Grafen temelli nanokompozitlerin süperkapasitör uygulamalari i̇çin performanslarinin i̇ncelenmesi
Investigation of performance of graphene based nanocomposites for supercapacitor applications
Yazar: ZAFER ÇIPLAK
Danışman: PROF. DR. NURAY YILDIZ
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Enerji depolama sistemi = Energy storage system ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Nanoteknoloji = Nanotechnology ; Polianilin = Polyanilines

Özet:
Bu tez çalışmasında, süperkapasitör uygulamasına yönelik, yüksek spesifik kapasitans, yüksek enerji ve güç yoğunluğu ile uzun döngü ömrüne sahip grafen temelli nanokompozitlerin sentezlenmesi amaçlanmıştır. Grafen oksitin (GO) çevre dostu bir indirgeyici ve stabilizör ajan olan liken özütü (Cetraria islandica (L.) Ach.) ile indirgenmiş grafen oksit (rGO) yapısı elde edilmiştir. Çalışma kapsamında ayrıca GO, rGO ve azot katkılı indirgenmiş grafen oksit (N-rGO) yüzeyinde, metal nanotanecik (Ag, Au), bimetalik nanotanecik (AgAu), metal oksit nanotanecik (Fe3O4) ve iletken polimer (PANI) yapılarının sentezlenmesi ile süperkapasitör uygulamasına yönelik olarak hem elektriksel çift tabaka hem de psödokapasitans mekanizmaları ile enerji depolama özeliğine sahip, yüksek iletkenlik ve mekanik dayanımı olan hibrit elektrot nanomalzemeleri başarıyla sentezlenmiştir. Hazırlanan nanokompozitler Fourier-dönüşümlü kızıl ötesi spektroskopisi (FTIR), Raman spektroskopisi, UV-görünür bölge spektrofotometre analizi, X-ışınları kırınımı (XRD), X-ışınları fotoelektron spektroskopisi (XPS), elementel analiz, Taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve EDX analizi, Geçirimli Elektron Mikroskobu (TEM)  ve Yüksek Çözünürlüklü Geçirimli Elektron Mikroskobu (HR-TEM) analizleri ile karakterize edilmiştir. Nanokompozitlerin sentez parametreleri ve kompozit bileşiminin elektrokimyasal performanslarına etkileri incelenmiştir. Elektrokimyasal özelikler üçlü ve ikili elektrot konfigürasyonlarında dönüşümlü voltammetri (CV), galvanostatik şarj-deşarj (GCD) ve elektrokimyasal impedans spektroskopisi (EIS) analizleri ile belirlenmiştir.
Literatürde ilk kez Cetraria islandica (L.) Ach. ekstraktı ile hazırlanmış olan LrGO-AgAu bimetalik nanotanecik nanokompoziti yüzeyinde DBSA sulu çözeltisinde anilin monomerinin polimerizasyonu ile hazırlanmış olan LrGO-AgAu-PANI nanokompoziti, ikili elektrot konfigürasyonunda 1 A/g akım yoğunluğu değerinde, LrGO-PANI (428.9 F/g) ve saf PANI (61 F/g) gibi bileşenlerinden daha üstün elektrokimyasal performans sergileyerek, 592.2 F/g spesifik kapasitans ortaya koymuş ve 3000 tekrarlı şarj-döngüsünün ardından kapasitansının 93.1%'ini koruyarak yüksek kapasitans ve döngü kararlılığı ortaya koymuştur. Bu nedenle literatürde ilk kez sentezlenmiş olan LrGO-AgAu-PANI nanokompoziti başta olmak üzere tez çalışması kapsamında hazırlanmış olan elektrot malzemeleri süperkapasitör uygulamaları için önemli potansiyele sahiptir. Elde edilen bulgular elektrot malzemelerinin birbirleri ile oluşturdukları kompozitlerin, sahip oldukları dezavantajları önemli ölçüde gidermenin yanında, birbirleri arasındaki sinerjik etkiler yoluyla kompozitin elektrokimyasal performansını kayda değer şekilde geliştirdiğini göstermektedir.

Abstract:
In this thesis, it is aimed to prepare graphene based nanocomposites that have high specific capacitance, high energy and power densities, and long cycle life. Reduced graphene oxide (rGO) was prepared by reduction of graphene oxide with lichen extraxt (Cetraria islandica (L.) Ach.), which is environmentally friendly reducing and stabilizing agent. In addition, to prepare hybrid electrode materials having high electrical conductivity and excellent mechanical strength, that can store energy with both electrical double layer and pseudocapacitance mechanisms towards supercapacitor application, metal nanoparticles (Ag, Au), bimetallic nanoparticles (AgAu), metal oxide nanoparticles (Fe3O4) and conducting polymer (PANI) structures were synthesized succesfully on the surfaces of GO, rGO and nitrogen doped reduced graphene oxide (N-rGO). The prepared nanocomposites were characterized with Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), Raman spectroscopy, UV visible spectrofotometer analysis, X-ray diffraciton (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), elemental analysis, Scanning electron microscope (SEM) and EDX analysis, Transmission electron microscope (TEM) and High resolution transmission electron microscope (TEM) analyses. The effects of synthesis parameters and composite composition of nanocomposites on electrochemical performance were investigated. Electrochemical properties of electrode materials were determined in both two-electrode and three-electrode configurations with cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge-discharge (GCD), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) analyses. 

LrGO-AgAu bimetallic nanoparticle nanocomposite was prepared with Cetraria islandica (L.) Ach. extract for the first time in the literature. LrGO-AgAu-PANI nanocoposite was prepared with polymerization of aniline monomer on LrGO-AgAu surface in DBSA aqueous media. The LrGO-AgAu-PANI nanocomposite exhibited superior specific capacitance (592.2 F/g), compared to LrGO-PANI (428.9 F/g) and pristine PANI (61 F/g) in two-electrode configuration. In addition, the LrGO-AgAu-PANI  electrode have long-cycle life and maintained 93.1% of its capacitance after 3000 charge-discharge cycles. Because of their superior electrochemical properties LrGO-AgAu-PANI nanocomposite which was prepared for the first time in the literature and other nanocomposites that were prepared in the concept of the thesis are promising electrode materials toward supercapacit applications. As a result, the formed nanocomposite structures were significantly remove the disadvantages of the components. In addition the synergistic effects between the components enhanced the electrochemical performance of the nanocomposite considerably.