Biyokütle bazlı grafitik karbon eldesi ve süperkapasitörlerde elektrot malzemesi olarak kullanımı
Production of biomass-derived graphitic carbon and its utilization as electrode material for supercapacitor
Yazar: CANSU ŞEN
Danışman: PROF. DR. JALE YANIK
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Organik Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Biyokütle = Biomass ; Enerji depolama = Energy storage ; Gıda atıkları = Food wastes ; Kimyasal aktivasyon = Chemical activation

Özet:
Kullandığımız enerjinin büyük bir kısmı fosil yakıtlardan elde edilirken, bu kaynakların tükenmekte olması ve çevre kirliliğine neden olması, yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ihtiyacı arttırmıştır. Bu sebeple yedek güç kaynakları, taşınabilir elektronik cihazlar ve elektrikli araçlarda kullanılmak üzere yenilenebilir kaynaktan, düşük maliyetli ve yüksek performanslı enerji depolama cihazları ve sistemlerinin geliştirilmesi önemli bir ilgi odağı haline gelmiştir. 
Bu tez çalışmasında, süperkapasitörlerde elektrot materyali olarak kullanılmak  üzere gıda atıklarından elde edilen hidrokömürlerden gözenekli grafitik karbon sentezlenmesi amaçlanmıştır. İlk olarak, farklı gıda atıklarından (portakal posası, aflatoksin içeren kuru üzüm ve kuru incir) hidrotermal karbonizasyon (HTK) yöntemi ile hidrokömür elde edilmiştir. Kuru üzümden elde edilen hidrokömürler incelendiğinde, kütle verimleri %11 ile 42 aralığında olup süre ve sıcaklıkla önemli ölçüde değiştiği gözlenmiştir. 200 °C'de hidrokömürlerde, sürenin 1 saatten 6 saate çıkarılmasıyla ikincil çarların oluşumu sebebiyle kütle verimi %11,2'den % 42,5'e çıkmıştır. Kütle verimi göz önünde bulundurularak kuru üzümden 200 °C ve 6 saat HTK koşullarındaki hidrokömür GGK üretimi için kullanılmıştır. Hidrokömür farklı kütlesel oranlarda FeCl3, K2CO3 ve FeCl3-K2CO3 karışımlarıyla empregne edilerek farklı sıcaklıklar gerçekleştirilen aktivasyonla grafitik gözenekli karbon (GGK) elde edilmiştir. Farklı emdirme oranının ve aktivasyon sıcaklığının GGK'ların gözenek ve elektriksel özellikleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Sentezlenen elektrot malzemesinin fiziksel ve kimyasal karakterizasyonu FTIR, Raman spektroskopisi, yüzey alanı ve gözenek boyutu analizi (BET), taramalı 
elektron mikroskobu (SEM) yöntemleri kullanılarak incelenmiştir. FeCl3- K2CO3 ikili aktivasyonlarda, FeCl3 oranının arttırılmasıyla yüzey alanın azalırken K2CO3 oranının arttırılması yüzey gözenekliliğini geliştirmiştir. En yüksek yüzey alanı (1104,65 m2/g) hidrokömür:FeCl3:K2CO3 oranı 1:2:2 ve 900 °C aktivasyonuyla elde edilirken 800 °C'de K2CO3'nun tek başına aktivasyonuyla elde edilen GGK en yüksek mikrogözenekliliğe sahiptir. Elde edilen GGK'ların elektrokimyasal  performansı; döngüsel voltametri yöntemiyle ve 1M EMIMBF4 (1-etil-3metilimidazolyum tetrafloroborat) iyonik sıvı kullanılarak incelenmiştir. 50 mV/s'den 200 mV/s'ye kadar değişen tarama hızlarında,-1.2 V'dan 0 V'a (Ag/AgCl referansına göre) uzanan bir potansiyel penceresi kullanılarak voltamogramlar 
(akım-gerilim eğrileri) elde edilmiştir. 700 ºC'de aktifleştirilen ve hidrokömür:FeCl3:K2CO3 oranı 1:2:2 olan GGK'lardan yapılan süperkapasitör hücresinin, 1M EMIMBF4 sulu sisteminde 10 mV/s tarama hızında 120 F/g özgül kapasitansı ile en iyi performansı gösterdiği bulunmuştur.

Abstract:
While most of the energy is derived from fossil fuels, the depletion of these  resources and their contribution to environmental pollution have increased the need for renewable energy sources. Therefore, the development of low-cost and high performance energy storage devices and systems from renewable sources has become a significant focus of interest for backup power sources, portable electronic devices, and electric vehicles. 
This thesis aims to synthesize porous graphitic carbons from food waste-derived hydrochars for use as electrode materials in supercapacitors. Firstly, hydrochars were obtained from different food wastes (orange peel, aflatoxin-containing dried grapes, and dried figs) via hydrothermal carbonization (HTC) method. Mass yields of hydrochars obtained from dried grapes were found to be between 11% and 42%, which significantly varied with HTC duration and temperature. At a HTC temperature of 200 °C, increasing the duration from 1 to 6 hours led to an increase in mass yield from 11.2% to 42.5% due to the formation of secondary char. Considering the mass yield, hydrochar obtained from dried grapes under HTK conditions at 200 °C for 6 hours was used for graphitic porous carbons (GPC) production. Hydrochar was impregnated with different mass ratios of FeCl3, K2CO3, 
and FeCl3-K2CO3 mixtures to obtain graphitic porous carbon (GPC) through activation at different temperatures. In binary activator systems, higher the FeCl3 ratio resulted in a decrease in surface area, while increasing the K2CO3 ratio improved surface porosity. The highest surface area was found in GPC with hydrochar: FeCl3:K2CO3 ratio of 1:2:2 activation at 900 °C (1104,65 m2/g) whereas microporous structure was maximized with GPC produced with K2CO3 alone activation at 800 °C. Electrochemical performance was investigated by the cyclic voltammetry method. The electrochemical capacitance performance of GPC was determined using 1M EMIMBF4 (1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate) ionic liquid. Voltammograms (current-voltage curves) were generated at scan speeds ranging from 50 mV/s to 200 mV/s, with a potential window spanning -1.2 V to 0 V  (relative to the Ag/AgCl reference). Supercapacitor cells developed of GPC obtained at 700 ºC with a hydrochar: FeCl3:K2CO3 ratio of 1:2:2 demonstrated best performance, with a specific capacitance of 120 F/g at a scan rate of 10 mV/s in a 1M EMIMBF4 aqueous environment.