Süperkapasitörler için metal oksit-biyokömür kompozitlerinin hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of metal oxide-biochar composites for supercapacitors
- Tez No: 970506
- Danışmanlar: PROF. DR. AYTEN ATEŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Aktif karbon, Süperkapasitör, Activated carbon, Supercapacitor
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Sivas Cumhuriyet Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında, sürdürülebilir enerji depolama sistemleri için çevre dostu ve yüksek performanslı elektrot malzemeleri geliştirmek amacıyla düşük maliyetli bir karbon kaynağı olan ham çay atığı (RTW) kullanılarak farklı kimyasal (KOH ve H₃PO₄) aktivasyon yöntemleriyle biyokömür ve aktif karbon üretimi gerçekleştirilmiş ve bu aktif karbonlar, farklı oranlarda ve farklı Mn/Ni içeriklerine sahip MnO₂ ve NiMn metal oksitleri ile kompozit hale getirilmiştir. En yüksek spesifik kapasitansa sahip aktif karbon mlazemesi AC-B-P7, hem MnO₂ hem de NiMn kompozitlerinin sentezinde kullanılmıştır. Bu doğrultuda, doğrudan yöntem ile farklı oranlarda Mn yüklemesi yapılarak Mn-AC-1-10 kompozitleri ve hidrotermal yöntem ile farklı Ni/Mn oranlarına sahip NiMn kompozitleri üretilmiştir. Üretilen biyokömür, aktif karbon ve kompozit malzemelerin morfolojik, yapısal ve yüzey özellikleri SEM, XRD, FT-IR, XPS, CHNS, BET ve XRF gibi karakterizasyon teknikleri ile detaylı şekilde incelenmiştir. Elektrokimyasal performansları ise döngüsel voltametri (CV), galvanostatik şarj/deşarj (GCD) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) yöntemleriyle değerlendirilmiştir. Aktif karbonlar arasında özellikle KOH ile aktive edilip 700 °C'de piroliz edilen AC-B-P7 örneğinin BET yüzey alanı 563.6 m²/g olarak belirlenmiştir. AC-B-P7 aktif karbonu üzerine doğrudan yöntemle MnO₂ yüklenerek hazırlanan Mn-AC-9 kompoziti 1440 m²/g gibi oldukça yüksek bir yüzey alanı sergileyerek diğer örneklerden belirgin şekilde ayrılmıştır. Bu örneğin mikrogözenek hacmi (0.633 cm³/g) de oldukça yüksek olup, düşük ortalama gözenek çapı (24.2 Å) ile uyumlu biçimde gelişmiş mikrogözenek yapısını desteklemektedir. Örneğin XRD analizleri, karbon matrisinde amorf yapıya ek olarak MnO₂ yüklenen numunelerde 28–30° civarında β-MnO₂ fazına ait karakteristik piklerin, NiMn katkılı örneklerde ise 20–60° aralığında Ni(OH)₂/NiMn-LDH fazlarının varlığını ortaya koymuştur. FT-IR spektrumlarında 3450–3150 cm⁻¹ bölgesinde O–H, 2920–2850 cm⁻¹'de alifatik C–H ve 1038 cm⁻¹'de C–O–C titreşim bantları gözlenmiştir. MnO₂ yüklü Mn-AC kompozitlerinde 900–500 cm⁻¹ aralığında Mn–O kafes titreşimlerine karşılık gelen bantlar belirginleşirken, NiMn katkılı kompozitlerde aynı aralıkta Ni–O ve Ni–O–Mn (LDH) titreşimleri öne çıkmıştır. XPS analizleri Mn-AC örneklerinde yüzeyde oksijenli ve azotlu fonksiyonel grupları doğrulamış, Mn 2p sinyallerindeki yaklaşık 11.6 eV'lik bağ enerjisi farkı ise Mn⁴⁺ oksidasyon durumunu göstermiştir. Bu FT-IR bulguları, NiMn kompozitlerinde XRD ile belirlenen Ni(OH)₂/NiMn-LDH fazları ve Mn-AC kompozitlerinde tespit edilen β-MnO₂ fazı ile uyumludur. KOH ile aktive edilerek 700 °C'de piroliz edilen AC-B-P7 örneği, 131.97 F/g spesifik kapasitansıyla en yüksek performansı gösteren aktif karbon olmuştur. MnO₂ yüklenmiş kompozitlerde, XRF analizine göre % 0.86 Mn içeriğine sahip Mn-AC-10 örneği 349.2 F/g spesifik kapasitans değeri ile tüm MnO₂ kompozitleri içinde en iyi performansı sergilemiş ve 2000 çevrim sonunda %90.7 kapasitans koruma oranı ile uzun çevrim ömrü sağlamıştır. Aynı AC-B-P7 aktif karbonu kullanılarak farklı Ni ve Mn içeren kompozitler hidrotermal yöntemle sentezlenmiştir. Mangan asetat ve nikel asetat ile hazırlanmış % 6.98 Ni ve % 4.61 Mn içeren NiMn-Ac-AC örneği 336.15 F/g kapasitans değeri ile en yüksek kapasitans değeri göstermiştir. Mangan klorür ve nikel klorür ile hazırlanmış NiMn-AC kompozitlerieri arasından % 7.47 Ni ve % 1.96 Mn içeriğine sahip NiMn-AC-2 örneği ise 313.4 F/g kapasitans ve %95'in üzerindeki kapasitans koruma oranı ile en iyi çevrimsel kararlılığa sahiptir. Tez çalışmasından elde edilen sonuçlar hem yüzey özelliklerinin hem de Mn ve Ni yükleme oranlarının elektrokimyasal performans üzerinde doğrudan etkili olduğunu ortaya koymuştur. Aynı zamanda, RTW gibi bol bulunan bir atığın ileri malzemeye dönüştürülerek enerji depolama sistemlerinde kullanılabilir hale getirilmesi, bu çalışmanın çevresel ve ekonomik açıdan da önemli katkılar sunduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, in order to develop environmentally friendly and high-performance electrode materials for sustainable energy storage systems, biochar and activated carbon were produced using raw tea waste (RTW), a low-cost carbon source, via different chemical (KOH and H₃PO₄) activation methods. These activated carbons were then composited with MnO₂ and NiMn metal oxides at different ratios and with different Mn/Ni contents. AC-B-P7, being the activated carbon with the highest specific capacitance, was preferred as the base material in the synthesis of both MnO₂ and NiMn composites. In this direction, Mn-AC-1-10 composites were produced by the direct method by applying different Mn loading ratios, and NiMn composites with different Ni/Mn ratios were produced by the hydrothermal method. The morphological, structural, and surface properties of the produced biochar, activated carbon, and composite materials were investigated in detail using characterization techniques such as SEM, XRD, FT-IR, XPS, CHNS, BET, and XRF. Electrochemical performances were evaluated using cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge/discharge (GCD), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Among the activated carbons, the AC-B-P7 sample, activated with KOH and pyrolyzed at 700°C, exhibited a BET surface area of 563.6 m²/g. The Mn-AC-9 composite, prepared by directly loading MnO₂ onto the AC-B-P7 activated carbon, exhibited a remarkably high surface area of 1440 m²/g, clearly distinguishing it from the other samples. The micropore volume of this sample (0.633 cm³/g) is also quite high, supporting the developed micropore structure in accordance with the low average pore diameter (24.2 Å). XRD analyses revealed the presence of characteristic peaks belonging to the β-MnO₂ phase around 28–30° in the MnO₂-loaded samples, in addition to the amorphous structure in the carbon matrix, and the presence of Ni(OH)₂/NiMn-LDH phases in the 20–60° range in the NiMn-doped samples. In the FT-IR spectra, O–H vibration bands were observed in the 3450–3150 cm⁻¹ region, aliphatic C–H at 2920–2850 cm⁻¹, and C–O–C vibration bands at 1038 cm⁻¹. In the MnO₂-loaded Mn-AC composites, bands corresponding to Mn–O lattice vibrations were prominent in the 900–500 cm⁻¹ range, while in the NiMn-doped composites, Ni–O and Ni–O–Mn (LDH) vibrations were prominent in the same range. XPS analyses confirmed the presence of oxygenated and nitrogenous functional groups on the surface of the Mn-AC samples, and the approximately 11.6 eV difference in the bond energy in the Mn 2p signals indicated the Mn⁴⁺ oxidation state. These FT-IR findings are in full agreement with the Ni(OH)₂/NiMn-LDH phases detected in the NiMn composites by XRD and the β-MnO₂ phase detected in the Mn-AC composites. The AC-B-P7 sample, activated with KOH and pyrolyzed at 700 °C, was the highest-performing activated carbon with a specific capacitance of 131.97 F/g. In the MnO₂-loaded composites, according to XRF analysis, the Mn-AC-10 sample with a specific capacitance value of 349.22 F/g exhibited the best performance among all MnO₂ composites, with a specific capacitance value of 349.22 F/g, and provided a long cycle life with a capacitance retention rate of 90.7% after 2000 cycles. Composites containing different Ni and Mn were synthesized using the same AC-B-P7 activated carbon using the hydrothermal method. The NiMn-Ac-AC sample, containing 6.98% Ni and 4.61% Mn and prepared with manganese acetate and nickel acetate, exhibited the highest capacitance value with a capacitance value of 336.15 F/g. Among the NiMn-AC composites prepared with manganese chloride and nickel chloride, the NiMn-AC-2 sample, containing 7.47% Ni and 1.96% Mn, exhibited the best cyclic stability, with a capacitance of 313.4 F/g and a capacitance retention rate exceeding 95%. Overall, the results of the study revealed that both surface properties and Mn and Ni loading rates directly impact electrochemical performance. Furthermore, the transformation of a abundant waste such as RTW into an advanced material and making it usable in energy storage systems demonstrates that this study offers significant environmental and economic benefits.
Benzer Tezler
- Esnek süperkapasitörler için metal destekli grafen oksit katkılı hidrojel malzemelerin üretimi ve elektrokimyasal karakterizasyonu
Production and electrochemical characterization of metal supported graphene oxide-doped hydrogel materials for flexible supercapacitors
BETÜL DEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Kimyaİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEMAL ÖZEROĞLU
DR. SİBEL YAZAR AYDOĞAN
- Esnek süperkapasitörler için özgün gümüş nanoparçacıklar: Pss-g-panı/metal oksit elektrotların üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of novel silver nanoparticles: Pss-g-pani/metal oxide electrodes for flexible supercapacitors
BURAKCAN ŞENTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiMaltepe ÜniversitesiElektrik-Elektronik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NEVİN TAŞALTIN
- Süperkapasitörler için bor katkılı grafen/demir (II,III) oksit (Fe3O4) nanokompozitlerin geliştirilmesi ve elektrokimyasal analizi
Development and electrochemical analysis of boron doped graphene/iron (II,III) oxide (Fe3O4) nanocomposites for supercapacitors
NEŞE CEYDA TEKDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Kimya MühendisliğiGazi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURSEL DİLSİZ
- Süperkapasitör uygulamaları için polianilin/metal oksit elektrotlarının hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of polyaniline/metal oxide electrodes for supercapacitor applications
PERİHAN YILMAZ ERDOĞAN
Doktora
Türkçe
2023
KimyaGaziantep ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ZENGİN
DOÇ. DR. ABDULCABBAR YAVUZ
- Biyolojik mikroorganizmalardan metal oksit malzemeler üreterek elektrokimyasal kapasitif özelliklerinin araştırılması
Investigation of electrochemical capacitive properties of metal oxide materials from biological microorganisms
ALPER BİNGÖL