Self-standing graphene papers decorated with metal oxide nanostructures: Preparation and application in electrochemical capacitors
Metal oksit nanoyapıları ile kaplanmış serbestçe durabilen grafen elektrotlar: Hazırlanması ve elektrokimyasal kapasitörler için uygulamaları
- Tez No: 543653
- Danışmanlar: DOÇ. DR. UĞUR ÜNAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Kimya, Energy, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 96
Özet
Küresel ısınma ve fosil yakıtların hızla tükenmesinden dolayı yenilenebilir enerjiye olan ihtiyaç artış göstermektedir. Piller ve super kapasitörler gibi enerji depolama sistemleri dengeli ve düzenli güç sağlamak için gereklidir. Elektrokimyasal kapasitörler yüksek güç yoğunlukları ve hızlı şarj-deşarj özellikleri sayesinde son yıllarda popülerlik kazanmışlardır. Elektrot malzemeleri super kapasitörlerin elektrokimyasal performansları üzerinde önemli etkiye sahiptir. Bu nedenle, iletken akım toplayıcılardan ve nano-yapılı aktif malzemelerden oluşan elektrot malzemelerinin düzgün bir araya getirilmesi, sistem performansından maksimum yararlanabilmek için son derece önemlidir. Bu çalışmada, grafen ile metal oksitlerin kompozitleri hazırlanılarak kendi kendine durabilen ve esnek elektrotlar elde edilmiştir. Bu amaçla, grafen oksit elektrotları modifiye Hummers yöntemi ile sentezlenen grafen oksit solüsyonundan elde edilmiştir. Grafen oksit elektrotlar kimyasal ve termal tavlama yöntemleri kullanılarak indirgenmiştir. Farklı indirgeme yöntemlerinin morfoloji ve elektrokimyasal özellikler üzerindeki etkileri incelenmiştir. Daha sonra, esnek ve kendi kendine durabilen elektrotlar elde etmek için mangan oksit filmler indirgenmiş grafen oksit elektrotlar üzerinde katodik elektrodepozisyon yöntemi ile büyütülmüştür. Elektrodepozisyon potansiyeli ve kaplanan mangan oksit miktarının morfolojik ve elektriksel özellikler üzerindeki etkisi incelenmiştir. Kaplanan mangan oksit Hausmannite fazı çevrimsel voltametri ve şarj/deşarj ölçümleri sırasında yüksek performans göstermiştir. Mangan oksit kaplı elektrotlar, şarj/deşarj ve çevrimsel voltametri ölçümlerinde sırasıyla 546 F g−1 (0.5 A g−1 akım yoğunluğunda) ve 308 F g−1 (1 mV s−1 tarama hızında) gibi umut vadeden kapasitif performans göstermişlerdir. Çevrimsel voltametri sırasında, mangan oksitin Hausmannite fazından karışık değerlikteki MnOx fazına dönüştüğü gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, kendi kendine durabilen indirgenmiş grafen oksit elektrotları üzerinde biriktirilmiş MnOx nano yapıları, 10000 çevirim sonunda ilk kapasitans değerinin %154'ünü korumuştur. Son olarak, süperparamanyetik demir oksit nanopartikülleri ve indirgenmiş grafen oksit kompozitleri iki farklı yöntem ile hazırlanmıştır. Demir oksit miktarının kompozit yapısında arttırılmasıyla spesifik kapasitans değerlerinin beklendiği gibi yükseldiği gözlemlenmiştir. Şarj/deşarj analizleri sonucunda 0.5 mA cm-2 akım yoğunluğunda 203 F g-1 deşarj kapasitesi elde edilmiştir. Bu değer 2 mg ağırlığındaki bir elektrot için yüksektir ve bu elektrotlar pratik uygulama alanlarında kullanılabilir. Ayrıca, üretilen demir oksit/ indirgenmiş grafen oksit kompozit elektrotları sulu elektrolit içinde geniş potansiyel aralıkta çalışabilmektedirler (1.6 V) ve 10000 çevirim sonucunda başlangıçtaki kapasitans değerinin %78'i korunmuştur.
Özet (Çeviri)
Due to depletion of fossil fuels and global warming, there is an increasing need for clean and renewable energy as well as efficient energy storage technologies. Energy storage systems such as batteries and supercapacitors are required for balanced and continuous power supplies. Electrochemical Capacitors have received great attention due to their high energy density and high charge-discharge efficiency. Electrode material plays an important role in the performance of energy storage devices. Therefore, proper construction of electrode materials composed of highly conductive current collectors and nanostructured active materials are crucial for full utilization of the device performance. In this thesis, graphene paper and metal oxide composites are prepared as self-standing and flexible electrodes for electrochemical capacitors. For this purpose, graphene oxide paper is obtained from graphene oxide solution synthesized via Hummers' method. Reduction of graphene oxide paper is performed via chemical reduction and thermal annealing. Effects of different reduction techniques on the morphology and electrochemical properties are examined. Then, cathodic electrodeposition of manganese oxide onto reduced graphene oxide paper is carried out to prepare flexible and binder-free electrodes for electrochemical capacitors. Effects of electrodeposition potential and the amount of deposited mass on the electrochemical performance are examined. Hausmannite phase manganese oxide coated electrodes exhibit promising performance in charge-discharge and cyclic voltammetry measurements with specific capacitance of 546 F g−1 at current density of 0.5 A g−1 and 308 F g−1 at scan rate of 1 mV s−1, respectively. During potential cycling, phase transformation of Mn3O4 to mixed-valent MnOx is observed. Consequently, MnOx nanostructures on self-standing reduced graphene oxide electrodes have 154% capacitance retention at 10000 cycles of cyclic voltammetry. Lastly, superparamagnetic iron oxide nanoparticles decorated reduced graphene oxide papers are prepared via two different methods. Increasing the amount of iron oxide nanoparticles on the graphene papers results in enhanced capacitance, as expected. In the galvanostatic charge-discharge measurements, Fe3O4/rGO electrode exhibits specific capacitance of 203 F g-1 at 0.5 mA cm-2. This value is remarkable since the electrode has a high weight of 2 mg cm-2, which shows that the electrode can be used for practical purposes. Moreover, Fe3O4/rGO electrodes achieves wide working potential window of 1.6 V (in aqueous electrolyte) and high capacitance retention of 78% at 10000 cycles.
Benzer Tezler
- Enerji depolamada yenilikçi karbon yapılı esnek yüzeylerin üretimi ve analizi
Production and analysis of novel carbon structured flexible surfaces for energy storage applications
ESRA ŞERİFE KILIÇ
Doktora
Türkçe
2024
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ DEMİR
- Graphene based materials obtained from graphite and polyacrylonitrile based carbon fiber for energy storage and conversion systems
Enerji depolama ve dönüşüm sistemleri için grafit ve poliakrilonitril esaslı karbon fiberden grafen tabanlı malzemelerin üretilmesi
MEHMET GİRAY ERSÖZOĞLU
Doktora
İngilizce
2022
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ
PROF. DR. YÜCEL ŞAHİN
- Investigation of sulfide materials for supercapacitors
Süperkapasitörler için sülfit malzemelerinin araştırılması
ALİ DENİZ UÇAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
EnerjiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSNÜ EMRAH ÜNALAN
DR. YUSUF KELEŞTEMUR
- Altın, grafen ve alkantiyol hetero katmanlı süper örgülerin yapısal ve elektronik özellikleri
Structural and electronic properties of heterolayered gold, graphene and alkanethiol superlattices
MERVE YORTANLI
Doktora
Türkçe
2023
Fizik ve Fizik MühendisliğiBalıkesir ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERSEN METE
- Grafen esaslı kompozit kaplamaların korozyon ve aşınma özellikleri
Corrosion and wear properties of graphene based composite coatings
KUBİLAY KILIÇÇI
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET UYSAL