Bor ile güçlendirilmiş aerojel tabanlı süperkapasitörlerin geliştirilmesi
Development of boron reinforced aerogel based supercapacitors
Yazar: KHAYAL MAMMADOV
Danışman: DOÇ. DR. SİNEM ORTABOY SEZER ; DOÇ. DR. YEŞİM MÜGE ŞAHİN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Fiziksel Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Aerojel = Aerogel ; Bor = Boron ; Enerji = Energy ; Süperkapasitör = Supercapacitor

Özet:
Fosil yakıtların hızla tükenmesi ve beraberinde ortaya çıkan küresel ısınma problemlerini bertaraf etmek için birçok platformda yeşil dönüşüm mutabakatlarına uyum ve sıfır karbon ayak izi hedefi benimsenmektedir. Bu kapsamda yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelim, bu kaynakların verimli bir şekilde kullanımı ve sürekliliği büyük önem arz etmektedir. Ancak rüzgar enerjisi ve güneş enerjisi gibi ekosistem ve iklim koşullarına bağlı olarak enerji kaynaklarında gözlenen düzensiz enerji üretimi, aşılması gereken en önemli konular arasında yer almaktadır. 
Enerji depolama sistemleri, enerjinin üretildiği ancak kullanılmadığı durumlarda ya da enerji üretiminin kesikli olduğu durumlarda enerjinin güvenli bir şekilde depolanmasını ve ihtiyaç duyulduğunda geri alınmasını sağlayan sistemlerdir.  Bu nedenle, enerji depolama sistemleri, yenilenebilir enerji kaynaklarının verimliliğini artırmak ve istikrarlı bir elektrik üretimi sağlamak için büyük önem taşımaktadır. Bu sistemler içinde yer alan süperkapasitörler yüksek güç yoğunluklarına, uzun çevrim ömürlerine, hızlı şarj/deşarj kapasitelerine sahip olmaları açısından son yıllarda kayda değer bir ilgi görmüştür. 
Bu yüksek lisans tezi kapsamında enerji depolama sistemlerinde kullanmak üzere, esnek tekstil malzemeler bor ile takviye edilmiş grafen oksit (GO) içeren aerojeller ile kaplanarak yeni elektrot malzemeleri geliştirildi. Bu elektrotlar ile süperkapasitör prototipleri oluşturularak bunların elektrokimyasal davranışları, şarj-deşarj profilleri, kullanım süreleri gibi parametreleri hakkında değerlendirmeler yapıldı. Ayrıca hazırlanan elektrot ve süperkapasitör prototiplerinin kapasitans değerleri ve enerji-güç yoğunlukları hesaplandı.
Farklı oranlarda bor katkısının enerji depolama performansına etkilerinin araştırıldığı bu tez kapsamında, sentezlenen aerojel yapısının karakterizasyonları için X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), Raman spektroskopisi, X-ışını difraksiyonu (XRD), Brunauer-Emmett-Teller (BET) analizi gibi tekniklerden yararlanılmıştır. 
Elde edilen elektrokimyasal verilere göre, aerojel içindeki bor katkısının bir fonksiyonu olarak elektrot ve süperkapasitör prototiplerinde güç yoğunluğunun ve enerji yoğunluğunun sistematik olarak arttığı görüldü. Elektrotların kullanım ömürlerini izlemek amacıyla yapılan deneylerde en yüksek kapasitans tutulumunun GO:4B@CC elektrodu ile 4500 çevrim sonrası elde edildiği, kapasitansta başlangıç değerine göre % 101.14 oranında bir artış olduğu gözlenmiştir. Süperkapasitör prototiplerinde ise en iyi çevrim sağlayan sistemin GO:3B@CC//G protipi olduğu ve 4500 çevrim sonrası kapasitansın başlangıç değerine göre % 100,2 oranında korunduğu gözlenmiştir.

Abstract:
In order to eliminate the rapid depletion of fossil fuels and the resulting global warming problems, compliance with green transformation agreements and the goal of zero carbon footprint are adopted on many platforms. In this context, orientation towards renewable energy sources, efficient use and continuity of these resources are of great importance. However, the irregular energy production observed in energy sources such as wind energy and solar energy depending on ecosystem and climate conditions is among the most important issues to be overcome. 
Energy storage systems are systems that enable energy to be stored safely and retrieved when needed, when energy is produced but not used or when energy production is intermittent.   Therefore, energy storage systems are of great importance to increase the efficiency of renewable energy resources and ensure stable electricity production. Supercapacitors included in these systems have attracted significant attention in recent years due to their high power densities, long cycle lives and fast charge/discharge capacities. 
Within the scope of this master's thesis, new electrode materials were developed by coating flexible textile materials with aerogels containing boron-reinforced graphene oxide (GO) for use in energy storage systems. Supercapacitor prototypes were created with these electrodes and their parameters such as electrochemical behavior, charge-discharge profiles, and usage times were evaluated. Additionally, the capacitance values and energy-power densities of the prepared electrode and supercapacitor prototypes were calculated.
Within the scope of this thesis, where the effects of different amounts of boron dopant on energy storage performance were investigated, techniques such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Raman spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis were used to characterize the synthesized airgel structure.  
According to the electrochemical data obtained, it was observed that the power density and energy density increased systematically in the electrode and supercapacitor prototypes as a function of the boron contribution in the airgel. In the experiments conducted to monitor the lifespan of the electrodes, it was observed that the highest capacitance retention was achieved with the GO:4B@CC electrode after 4500 cycles, and there was a 101.14% increase in capacitance compared to the initial value. In the supercapacitor prototypes, it was observed that the system that provided the best cycling was the GO:3B@CC//G prototype and that the capacitance was preserved at 100.2% compared to the initial value after 4500 cycles.