Biyokütleden üretilen heteroatom katkılı aktif karbonun süperkapasitör performansı
The supercapacitor performance of heteroatom doped activated carbon produced from biomass
Yazar: BARIŞ DİKMEN
Danışman: PROF. DR. ZEKİ AKTAŞ
Ankara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Aktif karbon = Activated carbon ; Biyokütle = Biomass

Özet:
Enerji istemindeki artışın sonucu olarak temiz, sürdürülebilir ve etkin enerji depolama ve dönüştürme teknolojilerinin geliştirilmesi, Dünya bilim ve teknoloji topluluklarının en popüler çalışma alanlarından biri olmaktadır. Farklı enerji depolama sistemleri arasında süperkapasitörler sahip olduğu özellikler sayesinde ön plana çıkmaktadır. Bu çalışmada süperkapasitör elektrot malzemesi olarak fiğ bitkisi tohumlarından (çekirdek) üretilen aktif karbon (VSAC) kullanılmıştır. İlk aşamada farklı karbonizasyon sıcaklıkları ve aktivasyon kimyasalı oranları araştırılarak en yüksek ve en düşük elektrokimyasal performansa sahip aktif karbon örnekleri belirlenmiştir. Karbonizasyon sıcaklığı 600 ℃ ve aktivasyon kimyasalı emdirme oranı kütlece 1:3 (karbonize örnek : KOH) olan aktif karbonun (VSAC 600-800 IR3) 1 M H2SO4 elektrolitinde 248 F/g, 6 M KOH elektrolitinde ise 167 F/g spesifik kapasitans değeri ile en yüksek performans elde edilmiştir. Öte yandan ısıl işlem sıcaklığı 650 ℃ ve aktivasyon kimyasalı emdirme oranı kütlece 1:1 (karbonize örnek : KOH) olan aktif karbon (VSAC 650-800 IR1) 1 M H2SO4 elektrolitinde 92 F/g, 6 M KOH elektrolitinde ise 106 F/g spesifik kapasitans değeri ile en düşük performansa sahip olduğu belirlenmiştir. İkinci aşamada ise her iki örneğe de azot-kükürt eş katkılaması ve bor katkılaması işlemleri gerçekleştirilmiştir. Heteroatom katkılama sonucu üretilen örneklerin, 1 M H2SO4 ve 6 M KOH elektrolitinde elektrokimyasal performansları incelenmiştir. Yapılan bu işlemler sonucunda spesfik kapasitans değerindeki en yüksek artış VSAC 650-800 IR1 B aktif karbon örneğinde gerçekleşmiştir. 1 M H2SO4 ve 6 M KOH elektrolitinde yapılan elektrokimyasal performans analizleri sonucu sırası ile 307 F/g (% 233 artış) ve 169 F/g (%60 artış) olarak hesaplanmıştır. Tüm bu verilerin ışığında, fiğ tohumlarından belirli ön karbonizasyon sıcaklığında ve aktivasyon kimyasalı oranında aktif karbon üreterek yüksek performansa sahip süperkapasitör elektrot malzemesi elde edilebileceği kanıtlanmıştır.

Abstract:
As a result of the increase in energy demand, the development of clean, sustainable and effective energy storage and conversion technologies is one of the most popular fields of study of the world's science and technology communities. Among the different energy storage systems, supercapacitors stand out thanks to their features. In this study, activated carbon produced from vetch seeds (VSAC) was used as supercapacitor electrode material. In the first step, different carbonisation temperatures and activation chemical ratios were investigated and the activated carbon samples with the highest and lowest electrochemical performance were determined. Activated carbon (VSAC 600-800 IR3) has the highest specific capacitance values with a carbonisation temperature of 600 °C and an activation chemical impregnation ratio of 1:3 by mass (carbonised sample: KOH). These specific capacitance values have been calculated as 248 F/g in 1 M H2SO4 electrolyte and 167 F/g in 6 M KOH electrolyte, respectively. On the other side (VSAC 650-800 IR1) has the lowest specific capacitance values with the carbonisation temperature of 650 °C and an activation chemical impregnation ratio of 1:1 by mass (carbonised sample: KOH). These specific capacitance values have been calculated as 92 F/g in 1 M H2SO4 electrolyte and 106 F/g in 6 M KOH electrolyte. In the second step, nitrogen-sulphur co-doping and boron doping processes were carried out for both samples. Electrochemical performances of the samples produced as a result of heteroatom doping were investigated in 1 M H2SO4 and 6 M KOH electrolytes. As a result of these processes, the highest increase in the specific capacitance value was observed in the activated carbon coded by VSAC 650-800 IR1 B. The results of the electrochemical performance analyses performed using 1 M H2SO4 and 6 M KOH electrolytes were calculated as 307 F/g (233 % increase) and 169 F/g (60 % increase), respectively. In the light of all these data, it has been proven that high performance supercapacitor electrode material can be obtained by producing activated carbon from vetch seeds at a certain pre-carbonization temperature and activation chemical ratio.