İndirgenmiş grafen oksit içerisine dekore edilmiş altın gümüş çekirdek kabuk metal nanopartikülleri üretimi ve lityum hava pillerinde katot olarak kullanımının simülasyonu
Production of gold silver core-shell metal nanoparticles decorated in reduced graphene oxide and simulation of their use as cathodes in lithium air batteries
Yazar: CİHAN KOŞAR
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA CAN
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışmada, indirgenmiş grafen oksit içerisine çekirdek kabuk formunda altın ve gümüş içeren nanopartiküller dekore edilerek katot malzemesi üretilmiştir. Kullanılan grafen sayesinde özellikle katalizör içeren pillerde boşalma sırasında CO2 gazı gibi istenmeyen bileşiklerin oluşumu azaltılmıştır. Ayrıca bitkilerden elde edilen doğal tanenler sayesinde daha temiz ve çevreci bir sentez yapılmıştır. Oluşturulan katot malzemesinden çeşitli ölçümler alarak bilgisayar ortamında lityum hava pili hücresinin simülasyonu yapılmıştır. Altın@Gümüş-İndirgenmiş grafen oksit katot kullanarak saf oksijen ve 0,1 mA/cm2 deşarj akımı şartları altında yaptığımız çalışmada spesifik kapasite yaklaşık 2512 mAh/g olarak bulunmuştur. 0,8 mA/cm2 akım yoğunluğunda ise hücre kapasitesi yaklaşık 581 mAh/g ile sınırlı kalmıştır. Döngü sayısına göre 0,1 mA/cm2 deşarj akımı şartları altında yapılan analizde, birinci döngüde spesifik kapasite 2512 mA/cm2 civarındadır. İkinci döngüde spesifik kapasite %87 korunum ile 2191 mAh/g, üçüncü döngüde %79 korunum ile 1988 mAh/g şeklinde devam etmektedir. Onuncu döngüde 1144 mAh/g olan spesifik kapasite, %46'lık bir kapasite korunumu göstermiştir. Kapasite, yüz döngü sonunda ise 100 mAh/g'ın altına düşmüştür. Porozite ise, pozitif elektrodun oksijen besleme tarafına yakın yerde, beklendiği gibi azalmıştır. Pil hücresi full şarj durumunda iken porozite 0,74 civarındadır. Hücre deşarj durumu arttıkça porozite pozitif elektrodun oksijen besleme tarafına yakın yerde 0,12 birime kadar azalmaktadır. Bu durum oksijenin hücre içine difüzyonunu engellemektedir. Deşarj yoğunluğuna göre oksijen konsantrasyonuna bakıldığında ise, pozitif elektrodun oksijen besleme tarafına yakın bölgelerdeki oksijen konsantrasyonu, beklendiği gibi azalmaktadır. Yapılan bu çalışma ışığında Altın@Gümüş-İndirgenmiş grafen oksit katodun, teoride karbon katoda göre daha yüksek spesifik hücre kapasitesine sahip olduğu söylenebilir.

Abstract:
In this study, a cathode material was produced by decorating gold and silver containing nanoparticles in a core-shell form into reduced graphene oxide. The use of graphene reduced the formation of unwanted compounds such as CO2 gas during discharge, especially in batteries containing catalysts. In addition, a cleaner and more environmentally synthesis achieved thanks to natural tannins obtained from plants.
Various measurements were taken from the cathode material and the lithium air cell cell was simulated in a computer environment. Using Gold@Silver-Reduced Graphene Oxide cathode under pure oxygen and 0.1 mA/cm2 discharge current conditions, the specific capacity was found to be approximately 2512 mAh/g. At 0.8 mA/cm2 current density, the cell capacity was limited to approximately 581 mAh/g. In the analysis performed under 0.1 mA/cm2 discharge current conditions according to the number of cycles, the specific capacity in the first cycle was 2512 mA/cm2 is around. In the second cycle, the specific capacity is 2191 mAh/g with 87% conservation and continues as 1988 mAh/g with 79% conservation in the third cycle. In the tenth cycle, the specific capacity is 1144 mAh/g, showing a capacity conservation of 46%. The capacity dropped below 100 mAh/g at the end of one hundred cycles. Porosity decreased near the oxygen supply side of the positive electrode, as expected. When the battery cell is fully charged, the porosity is around 0.74. As the cell discharge increases, the porosity decreases to 0.12 units near the oxygen supply side of the positive electrode. This situation prevents the diffusion of oxygen into the cell. When the oxygen concentration is analyzed according to the discharge intensity, the oxygen concentration near the oxygen supply side of the positive electrode decreases as expected. In the light of this study, it can be said that the Gold@Silver-Doped Graphene Oxide cathode has a higher specific cell capacity than the carbon cathode in theory.