Süper kapasitörler için bağlayıcısız nikel içeren grafen köpük elektrotunun tek adımda hazırlanması
One-step preparation of binder-free nickel containinggraphene foam electrode for supercapacitors
- Tez No: 802703
- Danışmanlar: PROF. DR. ŞERAFETTİN DEMİÇ, DOÇ. DR. BURAK GÜLTEKİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Metalurji Mühendisliği, Chemistry, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Grafen köpük, süperkapasitör, kompozit elektrot, nikel hidroksit. termal absorplayıcı, Graphene foam, Supercapacitor, Composite electrode, Nickel hydroxide. thermal absorber
- Yıl: 2023
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İzmir Katip Çelebi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 62
Özet
Çevre dostu ve yenilenebilir enerji depolama kaynakları olarak süper kapasitörler (SC'ler), uzun ömürleri ve nispeten yüksek güç yoğunlukları nedeniyle dikkatleri üzerine çekmiştir. Tipik bir süper kapasitör, iyon ileten bir elektrolit [1] ile ayrılan pozitif ve negatif elektrotlar içerir. SC'lerin temel bir bileşeni olan elektrotlar, aktif malzemenin polimer bağlayıcı ve yüksek iletken katkı maddesi ile karıştırılmasını gerektiren bulamaç döküm yöntemiyle hazırlanır. İletken (veya gözenekli) katkı maddelerinin işlevi, elektrot malzemesi ile akım toplayıcı arasındaki arayüz bağlantısını iyileştirerek cihazın düşük seri direncini sağlamaktır. Bununla birlikte, katkı maddeleri ve yalıtkan bağlayıcılar, hacim kaybına ve elektrotların nispeten daha düşük hacimsel ve gravimetrik kapasitansına neden olan aktif malzemenin agregasyonu veya tıkanması gibi bazı dezavantajlara sahiptir [2,3]. Karbonlu malzemeler, metal oksitler/hidroksitler ve iletken polimerler, SC uygulamaları için en yaygın üç elektrot malzemesi türüdür. Grafen bazlı kompozitler, yüksek yüzey alanı (2630 m 2 g − 1'e kadar teorik yüzey alanı), yüksek elektronik iletkenlik gibi özel özelliklerinden dolayı çeşitli enerji depolama teknolojilerinde (süper kapasitörler, Liion piller ....) yaygın olarak kullanılmaktadır. ve mükemmel termal kararlılık ve mekanik esneklik [4–7]. Bununla birlikte, grafen nanotabakalar, güçlü ara katman ππ istiflenmesi ve van der Waals etkileşimleri nedeniyle topaklanmalar oluşturma ve yeniden grafite istiflenme eğilimindedir; bu da erişilebilir yüzey alanının azalmasına ve sınırlı bir elektrolit iyonu difüzyon hızına neden olur [4,7]. Bu sorunun üstesinden gelmek için, bazı diğer karbon bazlı malzemeler (karbon nanotüp (CNT), karbon siyahı (CB), vb.) veya metal oksit/hidroksitler nanopartiküller ((Ni(OH)2, Fe2O3, MnO2, vb.) eklenmiştir. elektrot yapısına [8–11]. Bu şekilde hazırlanan elektrotlarla iv yüksek kapasitans değerleri (maksimum teorik kapasitans: 2082 F/g) elde edilebilse de, yapıya yabancı maddelerin girmesi ve lameller arasındaki mesafelerin artması nedeniyle iletkenlikte azalma meydana gelebilir. 8,9]. Bu açıdan bakıldığında, yüksek yüzey alanlı, hafif ve gözenekli yapıya sahip, bağlayıcı içermeyen grafen köpükler (GF) son zamanlarda önemli bir gelişme olarak ortaya çıkmıştır. [12–14]. Gözenekli bir yapıya sahip olan 3D GF, son derece geniş yüzey alanı, yüksek iletkenlik yolu ve gelişmiş yük taşıma hareketliliği ve daha düşük direnç gibi benzersiz özellikler sergileyen hiyerarşik bir malzemedir [15]. İdeal olarak birbirine bağlı bir ağa sahip 3 boyutlu makro yapı sayesinde, düşük dirençli sistemde elektronlar yüksek verimlilikle aktarılabilir. Ayrıca farklı nanopartiküller veya yarı iletken metal oksitler/hidroksitler (REF) ile GF kompozitleri yapılarak çeşitli uygulamalar için daha işlevsel yapılar elde etmek mümkündür. Şimdiye kadar, 3D GF ve GF bazlı hibrit yapıların hazırlanması için hidrotermal, kimyasal buhar biriktirme, şablon, dondurarak kurutma ve elektrokimyasal hazırlama gibi farklı prosedürler önerilmiştir [14,16–19]. Anlık olarak, bir 3D indirgenmiş grafen oksit (RGO) ve Au nanokompozitin doğrudan karbon iyonik sıvı elektrot (CILE) yüzeyinde elektrokimyasal biriktirme ile hazırlandığı bildirildi. Bu çalışmada, 3D rGO-Au nanokompozitinin, geniş bir yüzey alanı, birbirine bağlı ağ ve yüksek spesifik bir üç boyutlu yapı oluşturabilen tek adımlı elektrokimyasal birlikte biriktirme ile doğrudan CILE yüzeyi üzerinde oluşturulduğu gözlemlendi. iletkenlik. Au nanoparçacıklarının varlığının, rGO nanotabakasının katman mesafelerini arttırdığı ve redoks proteinlerinin immobilizasyonu için biyouyumlu bir arayüz sağladığı da belirlendi. Başka bir çalışmada, GF-TiO2 kompoziti, atık su arıtımı için bir otoklavda 180°C'de tek adımlı hidrotermal yöntemle hazırlandı. Wang ve çalışma arkadaşları, hazırlanan hibrit nanotabakanın, tek tek saf TiO2 levhalara veya saf grafen köpüğe göre çok daha üstün performans krom (VI) ve metil mavisi (MB) giderme kapasitesi sergilediğini bildirdi [20]. Ni, NiO ve Ni(OH) 2 içeren benzer yapılar da süper kapasitör uygulamaları için hazırlanmış ve uygulanmıştır. Huang ve diğerleri, bir dizi üretim süreciyle NiO/grafen bazlı bir film hazırladı. Hazırlanan NiO-grafen filmi, 2 A g − 1'de 540 F g − 1 spesifik kapasitans ve 2000 CDC döngüsünde %80 kapasitans tutma elde etti [21]. Başka bir çalışmada, Xu ve ark. 0,5 A g − 1'de 171,3 F g − 1'lik spesifik bir kapasitans sergileyen NiO/rGO'yu sentezlemek için basit bir hidrotermal yol kullandı. Ayrıca 2000 CDC döngüsünde %79'luk bir döngüsel stabiliteye sahipti [22]. Öte yandan, Pore ve ark. 9000 döngüden sonra yaklaşık v %80.4'lük bir döngüsel stabilite ile 1mA cm-2'de 727.1 F g − 1 spesifik kapasitans sunan hidrotermal yöntemden sonra 400oC'de tavlayarak GF-NiO kompozitini hazırladı [19]. Ek olarak, Viswanathan ve iş arkadaşları bir N bildirdiler. Süper kapasitör uygulaması için i(OH) 2 bazlı elektrot. Bilindiği gibi Ni(OH)2, H2SO4 gibi asitlerde iyi çözünürlüğe sahiptir. 1M H2SO4 elektrolitinde (REF) 130.72 F g − 1 özgül kapasitans değeri gösteren çözünmez Ni(OH)2/rGO kompoziti elde etmek için yerinde bir kimyasal indirgeme yöntemi gerçekleştirildi. Mevcut çalışmada, Ni ve rGO bazlı kendinden şablonlu bir köpük geliştirilmiş ve yapısal analizleri gerçekleştirilmiştir. Ni ve rGO'nun farklı ağırlık oranlarında hazırlanan köpükler doğrudan akım toplayıcı üzerinde büyütüldü. Bu elektrotlar elektrokimyasal olarak sulu elektrolitlerde süper kapasitör elektrotlar olarak karakterize edildi ve standart rGO ve rGO:CB referans elektrotlarıyla karşılaştırıldı.
Özet (Çeviri)
Supercapacitors (SCs) as environmentally friendly and renewable energy storage sources have attracted attention because of their long lifetime and relatively higher power density. A typical supercapacitor contains positive and negative electrodes which are separated by an ion-conducting electrolyte [1]. The electrodes as a key component of SCs are prepared by the slurry casting method that needed mixing of active material with polymer binder and high conductive additive. The function of conductive (or porous) additives is to improve the interface connection of electrode material and current collector resulting in low series resistance of the device. However additives and insulating binders have some disadvantages such as aggregation or clogging pores of active material resulting in loss of volume and relatively lower volumetric and gravimetric capacitance of electrodes [2,3] . Carbonaceous materials, metal oxides/hydroxides, and conductive polymers are the three most common types of electrode materials for SC applications. Graphene-based composites have been widely used in various energy storage technologies (supercapacitors, Li-ion batteries....) due to their special properties such as high surface area (theoretical surface area up to 2630 m2 g − 1), high electronic conductivity and excellent thermal stability and mechanical flexibility [4–7]. However, graphene nanosheets tend to form agglomerates and restack back to graphite due to the strong interlayer π-π stacking and van der Waals interactions resulting in decreased accessible surface area and a limited electrolyte ion diffusion rate [4,7]. To overcome this problem, some other carbon-based materials (carbon nanotube (CNT), carbon black (CB), etc.) or metal oxide/hydroxides nanoparticles (Ni(OH)2, Fe2O3, MnO2, etc.) have been inserted into the electrode structure [8–11] . Although, high capacitance values (maximum theoretical capacitance: 2082 F/g) can be achieved with electrodes prepared in this way, a decrease in conductivity may occur due to the introduction of vii impurities into the structure and the increase in the distances between the lamellas [8,9]. From this point of view, binder-free graphene foams (GF) with high surface area, lightweight and porous structure have emerged as an important development recently. [12–14]. With a porous structure, 3D GF is a hierarchical material that exhibits unique properties such as extremely large surface area, highly conductive path and improved charge-carrying mobility and lower resistance [15]. Thanks to the 3D macrostructure with an ideally interconnected network, electrons can be transferred with high efficiency in the system with low resistance. Moreover, it is possible to obtain more functional structures for various applications by making GF composites with different nanoparticles or semiconductor metal oxides/hydroxides (REF). So far, different procedures have been proposed for the preparation of 3D GF and GF-based hybrid structures, such as hydrothermal, chemical vapour deposition, template, freeze drying, and electrochemical preparation [14,16–19]. For an instant, it was reported that a 3D reduced graphene oxide (RGO) and Au nanocomposite was prepared directly on the carbon ionic liquid electrode (CILE) surface by electrochemical deposition. In that study, it was observed that the 3D rGO-Au nanocomposite was formed directly on the CILE surface by one-step electrochemical co-deposition, which could form a specific three-dimensional structure with a large surface area, interconnected network, and high conductivity. It was also determined that the presence of Au nanoparticles increased the layer distances of the rGO nanolayer and provided a biocompatible interface for the immobilization of redox proteins. In another study, The GF-TiO2 composite was prepared by one-stephydrothermal method at 180°C in an autoclave for wastewater treatment. Wang and co-workers reported that the prepared hybrid nanosheet exhibited much superior performance chromium (VI) and methyl blue (MB) removal capacity than that of individual pure TiO2 sheets or pure graphene foam [20]. Similar structures containing Ni, NiO, and Ni(OH)2 have also been prepared and applied for supercapacitor applications. Huang et al prepared a NiO/graphene based film through a series of fabrication processes. The prepared NiO-graphene film achieved a specific capacitance of 540 F g − 1 at 2 A g − 1 and 80% capacitance retention at 2000 CDC cycles [21]. In another study, Xu et al. used a simple hydrothermal pathway to synthesize NiO/rGO exhibiting a specific capacitance of 171.3 F g − 1at 0.5 A g − 1. It also had a cyclic stability of 79% over 2000 CDC cycles [22]. On the other hand, Pore et al. prepared the GF-NiO composite by annealing at 400o C after the viii hydrothermal method presenting 727.1 F g − 1 specific capacitance at 1mA cm-2 with a cyclic stability of about 80.4% after 9000 cycles [19]. In addition, Viswanathan and co-workers reported a Ni(OH)2-based electrode for supercapacitor application. As it is well known, Ni(OH)2 has good solubility in acids such as H2SO4. An in-situ chemical reduction method was achieved to obtain insoluble Ni(OH) 2/rGO composite showing a specific capacitance value of 130. 72 Fg-1 in 1M H2SO4 electrolyte (REF). In the current study, a self-templated foam based on Ni and rGO was developed and its structural analyses were carried out. The prepared foams in different weight ratios of Ni and rGO, were directly grown on the current collector. These electrodes were electrochemically characterized as supercapacitor electrodes in aqueous electrolytes and compared with standard rGO and rGO:CB reference electrodes.
Benzer Tezler
- Bazı tiyofen ve tiyenotiyofen türevlerinin sentezi, karakterizasyonları ve süperkapasitör uygulamaları
Synthesis, characterizations and supercapacitor applications of some thiophene and thienothiophene derivatives
SAMAL BERDIBEKOVA
- Biyolojik temelli metal organik kafes yapıların sentezi, karakterizasyonu ve ilaç taşıyıcı sistem olarak uygulaması
Synthesis, characterization, and application of biological metal-organic frameworks as drug delivery systems
HALİL İBRAHİM ÇETİNTAŞ
Doktora
Türkçe
2022
Kimya MühendisliğiSivas Cumhuriyet ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEMA SALGIN
- Synthesis of flower-shaped copper ferrite with copper and iron extracted from the different acid treatments of chalcopyrite for supercapacitor electrode application
Süper kapasitör elektrot uygulamasi için kalkopiritin farkli asit işlemlerinden elde edilen bakir ve demir ile çiçek biçimli bakir ferrit sentezi
EL MOCTAR MBEBOU
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Maden Mühendisliği ve MadencilikKarabük ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SAFA POLAT
- Metal-organic framework composite based materials for hybrid supercapacitors
Hibrit süperkapasitörler için metal-organik kompozit temelli malzemeler
SARMAD HASAN AHMED AL-MAAWI
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOndokuz Mayıs ÜniversitesiNanobilim ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER ANDAÇ
- Preparation of biocompatible composite 3d architectures based on graphene oxide (GO) and chitosan for flexible all solid state supercapacitors
Esnek tüm katı hal süper kapasitörler için grafen oksit (GO) ve kitosan bazlı biyouyumlu kompozit 3d mimarilerin hazırlanması
SAEIDEH ALIPOORILEMEESLAM
Doktora
İngilizce
2024
Polimer Bilim ve TeknolojisiHacettepe ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BARSBAY