Farklı morfolojilerde bor karbür sentezi ve elektrokimyasal özelliklerinin incelenmesi
Synthesis of boron carbide with different morphologies and investigation of its electrochemical properties
- Tez No: 919755
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SUNA AVCIOĞLU, PROF. DR. CENGİZ KAYA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Metalurji Mühendisliği, Energy, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Bor karbür, sol-jel, morfoloji, fiber, eşeksenli çok yüzlü, Elektrot, süperkapasitör, Boron carbide, sol-gel, morphology, fiber, coaxial polyhedral, electrode, supercapacitor
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 130
Özet
Günümüzde bor bileşikleri, geniş kullanım alanına sahip stratejik malzemeler arasında yer almaktadır. Katma değeri yüksek ileri bor esaslı malzemelerin geliştirilmesi Türkiye'nin zengin bor rezervlerine sahip olması nedeni ile ekonomik kalkınma açısından kritik öneme sahiptir. Borlu bileşiklerden bor karbür, düşük yoğunluğu, düşük termal genleşme katsayısı, üstün nötron sönümleme kabiliyeti, yüksek sertliği ve kimyasal kararlılığı sayesinde savunma sanayi, radyasyon teknolojileri, uzay ve havacılık gibi alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu özellikler bor karbürü geleneksel uygulamalarının yanı sıra yeni nesil enerji depolama sistemleri gibi ileri teknoloji uygulama alanlarında da değerlendirilebilecek potansiyel bir malzeme olarak öne çıkarmaktadır. Ancak literatürde bor karbürün enerji depolama sistemleri için elektrokimyasal özelliklerini inceleyen sınırlı sayıda çalışma mevcuttur. Bu çalışmada, farklı morfolojilerde bor karbür partiküllerin sol-jel yöntemi ile sentezi gerçekleştirilmiştir. Ardından, sentezlenen bor karbür partiküller kullanılarak hazırlanan elektrotların elektrokimyasal özellikleri incelenmiş, partiküllerin kimyasal ve fiziksel özellikleri ile elektrokimyasal özellikleri ilişkilendirilmiştir. Son olarak bor karbür esaslı elektrotlarla simetrik ve asimetrik cihazlar üretilerek bor karbürün enerji depolama sistemlerinde kullanım potansiyeli araştırılmıştır. Elde edilen numunelerin XRD analizi ile bor karbür fazına sahip olduğu, tane boyutlarının eş eksenli numuneler için 2-10 mikron arasında değiştiği ve fiber numuneler ise 300-500 nm uzunluğunda ve yaklaşık 10 nm kalınlığında olarak üç farklı morfolojide sentezlendikleri SEM-EDS, TEM yöntemleriyle; kristal yapıdaki kusurları ise ESR analiziyle ve sentezlenen tozların yüzey alanları BET analizi ile incelenmiştir. Bor karbür tozlarının elektrokimyasal performansı, iki farklı konsantrasyonda (1M ve 6M KOH) döngüsel voltametri (CV), galvanostatik şarj-deşarj (GCD) ve elektrostatik empedans spektroskopisi (EIS) teknikleri ile değerlendirilmiştir. Analiz sonuçlarına göre, fiber morfolojisine sahip bor karbür elektrot, 168,165 F/g kapasitans, 5,264 Wh/kg enerji yoğunluğu ve 2398,4 W/kg güç yoğunluğu değerleriyle en yüksek performansı sergilemiştir. Ayrıca, simetrik süperkapasitör cihazı olarak tasarlanan bor karbür fiber elektrotlar, 10.000 döngü sonrasında %97,7'lik stabilite oranıyla uzun vadeli kullanım için uygun bir aday olduğunu ortaya koymuştur. Bu sonuçlar, bor karbürün enerji depolama teknolojilerinde alternatif bir elektrot malzemesi olarak kullanılabilirliğini kanıtlamaktadır.
Özet (Çeviri)
Boron compounds are among the strategic materials with wide usage areas. The development of advanced boron-based materials with high added value is of critical importance for economic development because Turkey has rich boron reserves. Boron carbide, a boron compound, is widely used in areas such as the defense industry, radiation technologies, space and aviation, thanks to its low density, low coefficient of thermal expansion, superior neutron damping ability, high hardness and chemical stability. These features make boron carbide stand out as a potential material that can be evaluated in high-tech application areas such as new generation energy storage systems, as well as in its traditional applications. However, there are limited studies in literature examining the electrochemical properties of boron carbide for energy storage systems. In this study, boron carbide particles with different morphologies were synthesized by the sol-gel method. Then, the electrochemical properties of the electrodes prepared using the synthesized boron carbide particles were examined, and the chemical and physical properties of the particles were correlated with their electrochemical properties. Finally, the potential of using boron carbide in energy storage systems was investigated by producing symmetrical and asymmetric devices with boron carbide-based electrodes. The XRD analysis of the obtained samples revealed that they possess a boron carbide phase, with particle sizes ranging from 2 to 10 microns for the coaxial samples, and the fiber samples having lengths of 300-500 nm and approximately 10 nm in thickness. These samples were synthesized in three different morphologies, which were characterized using SEM-EDS and TEM methods. The defects in the crystal structure were analyzed using ESR analysis, and the surface areas of the synthesized powders were examined using BET analysis. The electrochemical performance of boron carbide powders was evaluated by cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge-discharge (GCD) and electrostatic impedance spectroscopy (EIS) techniques at two different concentrations (1M and 6M KOH). According to the analysis results, boron carbide electrode with fiber morphology, 168,165 F/g capacitance, 5,264 Wh/kg energy density and it demonstrated the highest performance with power density values of 2398.4 W/kg. Additionally, boron carbide fiber electrodes designed as a symmetric supercapacitor device have proven to be a suitable candidate for long-term use, with a stability rate of 97.7% after 10,000 cycles. These results prove the feasibility of boron carbide as an alternative electrode material in energy storage technologies.
Benzer Tezler
- Süper kapasitör uygulamaları için nano bor karbür (B4C) sentezi
Synthesis of nano boron carbide (B4C) for supercapasitor applications
SELİN TÜMKAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Metalurji MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENGİZ KAYA
- B4c ilaveli tzm alaşımlarının spark plazma sinterleme (SPS) yöntemi ile farklı tasarımlarla üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of b4c rei̇nforced tzm alloy with different designs prepared by spark plasma sintering (SPS) method
BARIŞ YAVAŞ
Doktora
Türkçe
2020
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLTEKİN GÖLLER
- Deposition and characterization of single and multilayered boron carbide and boron carbonitride thin films by different sputtering configurations
Tek ve çok katmanlı bor karbür ve bor karbonitrür ince filmlerinin farklı sıçratma teknikleriyle biriktirilmesi ve karakterizasyonu
TOLGA TAVŞANOĞLU
Doktora
İngilizce
2009
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. MİCHEL JEANDİN
PROF. DR. OKAN ADDEMİR
- Fonksiyonel derecelendirilmiş Ti-B4C kompozit malzemelerin mekanik ve korozyon özellikleri
Mechanical and corrosion properties of functionally gradedTi-B4C composite materials
ABDUALKARIM MUSBAH M GARIBA
Doktora
Türkçe
2021
Mühendislik BilimleriKastamonu ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERKAN ISLAK
- AISI 8620 çeliğinin değişik pasta karışımlarında plazma pasta borlanması ve yüzey özelliklerinin incelenmesi
Plasma paste boronizing of AISI 8620 steel by using different paste mixtures and investigation of their surface properties
İBRAHİM GÜNEŞ
Doktora
Türkçe
2010
Metalurji MühendisliğiAfyon Kocatepe ÜniversitesiMetal Eğitimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ŞÜKRÜ TAKTAK