors, with improved energy storage capacities and retained mechanical strengths. For this purpose, porous carbon materials were produced using different chemical activation agents (ZnCl2, K2CO3, H3PO4) from red pepper waste (factory waste), and their surface properties were characterized by conducting surface area, pore size and particle size distribution, elemental analysis, FTIR, Raman, SEM-EDS, XPS techniques; while energy storage capacities were characterized by conducting cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge-discharge (GCD), and impedance spectroscopy (EIS) techniques. The surface of the carbon fiber fabrics was coated with activated carbon samples showing the best energy storage performance (BP/K2CO3 1:1 and BP/ZnCl2 1:1.5) at different mass ratios (0%, 2%, 5%, 10%). For comparison, direct chemical activation process was also applied to carbon fiber fabrics. The electrochemical tests of all modified carbon fiber fabrics were conducted under the same conditions. An increase in the amount of activated carbon on the surface of carbon fiber fabrics was observed to enhance the electrochemical performance. A 19-fold increase in specific capacitance was obtained for carbon fibers modified with activated carbon at 10% mass ratio, compared to the original fiber. Composite materials were prepared using original carbon fiber and carbon fiber modified with activated carbon by using epoxy resin by vacuum infusion method, and tensile tests were performed at room temperature, showing no significant decrease in tensile strength compared to the original fiber. The tensile strengths of composites coated with activated carbon at 0%, 2%, 5%, and 10% mass ratios were determined to be 513.41, 493.42, 502.76, and 474.55 MPa, respectively. As a result, it was observed that carbon fiber composites prepared by modifying with waste biomass-based activated carbons have high potential to be used as structural supercapacitor electrodes.