W18O49 bileşiminde tungsten suboksit sentezi, karakterizasyonu ve süperkapasitörler için elektriksel özelliklerinin incelenmesi
Synthesis and characterization of tungsten suboxide in W18O49 composition and investigation of their electrical properties for supercapacitors
- Tez No: 959515
- Danışmanlar: PROF. DR. CEM KAHRUMAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Mühendislik Bilimleri, Energy, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Bursa Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 194
Özet
Dünya üzerindeki enerji kaynaklarının giderek azalması ve bununla birlikte gün geçtikçe artan küresel boyuttaki enerji ihtiyacı, araştırmacıları enerji depolama teknolojilerinin geliştirilmesine yönelik yoğun çalışmalara sevk etmektedir. Enerji depolama cihazları arasından süperkapasitörler, gösterdikleri yüksek enerji yoğunluğu ve yüksek güç yoğunluğu sayesinde günümüzde kullanımı artan elektrikli otomobiller, insansız hava araçları, dron ve robot teknolojileri gibi alanlara yönelik önemli bir enerji depolama kaynağı olarak görülmektedir. W18O49, tungstenin oksijenli bileşikleri arasında W+5 oksidasyon seviyesinde oluşan suboksit formlarından biridir ve yapısal özellikleri nedeniyle elektriksel iletim gücü henüz son on yıldır keşfedilen yeni nesil bir malzemedir. Diğer tungsten suboksitlere kıyasla yapısında en fazla oksijen eksikliği barındıran bileşiktir ve kristal ağı trigonal, tetragonal ve hekzagonal kanallarla örülmüştür. Bu kanallar elektron iletimini önemli derecede geliştirerek n-tipi geçişlerde elektriksel iletkenliğin ve depolanan enerji miktarının arttırılmasında büyük rol oynamaktadır. Ancak, W18O49'un optimizasyonu, karakterizasyonları ve kimyasal özelliklerinin elektrokimyasal özellikler üzerindeki belirleyiciliği süperkapasitör elektrotlar için literatürde büyük bir boşluk oluşturmaktadır. Tez çalışmasında, süperkapasitörlerde kullanılmak üzere W18O49 bileşiminde elektrot malzemeleri solvotermal yöntem ile sentezlenmiştir. Öncü madde konsantrasyonu, sentez sıcaklığı ve sentez süresi gibi solvotermal parametreler ile optimize edilmiştir. SEM, EDS, XRD, FTIR ve BET analizleri ile yapısal özellikleri açıklığa kavuşturulmuştur. Bu özelliklerin elektrokimyasal davranış üzerindeki etkileri üç elektrotlu bir kurulumda 1M H2SO4'de, Ag/AgCl - Pt ve W18O49 esaslı çalışma elektrotları kullanılarak CV, GCD ve EIS testlerinin yürütülmesi ile detaylı şekilde incelenmiştir. Ayrıca, optimize edilmiş W18O49 bileşiğine samaryum (Sm+3) ve demir (Fe+3) katkısı yapılarak, yapısal ve elektrokimyasal özelliklerdeki değişim detaylı şekilde araştırılmıştır. Sonuçlara göre, optimize edilmiş W18O49 elektrotu 1 mVs-1 tarama hızında 605,6 Fg-1 ve 1,75 Ag-1 akım yoğunluğunda 198,9 Fg-1 ile oldukça yüksek spesifik kapasitans değerleri göstermiştir. Ayrıca, ağırlıkça %5 Fe+3 katkısı ile optimize elektrotun spesifik kapasitansı 1 mVs-1'de %50,17 oranında arttırılırken 2,00 Ag-1'de %70,12 oranında arttırılmış, ağırlıkça %1 Sm+3 katkısı ile ise 1 mVs-1'de %57,7 oranında arttırılırken, 1,25 Ag-1'de %99,6 oranında arttırılmıştır.
Özet (Çeviri)
The decreasing energy resources in the world and the increasing global energy demand are driving researchers to work intensively on the development of energy storage technologies. Among energy storage devices, supercapacitors are seen as an important energy storage source for areas such as electric cars, unmanned aerial vehicles, drones and robot technologies, which are increasingly used today, thanks to their high energy density and high power density. W18O49 is one of the suboxide forms formed at the W+5 oxidation level among the oxygenated compounds of tungsten and is a new generation material whose electrical conductivity has only been discovered in the last decade due to its structural properties. It is the compound with the most oxygen deficiency in its structure compared to other tungsten suboxides and its crystal network is woven with trigonal, tetragonal and hexagonal channels. These channels play a major role in increasing the electrical conductivity and the amount of stored energy in n-type transitions by significantly improving electron conductivity. However, the optimization, characterization and chemical properties of W18O49 are missing in the literature for supercapacitor electrodes. In this thesis, electrode materials in W18O49 were synthesized by solvothermal method for supercapacitors. Solvothermal parameters such as precursor concentration, synthesis temperature and synthesis time were optimized. Structural properties were elucidated by SEM, EDS, XRD, FTIR and BET analyses. The effects of these properties on electrochemical behavior were investigated in detail by conducting CV, GCD and EIS tests using Ag/AgCl - Pt and W18O49 based working electrodes in 1M H2SO4 in a three-electrode setup. In addition, changes in structural and electrochemical properties were investigated in detail by adding samarium (Sm+3) and iron (Fe+3) to the optimized W18O49 compound. According to the results, the optimized W18O49 electrode showed quite high specific capacitance values of 605.6 Fg-1 at 1 mVs-1 scan rate and 198.9 Fg-1 at 1.75 Ag-1 current density. In addition, with 5 wt% Fe+3 addition, the specific capacitance of the optimized electrode was increased by 50.17% at 1 mVs-1 and 70.12% at 2.00 Ag-1, and with 1 wt% Sm+3 addition, it was increased by 57.7% at 1 mVs-1 and 99.6% at 1.25 Ag-1.