Farklı yöntemlerle indirgenmiş grafen oksit ince filmlerinin çinko hibrit süperkapasitörlerde elektrokimyasal işlevselliğinin incelenmesi
Investigation of electrochemical functionality of graphene oxide thin films reduced by different methods in zinc hybrid supercapacitors
Yazar: TUĞBA BOLAT MADEN
Danışman: PROF. DR. YILDIRAY TOPCU
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Sürdürülebilir enerji = Sustainable energy

Özet:
Teknolojik gelişmeler ve artan nüfus enerji ihtiyacında da artışı beraberinde
getirmiştir. Fosil kökenli yakıtların enerji talebini karşılamada yetersiz kalmasının
yanı sıra çevresel olumsuz etkileri nedeniyle yenilenebilir enerji kaynaklarına
yönelim zorunlu hale gelmiştir. Rüzgar enerjisi, güneş enerjisi gibi kaynakların
dalgalı ve kesikli enerji üretim potansiyelinin sürekli hale getirilebilmesi için enerji
depolama sistemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Süperkapasitörlerin yüksek güç
yoğunluğu ve bataryaların yüksek enerji yoğunlukları özelliklerinin birleştirilmesi ile
elde edilen hibrit süperkapasitör sistemleri gelecek için umut vadetmektedir. Hibrit
süperkapasitörlerde kullanılan elektrot ve elektrolitlerin çevrim ömrü, kararlılık,
kolay taşınabilirlik, maliyet ve güvenlik özelliklerinin iyileştirilmesi yüksek
performanslı sistemler geliştirme çalışmalarının temelini oluşturmaktadır. Bu
çalışmada grafitten Modifiye Tour yöntemi olarak da bilinen Cruz-Silva yöntemi ile
grafen oksit sentezlenmiştir. Sentez verimi %78 olarak hesaplanmıştır. Damla döküm
yöntemi ile üretilen grafen oksit filmler hidrazin monohidrat, hidroiyodik asit ve
hidroiyodik asit/asetik asit kimyasal ajanları kullanılarak grafene indirgenmiştir.
İndirgenmiş grafen oksitin (rGO) sulu elektrolitli Zn-iyon hibrit süperkapasitörlerde
(ZHSC) katot malzemesi olarak kullanımının incelenmesi amacıyla Swagelok tipi
hücre içinde elektrokimyasal ölçümler alınmıştır. rGO filmlerin katot olarak
kullanıldığı ZHSC'de anot olarak Zn metali, elektrolit olarak ise farklı Zn tuzlarının
sulu çözeltileri kullanılmıştır. Sulu elektrolitli ZHSC'lerin elektrokimyasal
performansına elektrolit etkisinin belirlenmesi amacıyla 0,5 M ZnSO4 ve 0,5 M
Zn(CF3SO3)2 (ZnTMS) sulu tuz çözeltileri ile çalışılmıştır. Filmlerin yüzey
görüntüleri incelendiğinde GO film ve HI/asetik asit ile yapılan indirgeme sonucu
elde edilen örneğin daha düz bir yüzey gösterirken, hidrazinmonohidrat kullanılarak
yapılan indirgenmiş numunelerin pürüzlü ve yükseltili yüzeye sahip oldukları
gözlenmiştir. En iyi elektriksel iletkenlik değeri literatür ile uyumlu olarak HI/asetik
asit kimyasal ajanı ile elde edilen örneklerde görülürken ZnTMS elektrolitinin daha
iyi sonuçlar verdiği saptanmıştır.
Anahtar Sözcükler: Zn-iyon Hibrit Süperkapasitör, Grafen Oksit, İndirgenmiş
Grafen Oksit, Sulu Elektrolit

Abstract:
Technological advancements and growing population necessitate higher energy
demands. In addition to the inability of fossil fuels to meet energy demand, their
negative environmental effects have made the use of renewable energy sources
compulsory. Energy storage systems are needed in order to make the fluctuating and
intermittent energy production potential of resources such as wind energy and solar
energy continuous. Hybrid supercapacitor systems obtained by combining the
characteristics of high power density of supercapacitors and high energy densities of
batteries are giving hope for the future. Enhancing the cycle life, stability, easy
portability, cost-effectiveness and safety features of the electrodes and electrolytes
used in hybrid supercapacitors form the foundation of researches for developing
high-performance systems. In this study, graphene oxide was synthesized from
graphite by the Cruz-silva method, also known as the modified Tour method. The
synthesis efficiency is calculated as 78%. Graphene oxide films produced by drop
casting method were reduced to graphene by using hydrazine monohydrate,
hydroiodic acid and hydroiodic acid/acetic acid chemical agents. Electrochemical
measurements were taken inside the Swagelok cell to investigate the use of reduced
graphene oxide (rGO) as a cathode material in Zn-ion hybrid supercapacitors with
aqueous electrolytes (ZHSC). In ZHSC, rGO films serves as cathodes, Zn metal
functions as anode and aqueous solutions of different Zn salts are employed as
electrolytes. To assess the impact of the electrolyte on the electrochemical
performance of ZHSCS with aqueous electrolytes, 0.5 M ZnSO4 and 0.5 M ZnTMS
were used as aqueous salt solutions. Upon examining the surface images of the films,
it was observed that the sample obtained through reduction with GO film and
HI/acetic acid exhibited a flatter surface, whereas the reduced samples prapared
using hydrazine monohydrate had a rough and raised surface. The best electrical
conductivity value is seen in the samples obtained with HI/acetic acid chemical agent
in accordance with the literature, while it has been determined that 0.5 M ZnTMS
electrolyte yields better results.
Keywords: Zinc-ion Hybride Supercapacitor, Graphene Oxide, Reduced Graphene
Oxide, Aqueous Electrolyte