Enerji yoğunluğu yüksek süperkapasitörler için karbon nanofiber yapıların geliştirilmesi
The development of carbon nanofiber structures for high energy density supercapacitors
Yazar: BURCU ÜSTÜN
Danışman: PROF. DR. SERKAN NACİ KOÇ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ÜMRAN KURTAN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Enerji depolama = Energy storage ; Heteroatom = Heteroatom ; Karbon lifler = Carbon fibers ; Kondansatör = Capacitor

Özet:
Bu tez çalışmasında, yüksek enerji yoğunluğuna sahip süperkapasitörler için özellikleri geliştirilmiş karbon nanofiber elektrotlar üretilmiştir. Bu amaçla poliakrilonitril (PAN) polimerine yüksek gözeneklilik için polimetilmetakrilat (PMMA) ve heteroatom (azot ve kükürt) katkısı için ise tiyoüreden yararlanılmıştır. PAN, PMMA ve tiyoüre çözeltisinden ilk olarak elektrospin ile polimerik nanofiberler elde edilmiş ve daha sonra polimerik nanofiberlerden termal işlem ile gözenek ve heteroatom katkılı karbon nanofiberler (N/S-CNF) üretilmiştir. Elektrotların optimizasyonu, PAN'a göre ağırlıkça farklı yüzdelerde tiyoüre kullanılarak yapılmıştır. Elde edilen CNF'ler SEM, EDX, TEM, BET ve XPS ile detaylı karakterize edilmiştir. Hazırlanan elektrotların elektrokimyasal karakterizasyonları döngüsel voltametri (CV), galvanostatik şarj/deşarj (GCD) ve impedans spektropisi (EIS) ile gerçekleştirilmiştir. Deneysel bulgulara göre PAN/PMMA polimer çözeltisine PAN'a göre ağırlıkça % 5 tiyoüre ilavesi ile elde edilen elektrodun (N/S-CNF5) yüksek spesifik yüzey alanına (144,2 m2/g), yüksek mezo gözenek hacmine ( 0,276 cm3/g) ve yüksek heteroatom miktarına (% 9,42-N ve % 0,44-S) sahip olduğu görülmüştür. N/S-CNF5 elektrodu 6 M KOH elektroliti ile 10 mV/s tarama hızında 225 F/g ve 1 A/g akım yoğunluğunda 312 F/g'lık yüksek spesifik kapasitans sergilemiştir. N/S-CNF5 elektrodunun Dunn metodu ile 10 mV/s'de kinetik çalışması yapılmış ve kapasitenin % 20,5'i heteroatom katkısından kaynaklanan psödokapasitif davranış ve % 79,5'i ise karbon iskeletinden kaynaklanan EDLC davranışı göstermiştir. N/S-CNF5 elektrodu kullanılarak hazırlanan simetrik süperkapasitör hücresi (N/S-CNF5//N/S-CNF5) 1 A/g akım yoğunluğunda yüksek bir spesifik kapasitans (160 F/g) ve 250 W/kg spesifik güç yoğunluğunda yüksek bir spesifik enerji (5,5 Wh/kg) göstermiştir. Ayrıca süperkapasitör hücrenin 1 A/g'da 30.000 galvanostatik şarj/deşarj çevrim döngüsünden sonra bile spesifik kapasitansının %78,8'ünü koruduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
In this thesis, carbon nanofiber electrodes with improved properties were produced for supercapacitors with high energy density. For this purpose, polymethylmethacrylate (PMMA) for high porosity and thiourea for heteroatom (nitrogen and sulfur) contribution to polyacrylonitrile (PAN) polymer were used. Firstly, polymeric nanofibers were obtained from PAN, PMMA and thiourea solution by electrospinning, and then pore and heteroatom doped carbon nanofibers (N/S-CNF) were produced by thermal treatment of polymeric nanofibers. Optimization of the electrodes was made by adding different percentages by weight of thiourea compared to PAN. The obtained CNFs were characterized in detail by SEM, EDX, TEM, BET and XPS. Electrochemical characterizations of the prepared electrodes were performed by cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge/discharge (GCD) and impedance spectroscopy (EIS). According to the experimental findings, the electrode (N/S-CNF5) obtained by adding 5 % by weight of thiourea to PAN/PMMA polymer solution compared to PAN has high specific surface area (144.2 m2/g), high mesopore volume (0.276 cm3/g) and high heteroatom content (N-9.42 % and S-0.44 %). The N/S-CNF5 electrode exhibited a high specific capacitance of 225 F/g at a scanning rate of 10 mV/s and 312 F/g at a current density of 1 A/g with the 6 M KOH electrolyte. Detailed kinetic study of the N/S-CNF5 electrode was made by Dunn's method and 20.5 % of the capacitance showed pseudocapacitive behavior due to heteroatom contribution and 79.5 % EDLC behavior due to carbon skeleton at 10 mV/s. The symmetrical supercapacitor cell (N/S-CNF5//N/S-CNF5) prepared using the N/S-CNF5 electrode has a high specific capacitance (160 F/g) at a current density of 1 A/g and a high specific power density of 250 W/kg. showed a specific energy (5.5 Wh/kg). It was also found that the supercapacitor cell retained 78.8% of its specific capacitance even after 30,000 galvanostatic charge/discharge cycles at 1 A/g.