Utilizing some forest biomass as supercapacitor electrode material
Orman biyokütlelerinin süperkapasitör elektrot malzemesi olarak kullanımı
- Tez No: 958827
- Danışmanlar: PROF. DR. HANZADE AÇMA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 83
Özet
Günümüzde enerji depolama teknolojilerinde yaşanan hızlı gelişmeler, sürdürülebilirlik kaygıları ve artan enerji ihtiyacı ile birlikte alternatif enerji depolama çözümlerine olan ilgiyi artırmıştır. Bu bağlamda süperkapasitörler, yüksek güç yoğunlukları, kısa şarj-deşarj süreleri ve uzun çevrim ömürleri sayesinde öne çıkan enerji depolama sistemleri arasında yer almaktadır. Özellikle elektrikli araçlar, yenilenebilir enerji sistemleri ve taşınabilir elektronik cihazlar gibi alanlarda, süperkapasitörlerin kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır. Elektrikli araç endüstrisinde yapılan son yatırımlar ve teknolojik gelişmeler, süperkapasitörlerin ticari önemini artırmakta; aynı zamanda sürdürülebilir ve çevre dostu malzemelerin kullanımını da gerekli kılmaktadır. Süperkapasitörlerin performansında en kritik bileşenlerden biri olan elektrot malzemeleri; cihazın enerji ve güç yoğunluğu, çevrim ömrü ve verimliliği üzerinde doğrudan etkilidir. Geleneksel olarak karbon temelli malzemeler bu amaçla kullanılmakta olup, bu malzemelerin kaynağı, üretim yöntemi ve çevresel etkileri önemli bir araştırma konusudur. Bu bağlamda, elektrot kaplama malzemesi için sürdürülebilir ve yenilenebilir kaynaklara yönelim artmaktadır. Lignoselülozik yapıya sahip orman biyokütleleri, özellikle iğne yapraklı ağaç türleri bu alanda dikkat çekmektedir. Bu çalışma kapsamında kaplama malzemesi olarak sarı çam (Pinus sylvestris), doğu ladini (Picea orientalis) ve sedir (Cedrus libani) gibi Türkiye'nin farklı bölgelerinde yaygın olarak bulunan iğne yapraklı ağaç türlerinin biyokütleleri değerlendirilmiştir. Söz konusu biyokütlelerin seçilmesinde birçok faktör etkili olmuştur. Öncelikle bu türlerin Kuzey Anadolu ve Akdeniz bölgelerinde doğal olarak yaygın bulunmaları, bu ağaçların biyokütlesinin kolay temin edilebilir olmasını sağlamaktadır. Ayrıca, bu ağaç türlerinin endüstriyel odun üretimi sırasında ortaya çıkan artıklarının değerlendirilmesiyle, atık geri dönüşümüne katkı sağlanması ve bu yolla sürdürülebilir bir döngüsel ekonomi modeline katkı sunulması hedeflenmiştir. Ekonomik ve çevresel avantajlarının yanı sıra, bu biyokütlelerin teknik özellikleri de tercih edilmelerinde etkili olmuştur. Özellikle bu türlerin yüksek karbon içeriği, gözenekli yapı oluşturma potansiyeli, geniş yüzey alanına sahip olmaları ve kimyasal aktivasyon süreçlerine uygunlukları gibi özellikleri, onları süperkapasitör uygulamaları için cazip hale getirmektedir. Bu çalışmanın temel amacı, söz konusu biyokütlelerin elektrot kaplama malzemesi olarak kullanılmasının süperkapasitörlerin enerji ve güç yoğunluğunu artırmadaki potansiyelini araştırmaktır. Bu bağlamda, biyokütlelerden elde edilen karbon türevlerinin süperkapasitör performansı üzerindeki etkileri sistematik olarak incelenmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında, sedir, sarı çam ve doğu ladini odunlarından elde edilen numunelerin kimyasal ve fiziksel yapıları elementel analiz, FTIR (Fourier Transform Infrared Spektroskopisi), BET yüzey alanı analizi ve diğer karakterizasyon yöntemleriyle detaylı olarak analiz edilmiştir. Elde edilen bu veriler, daha sonraki aşamalarda yapılan elektrokimyasal performans değerlendirmelerinde temel oluşturmuştur. Biyokütlelerin kaplama malzemesine dönüştürülmesi süreci iki temel aşamadan oluşmaktadır: termal dönüşüm ve kimyasal aktivasyon. İlk olarak, ön işlemden geçirilen biyokütleler karbonizasyon yöntemiyle karbonize edilmiştir. Bu süreç, biyokütlelerin uçucu bileşenlerinin uzaklaştırılmasını ve karbon iskeletinin oluşturulmasını sağlamaktadır. Ardından, karbonize edilmiş numuneler potasyum hidroksit (KOH) ile farklı oranlarda kimyasal olarak aktive edilmiştir. Aktivasyon işlemi, karbon yapının gözenekliliğini ve yüzey alanını artırarak elektrot olarak kullanımda performans artışını sağlamaktadır. Bu bağlamda, her bir biyokütle türü için farklı KOH oranlarında (1:2, 1:3, 1:4) aktivasyon gerçekleştirilmiş ve böylece elde edilen numunelerin karşılaştırmalı değerlendirmesi yapılmıştır. Elektrot kaplaması olarak hazırlanan numunelerin süperkapasitör performansı, elektrokimyasal yöntemlerle test edilmiştir. Yapılan yapısal analizler sonucu, süperkapasitör malzemesi olarak en uygun numunenin Doğu Ladini olacağını göstermiş ve elektrokimyasal analizler bu biyokütle üzerine yapılmıştır. Bu analizler arasında döngüsel voltametri (CV), galvanostatik şarj-deşarj (GCD), elektroimpedans spektroskopisi (EIS) ve kapasitans hesaplamaları yer almaktadır. Yapılan ölçümler sonucunda, her Doğu Ladini için farklı aktivasyon parametrelerinin süperkapasitör performansına olan etkisi analiz edilmiştir. Elde edilen bulgular, her bir biyokütle türünün süperkapasitör uygulamaları açısından farklı avantajlara sahip olduğunu göstermiştir. Örneğin, sedir ağacından elde edilen karbonun daha düzenli bir gözenek yapısı sergilediği, sarı çamın ise daha geniş yüzey alanı sağladığı gözlemlenmiştir. Doğu ladini örneklerinde ise hem yüzey alanı hem de elektriksel iletkenlik açısından dengeli bir performans elde edilmiştir. Kimyasal aktivasyon oranlarının artmasıyla birlikte genel olarak özgül kapasitans değerlerinde artış gözlemlenmiş, ancak bu artış belirli bir noktadan sonra doygunluk eğilimi göstermiştir. Bu durum, aktivasyon sürecinde optimum koşulların belirlenmesinin önemini ortaya koymuştur. Bununla birlikte, bu çalışmada yalnızca kaplama malzemesinin elde edilme süreci değil, aynı zamanda elde edilen malzemenin elektrokimyasal performans üzerindeki doğrudan etkisi detaylı olarak ele alınmıştır. Süperkapasitörlerde hedeflenen yüksek güç yoğunluğu ve düşük şarj-deşarj süresi gibi özelliklerin sağlanabilmesi için, elektrot malzemesinin hem elektriksel iletkenlik hem de iyon geçişine uygun yapıda olması gerekmektedir. Bu nedenle, hazırlanan numunelerin iç yapılarının kontrollü şekilde gözeneklileştirilmesi, karbon yapısının aktivasyon sırasında bozulmadan korunması ve yüzey kimyasının uygun hale getirilmesi, elde edilen sonuçların başarısını doğrudan etkilemiştir. Uygulanan aktivasyon parametrelerinin farklılığı, her biyokütlede özgül kapasitans, direnç ve çevrim kararlılığı gibi temel performans kriterlerinde değişken sonuçlar doğurmuş, bu da her biyokütle numunesi için optimum koşulların ayrı ayrı belirlenmesini zorunlu kılmıştır. Bu bağlamda çalışma, deneysel bir araştırmanın ötesinde, süperkapasitör uygulamaları için biyokütle tabanlı karbon malzemelerin sistematik değerlendirmesine yönelik bir metodoloji sunmaktadır. Elektrokimyasal karakterizasyonların yanı sıra, her bir aktivasyon yöntemi ve parametresi ile elde edilen yapının yapısal analizlerle desteklenmesi sayesinde, yalnızca en iyi performans gösteren malzeme değil, hangi yapısal özelliğin hangi elektrokimyasal çıktıyı etkilediğini de ortaya konulmuştur. Böylece bu araştırma, literatürde genellikle göz ardı edilen yapı-performans ilişkisinin detaylı analizine katkı sağlamaktadır. Gelecekte yapılacak çalışmalarda, farklı karbonizasyon atmosferlerinin (örneğin azot, argon veya CO₂ ortamları), aktivasyon ajanlarının (örneğin H₃PO₄, ZnCl₂ gibi) ve post-sentez işlemlerinin (grafenle destekleme, metal oksitlerle kompozit oluşturma vb.) bu biyokütleler üzerindeki etkilerinin araştırılması ile daha yüksek performanslı ve çok işlevli süperkapasitör elektrotları geliştirilmesi mümkündür. Aynı zamanda bu biyokütlelerin endüstriyel ölçekte temini, işlenmesi ve ürünleştirilmesi üzerine yapılacak ekonomik analizler, bu malzemelerin ticari kullanımı için de yol gösterici olacaktır. Bu çalışma, yerli ve doğal kaynakların etkin ve yenilikçi kullanımına yönelik önemli bir adım niteliğinde olup, enerji depolama teknolojilerinde çevreyle uyumlu çözümler geliştirilmesine katkı sağlamayı hedeflemektedir. Ayrıca bu çalışmada kullanılan biyokütlelerin yerel kaynaklardan temin edilebilir olması, uzun vadede dışa bağımlılığı azaltacak stratejiler açısından da önemlidir. Türkiye gibi orman zenginliği yüksek ülkelerde bu tür biyokütlelerin değerlendirilmesi, yalnızca enerji alanında değil; atık yönetimi, orman endüstrisi yan ürünlerinin değerlendirilmesi ve kırsal kalkınma gibi alanlarda da dolaylı faydalar sağlayabilir. Bu sayede hem ekonomik hem de çevresel açıdan sürdürülebilir bir üretim modeli geliştirmek mümkün olacaktır. Bu malzemelerin yüksek sıcaklıklara dayanıklı olmaları, uzun çevrim ömrü sunmaları ve hızlı enerji geri kazanımı sağlamaları, onları hibrit enerji sistemlerinde de potansiyel aday hâline getirmektedir. Örneğin süperkapasitörler, pil sistemleriyle birlikte kullanıldıklarında hem ani güç taleplerini karşılayabilir hem de pilin ömrünü uzatarak sistemin genel verimliliğini artırabilir. Bu bağlamda, çalışmanın bir diğer katkısı da süperkapasitör teknolojilerinin sadece laboratuvar ölçekli akademik projelerde değil, aynı zamanda gerçek hayat uygulamaları için de ölçeklenebilir malzeme ve yöntem önerileri sunmasıdır. Özellikle elektrikli araç teknolojilerinde batarya sistemlerine destek olarak kullanılan süperkapasitörler, ani hızlanma ve rejeneratif frenleme gibi yüksek güç gereksinimi olan durumlarda önemli rol oynamaktadır. Geliştirilen bu biyokütle temelli kaplama malzemeleri, söz konusu uygulamalarda ticari karbonlara alternatif olarak değerlendirilebilecek seviyeye ulaşmıştır. Bu açıdan çalışmada elde edilen sonuçlar, hem akademik bilgi birikimine katkı sağlamakta hem de sektörel uygulamalara geçiş için bir temel oluşturmaktadır. Bu tür araştırmaların bir diğer önemi de, fosil yakıtlara dayalı geleneksel elektrot üretim süreçlerinin hem ekonomik hem de çevresel açıdan sürdürülebilir olmamasıdır. Bu nedenle, biyokütle temelli karbon malzemelerin değerlendirilmesi yalnızca teknik performans açısından değil, aynı zamanda sürdürülebilirlik, yerel kaynak kullanımı ve atık yönetimi gibi çok boyutlu kazanımlar sunmaktadır. Özellikle orman endüstrisinde sıklıkla ortaya çıkan artıkların yüksek katma değerli ürünlere dönüştürülmesi, hem çevresel yükün azaltılması hem de kırsal kalkınmanın desteklenmesi açısından önem arz etmektedir. Bu çalışmada kullanılan sedir, doğu ladini ve sarı çam örnekleri, yalnızca teknik olarak başarılı karbon yapılar sunmakla kalmamış, aynı zamanda döngüsel ekonomi açısından da umut vaat eden sonuçlar ortaya koymuştur. Yapılan karakterizasyon ve elektrokimyasal testler sonucunda elde edilen veriler, her bir biyokütlenin farklı aktivasyon parametrelerine verdiği tepkilerin değişken olduğunu ortaya koymuştur. Bu bağlamda yalnızca materyalin kimyasal bileşimi değil, aynı zamanda gözenek dağılımı, yüzey alanı, karbonizasyon sıcaklığı ve aktivasyon oranı gibi birçok parametrenin optimize edilmesi gerektiği anlaşılmıştır. Örneğin sarı çam, daha düşük sıcaklıklarda karbonize edilmesine rağmen yüksek yüzey alanı ve gözeneklilik özellikleri sayesinde yüksek kapasitans değerlerine ulaşırken, sedir odunu daha düzenli bir karbon yapısı sergileyerek döngüsel kararlılık açısından öne çıkmıştır. Doğu ladini ise, bu iki özellik arasında dengeli bir performans sunarak hem enerji yoğunluğu hem de çevrim ömrü açısından tatmin edici sonuçlar vermiştir. Sonuç olarak, bu çalışma yalnızca laboratuvar ölçeğinde performans değerlendirmesi yapmakla kalmayıp, aynı zamanda bu tür biyokütle kaynaklarının endüstriyel üretim süreçlerine entegrasyon potansiyelini de göz önünde bulundurmuştur. Özellikle gelecekte süperkapasitör üretiminde karbon izinin azaltılması, sürdürülebilirlik kriterlerinin sağlanması ve yerli kaynakların değerlendirilmesi açısından bu tür malzemelerin büyük katkı sağlayabileceği öngörülmektedir. Elde edilen veriler ışığında, farklı aktivasyon teknikleriyle desteklenen biyokütle kaynaklarının, performans kaybı olmaksızın konvansiyonel karbon bazlı elektrotlara alternatif olabileceği değerlendirilmiştir. Bu doğrultuda, ileriye dönük çalışmalarda biyokütle çeşitliliğinin artırılması, pilot üretim ölçeklerine geçilmesi ve cihaz seviyesinde entegrasyon çalışmalarına başlanması önerilmektedir.
Özet (Çeviri)
As energy storage devices, supercapacitors have garnered significant attention due to their high power density, rapid charging capabilities, and long cycle lives. Recent advancements and investments in the electric vehicle industry have driven this growing interest. As a result of this increasing interest and the necessity to reduce dependence on fossil fuels, the search for sustainable sources for electrode coating materials has gained prominence. In this study, coniferous forest biomasses, specifically Scots pine (Pinus sylvestris), eastern spruce (Picea orientalis), and cedar (Cedrus spp.), were utilized as coating materials. These biomasses were selected for several reasons: their abundant availability in the Northern Anatolia and Mediterranean regions, their potential to contribute to the economy by being converted into high-value-added products, and their ability to support sustainable commercial processes through waste recycling. From a technical perspective, these biomasses were deemed suitable due to their porous carbon structures, ease of synthesis, large surface areas, and environmentally friendly characteristics, in addition to their economic and practical advantages. This project aims to employ these biomasses as coating materials for supercapacitor electrodes to enhance power density and reduce charge-discharge times. This study seeks to address environmental concerns and further reduce dependence on fossil fuels by using sustainable materials in supercapacitor electrodes. Specifically, the potential of lignocellulosic biomasses from coniferous trees as electrode materials for supercapacitors is being investigated. Using bio-based coating materials from renewable resources presents a sustainable solution for supercapacitor applications. The primary objective of this research is to develop coating materials from the woody parts of Scots pine, eastern spruce, and cedar to improve the performance of supercapacitors. As part of the project, the woody components of coniferous trees are selected as carbon sources. Elemental and structural analyses of the biomasses are conducted for the interpretation of results. Following physical pretreatment, the biomasses underwent thermal conversion and subsequent activation to prepare them as coating materials. Samples are prepared under varying activation parameters, and comparisons are made among different activation conditions for the same biomass and across different biomasses activated under identical conditions. Electrochemical measurements are performed to evaluate and compare the samples' performance in enhancing supercapacitor efficiency under different conditions. The optimal conditions for each sample are determined based on the experimental results.
Benzer Tezler
- Effect of lignin, extractive matter, holocellulose, and alpha cellulose of biomass on calorific value
Biyokütlenin içeriğindeki lignin, ekstraktif madde, holoselüloz ve alfa selülozun kalorifik değer üzerindeki etkisi
ÖZLEM ECEM KAYNAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERDAR YAMAN
- Evaluation of the fire potential index utilizing numerical weather prediction fields and remote sensing imagery
FPI orman yangını potansiyeli indeksinin sayısal hava tahmin modeli alanları ve uzaktan algılama verisi ile hesaplanması
FERAT ÇAĞLAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Uygulamaları Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET ÖZGÜR DOĞRU
- Terbüzek Deresi yağış havzasının SWMM (storm water management model) programı kullanılarak modellenmesi
Modeling terbuzek stream watershed using SWMM (storm water management model) software
HUREM DUTAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Ormancılık ve Orman MühendisliğiKahramanmaraş Sütçü İmam ÜniversitesiOrman Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MAHMUT REİS
- Türkiye ormancılığında Baraklı Köyü modeli
Baraklı Village model in Turkish forestry
NUR DİKTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2001
Ormancılık ve Orman MühendisliğiKaradeniz Teknik ÜniversitesiOrman Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CANTÜRK GÜMÜŞ
- Saf kızılçam meşcerelerinde bazı meşcere parametreleri ile yaprak alan indeksi değerleri arasındaki ilişkilerin modellenmesi (Güngören Orman İşletme Şefliği örneği)
Modeling the relationships between some stand parameters and leaf area index values in pure red pine stands (a case study in Güngören Forest Planning Unit)
FATİH LORT
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Ormancılık ve Orman MühendisliğiÇankırı Karatekin ÜniversitesiOrman Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALKAN GÜNLÜ