Development of hybrid graphene oxide/tungsten oxide/ conductive carbon black nanocomposite electrode for high-performance electrochemical supercapacitor
Yüksek performanslı elektrokimyasal süper kapasitör için hibrit grafen oksit/tungsten oksit/iletken karbon siyah nanokompozit elektrotun geliştirilmesi
- Tez No: 1018022
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ KHALED M.N. CHAHROUR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Karabük Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yenilenebilir Enerji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Enerji kullanımındaki hızlı artış ve buna paralel olarak çevre dostu enerji depolama sistemlerine yönelik arayış, elektrokimyasal süperkapasitörleri bilim dünyasının ilgi odağı haline getirmiştir. Süperkapasitörler, yüksek güç yoğunluğu, hızlı şarj ve deşarj özellikleri ve uzun ömürleriyle yaygın olarak bilinmektedir. Ancak, bu cihazların daha geniş çapta uygulanması, yaygın olarak kullanılan elektrot malzemelerinin düşük enerji yoğunluğu nedeniyle hâlâ sınırlı kalmaktadır. Bu nedenle, elektrokimyasal performansı iyileştirilmiş yeni elektrot sistemlerinin geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır. Çalışmamızda, iletken karbon siyahı (Super-P) üzerinde aktif bölgeler olarak grafen oksit (GO) ve tungsten oksit (WO₃) nanopartiküllerinin sinerjik birleşimi yoluyla şarj depolama performansını iyileştiren bir nanokompozit elektrot geliştirilmiştir. Başlangıçta, basit ve uygun maliyetli bir bulamaç kaplama yöntemi kullanılarak nikel köpük üzerinde ikili WO₃/Super-P nanokompozit elektrotlar ve ardından üçlü GO/WO₃/Super-P nanokompozit elektrotlar üretilmiştir. Bu yaklaşım, iletkenliği artırılmış, aktif maddelerin dağılımı iyileştirilmiş ve elektrokimyasal olarak aktif bölgelere kolay erişim sağlayan elektrotlar üretmek amacıyla seçilmiştir.. Üretilen elektrotların yapısı ve morfolojisi, EDS analizi ile birleştirilmiş X-ışını difraksiyonu (XRD) ve alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu (FESEM) kullanılarak incelenirken, fonksiyonel grupları WO₃ ile karbon malzemeler arasındaki etkileşimi doğrulamak ve yapısal özelliklerini analiz etmek amacıyla Raman spektroskopisi kullanılmıştır, ve kimyasal yapıyı tanımlamak için Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopi (FTIR) analizi gerçekleştirilmiştir. Elektrokimyasal performans, döngüsel voltametri (CV), galvanostatik şarj-deşarj (GCD) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) kullanılarak 1 M sodyum klorür elektrolit içinde değerlendirildi. Sonuçlar, Super-P'ye dahil edilen farklı ağırlık yüzdelerindeki tungsten oksit (WO₃) nanopartiküllerinin elektrotların elektrokimyasal davranışını belirgin şekilde etkilediğini göstermektedir. İncelenen bileşimler arasında, %2 ağırlıkça WO₃/Super-P nanokompoziti en yüksek performansı sergilemiş olup, bu durum aktif malzeme içeriği ile yük transfer verimliliği arasında optimal bir denge olduğunu göstermektedir. Ayrıca, grafen oksit (GO) ilavesi, elektriksel iletkenliği artırarak, iyon taşınımını kolaylaştırarak ve daha verimli bir elektrot mimarisini destekleyerek elektrokimyasal özelliklerde kayda değer bir iyileşme sağlamıştır. %1 ağırlıkça GO / %2 ağırlıkça WO₃ / Super-P bileşiminden oluşan optimize edilmiş üçlü elektrot, 0,7 A g⁻¹ akımda 170,6 F g⁻¹ özgül kapasite, 3,8 Wh kg⁻¹ enerji yoğunluğu ve 141 W kg⁻¹ güç yoğunluğu değerlerine ulaşarak üstün bir performans sergilemiştir. Ayrıca, elektrokimyasal empedans spektroskopisi, üçlü elektrotun ikili elektrota göre üstün şarj taşıma davranışı ve daha verimli iyon difüzyonu sergilediğini ortaya koydu. Bu bulgulara dayanarak, tungsten oksit (WO₃) nanopartikülleri, grafen oksit ve iletken karbon siyahı (Super-P) arasındaki sinerjik etkileşim, elektrotun elektrokimyasal özelliklerini önemli ölçüde geliştirebilir ve bu da yüksek performanslı süperkapasitör malzemeleri geliştirmek için umut verici bir stratejiyi temsil eder. Özetle, bu çalışma, yapısal değişiklikler yoluyla süperkapasitörlerin enerji depolama kapasitesinin artırılabileceğini ortaya koymaktadır. Bu, pratik enerji depolama uygulamalarında yaygın olarak kullanılan verimli süperkapasitör elektrot malzemelerinin araştırılmasında önemli bir ilerlemeyi temsil etmektedir.
Özet (Çeviri)
The rapid increase in energy usage and the concurrent search for environmentally friendly energy storage systems have drawn electrochemical supercapacitors into the scientific spotlight. Supercapacitors are widely known for high power density, fast charging and discharging capabilities, and long lifespan. However, the broader application of these devices remains limited by the low energy density of common electrode materials. Therefore, the development of new electrode systems with improved electrochemical performance is essential. A nanocomposite electrode for improving charge storage performance through the synergistic combination of graphene oxide (GO) and tungsten oxide (WO₃) nanoparticles as active sites on conductive carbon black (Super-P) is developed in our study. Initially, hybrid WO₃/Super-P nanocomposite electrodes and, subsequently, hybrid GO/WO₃/Super- P nanocomposite electrodes were fabricated on nickel foam using a simple, cost-effective slurry-coating method. This approach was chosen to fabricate electrodes with improved conductivity, better dispersion of the active materials, and easily accessible electrochemically active sites. The structure and morphology of the fabricated electrodes were studied using X-ray diffraction (XRD) and field emission scanning electron microscopy (FESEM), linked with EDS analysis, Raman spectroscopy was used to analyze the structural properties and confirm the interaction between WO₃ and carbon materials, while Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) analysis was achieved to recognize the functional groups and chemical structure. The electrochemical performance was evaluated in a 1 M sodium chloride electrolyte using cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge–discharge (GCD), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). The results demonstrate that varying weight percentages of tungsten oxide (WO₃) nanoparticles incorporated into Super-P markedly influence the electrochemical behavior of the electrodes. Among the investigated compositions, the 2 wt% WO₃/Super-P nanocomposite exhibited the highest performance, suggesting an optimal balance between active material content and charge-transfer efficiency. Besides, the introduction of graphene oxide (GO) led to a notable enhancement in electrochemical properties by increasing electrical conductivity, facilitating ion transport, and promoting a more efficient electrode architecture. The optimized hybrid electrode, composed of 1 wt% GO / 2 wt% WO₃ / Super-P, delivered superior performance, achieving a specific capacitance of 170.6 F g⁻¹ at 0.7 A g⁻¹, along with an energy density of 3.8 Wh kg⁻¹ and a power density of 141 W kg⁻¹. Furthermore, electrochemical impedance spectroscopy revealed that the hybrid 1 wt% GO / 2 wt% WO₃ / Super-P electrode exhibits superior charge transport behavior and more efficient ion diffusion than the hybrid WO₃/Super-P electrode. Based on these findings, the synergistic interaction between tungsten oxide (WO₃) nanoparticles, graphene oxide, and conductive carbon black (Super-P) can significantly enhance the electrode's electrochemical properties, representing a promising strategy for developing high-performance supercapacitor materials. In summary, the study demonstrates the potential to increase supercapacitor energy storage capacity through structural modifications. This represents a significant advance in the search for efficient supercapacitor electrode materials, which are widely used in practical storage energy applications.
Benzer Tezler
- Grafen oksit/metal organik kafes (MOF) hibrit membranların geliştirilmesi ve su arıtımında kullanılması
Development of graphene oxide/metal organic framework (MOF) hybrid membranes and their usage in water treatment
GÜLCİHAN ÖZDEM
- Yüksek performanslı hibrit enerji depolama platformları için akıllı elektrot malzemelerin geliştirilmesi
Development of smart electrode materials for high performance hybrid energy storage platforms
TAHANE ALOMEARE
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Kimyaİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SİNEM ORTABOY SEZER
- Development of polypropylene composite materials reinforced with reduced graphene oxide and talc for automotive applications
Otomotiv uygulamaları için indirgenmiş grafen oksit ve talk ile takviye edilmiş polipropilen kompozit malzemelerin geliştirilmesi
İREM DÜZENLİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2026
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA SENİHA GÜNER
- Grafen oksit – silika nanohibrit katkılı su bazlı polimerik nanokompozit kaplamaların geliştirilmesi
Development of graphene oxide – silica nanohybrid added water based polymeric nanocomposit coatings
METE ÜNLÜTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Polimer Bilim ve TeknolojisiYıldız Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALE BERBER