Enerji depolama için polipirol/antimon oksit ve polipirol/antimon oksit-kalay oksit kompozit kaplı elektrotlarının hazırlanması, karakterizasyonu ve süperkapasitör uygulaması
Preparation, characterization and supercapacitor application of polypyrrole/antimony oxide and polypyrrole/antimony oxide-tin oxide composite coat electrodes for energy storage
Yazar: MELİHA GÖZDE ÇEKİÇ
Danışman: PROF. DR. NURAN ÖZÇİÇEK
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry
Dizin: Analitik kimya = Analytical chemistry ; Elektroanalitik yöntemler = Electroanalytical methods ; Elektrokimya = Electrochemistry ; Elektrokimyasal depolama = Electrochemical deposition ; Elektrokimyasal piller = Electrochemical cells ; Elektrokimyasal polimerleşme = Electrochemical polymerization ; Elektrokimyasal özellikler = Electrochemical properties

Özet:
Bu çalışma süperkapasitör elektrot için grafit elektrot yüzeyine pirol (Py) monomeri ve Sb(BF4)3 içeren asetonitril çözeltisinde polipirol (PPy) ve SbOx (Sb2O3, Sb2O5) bazlı ikili kompozitinin (PPy/SbOx) ve Py monomeri, Sb(BF4)3 ve Sn(BF4)2 içeren asetonitril çözeltisinde PPy, SbOx ve SnO2 bazlı üçlü kompozitin (PPy/SbOx-SnO2) tek basamakta elektrokimyasal sentezini göstermektedir. Grafit levha yüzeyine kaplanan PPy/SbOx ve PPy/SbOx-SnO2 kompozitleri PPy homopolimeri ile karşılaştırmalı olarak XPS, XRD, TEM, BET FESEM ve EDX yöntemleri ile karakterize edilmiştir. PPy/SbOx kompozitinin ortalama gözenek boyutu 23.9 nm'dir. SbOx ve SnO2 anodik potansiyellerde nano boyutta (28.3 – 77.8 nm) oluşmakta ve PPy ile eş zamanlı sentezlenmeleri nedeniyle PPy içinde %1.2 - %1.5 oranında homojen olarak kapsüllenmektedir.  İkili ve üçlü kompozit kaplı elektrotlar, CV, EIS ve GCD yöntemleri kullanılarak 100 mM H2SO4 çözeltisinde test edilmiştir. PPy/SbOx ve PPy/SbOx-SnO2 kompozit kaplı kalem ucu grafit elektrotların spesifik kapasitansları, 1.0 mg cm-2 kütle yüklemesi için 5 A g-1'de sırasıyla 389.5 F g-1 ve 363.1 F g-1'dir. Buna göre SbOx nano-parçacıkları, PPy'nin kapasitif performansını SbOx'in katalitik etkinliği nedeniyle ikili SbOx ve SnO2 nano-parçacıklarından daha fazla arttırmaktadır. Ayrıca SnO2, SbOx'in aksine yoğun bir şekilde birikerek kaplamanın gözeneklerini doldurmakta ve iyonların erişimini engelleyerek kapasitansı düşürmektedir. Asimetrik hücrenin anodu için, kaplamanın kararlılığını sağlamak amacıyla PPy/SbOx kompoziti grafit kağıt yüzeyine karboksimetil selüloz (CMC) varlığında sentezlenmiştir. Asimetrik süperkapasitör hücreyi hazırlamak için PPy/SbOx/CMC kompozit (10 mg cm-2 yükleme) kaplı grafit kağıt elektrot ile aktif karbon bazlı grafit kağıt elektrot ile birleştirilmiştir. Potansiyel aralığı 1.4 V'a genişlerken 5 A g-1'de döngü ömrü %65 bulunmuş, 8.3 Wh kg-1 enerji yoğunluğu, 3.5 kW kg-1 güç yoğunluğu sağlamıştır. 5 A g-1'de %90 kulombik verim ile 1000 döngüden sonra döngü ömrü %65 olarak bulunmuştur. Potansiyel aralığı 1.2 V ile sınırlandığında ise döngü ömrü %88'e yükselmiştir. Anodun post-mortem analizi kompozitte PPy'nin yapısal bozunmasının uzun vadeli kararlılığı sınırladığını ortaya koymuştur.

Abstract:
The study depicts a one-step electrosynthesis of binary (and also ternary) composite based on polypyrrole (PPy) and SbOx (Sb2O3, Sb2O5) (PPy/SbOx) (and also SnO2 for PPy/SbOx-SnO2) on the pencil graphite electrode in an acetonitrile solution including Py and Sb(BF4)3 (and also Sn(BF4)2) for the supercapacitor electrode. PPy/SbOx and PPy/SbOx-SnO2 composites on graphite plate are characterized by XPS, XRD, TEM, BET, and FESEM by comparing with that of PPy homopolymer. The average pore size of the PPy/SbOx composite is 23.9 nm. SbOx and SnO2 form in nano-size (28.3 – 77.8 nm) at anodic potentials and homogeneously encapsulate in PPy at a ratio of 1.2% - 1.5% due to their simultaneous synthesis. The binary and ternary composite-coated electrodes are tested in 100 mM H2SO4 using CV, EIS, and GCD methods. The specific capacitances of the PPy/SbOx and PPy/SbOx-SnO2 composite-coated pencil graphite electrodes are 389.5 F g-1 and 363.1 F g-1, respectively, at 5 A g-1 for 1.0 mg cm-2 loading. Accordingly, SbOx nanoparticles enhance the capacitive performance of PPy more than that of the SbOx and SnO2 binary oxide, which is due to the contribution the of catalytic property of SbOx. Besides, SnO2, unlike SbOx, densely accumulates, filling the pores of the coating and reducing the capacitance by preventing accessible of ions. For the anode of an asymmetric cell, PPy/SbOx is synthesized on graphite paper in the presence of carboxymethyl cellulose (CMC) to provide stability to the coating. PPy/SbOx/CMC composite-coated graphite paper electrode assembles with an activated carbon-based graphite paper electrode to construct an asymmetric supercapacitor (10 mg cm-2 loading). While the potential window expands to 1.4 V, it delivers an energy density of 8.3 Wh kg-1 and a power density of 3.5 kW kg-1 at 5 A g-1. Cycle life is 65% after 1000 cycles with 90% coulombic efficiency at 5 A g-1. When the potential range is limited to 1.2 V, the cycle life increases to 88%. Post-mortem analysis of the anode reveals that structural degradation of PPy in the composite limits long-term stability.