Organik elektrot malzemelerinin sulu kapasitif deiyonizasyon uygulamaları için geliştirilmesi
Development of organic electrode materials for aqueous capacitive deionization applications
- Tez No: 964003
- Danışmanlar: PROF. DR. REZAN DEMİR ÇAKAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Gebze Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 94
Özet
Günümüzde temiz ve içilebilir suya duyulan ihtiyaç, iklim değişikliği, hızlı nüfus artışı ve endüstriyel faaliyetler gibi nedenlerle ciddi biçimde artmakta, bu da daha ekonomik ve sürdürülebilir su arıtma yöntemlerinin geliştirilmesini gerekli kılmaktadır. Enerji tüketimini azaltmak ve sistem performansını artırmak amacıyla geliştirilen elektrokimyasal iyon giderim teknolojileri, geleneksel yöntemlere göre daha çevreci ve düşük maliyetli çözümler sunmaktadır. Elektrosorpsiyon, elektroredoks ve elektrokataliz gibi süreçlere dayanan kapasitif deiyonizasyon (CDI) prosesi, düşük voltaj ve basınç altında çalışarak iyonları elektrot yüzeyinde geri dönüşümlü olarak tutup salma prensibine dayanmaktadır. Bu yöntem, hem düşük enerji tüketimi hem de modüler sistem tasarımı sayesinde, özellikle deniz suyu gibi tuzlu suların arıtımında giderek daha fazla önem kazanmaktadır. Bu çalışmanın temel amacı, organik temelli elektrot malzemelerinin CDI teknolojisinde kullanılabilirliğini araştırmak ve redoks-aktif yapıları sayesinde iyon giderim performansını incelemektir. Bu kapsamda hazırlanan ve bileşimi, %50ağ. 9,10-antrakinon (AQ), %30ağ. Ketjen Siyahı (KB) ve %20ağ. politetrafloroetilen (PTFE) kompozisyonunda optimize edilen organik elektrotun çeşitli sulu elektrolit çözeltileri (ZnSO₄, Na₂SO₄, ZnCl₂, MnSO₄, Li₂SO₄) içerisinde elektrokimyasal ve pH- iletkenlik ölçümü gibi analitik teknikler kullanılarak iyonsuzlaştırma performansları test edilmiştir. Elektrotlar, morfolojik olarak SEM, kristal yapısı açısından XRD analizleri ile karakterize edilmiş; elektrokimyasal performansları ise döngüsel voltammetri (CV) ve galvanostatik şarj-deşarj (GCD) testleriyle değerlendirilmiştir. Tüm testler, suyun elektroliz voltaj aralığı (1,23 V) göz önüne alınarak gerçekleştirilmiş ve böylece hidrojen–oksijen gaz oluşumu engellenerek Kolombik verim ve çevrim kararlılığının iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Çalışma kapsamında, doğal ve sentetik deniz suyu ile yürütülen karşılaştırmalı testler sayesinde, bu sistemlerin gerçek çevresel koşullarda da etkili şekilde çalışabileceği ortaya konmuştur. ICP analizleri, doğal deniz suyunun sentetik çözeltilere kıyasla yaklaşık 2,5 kat daha fazla iyon içerdiğini göstermiştir. Ayrıca, şarj–deşarj çevrimleri sırasında gözlemlenen pH ve iletkenlik değişimleri (deşarj sırasında pH artışı ve iletkenlik azalması; şarj evresinde ise tersi) redoks mekanizmasının tersinirliği ile uyumlu bir davranış sergilemiştir. Sonuçlar, AQ temelli elektrotların kapasitif deiyonizasyon teknolojisinde yüksek potansiyel sunduğunu göstermektedir. Organik bileşenlerin elektrokimyasal stabilitesi ve çevre dostu yapısı sayesinde, düşük enerji gereksinimli ve sürdürülebilir su arıtımı uygulamalarında bu malzemelerin kullanımı desteklenmektedir. Bu bağlamda CDI ve desalinasyon bataryaları, gelecekte enerji-su etkileşiminde önemli bir yer edinebilir.
Özet (Çeviri)
Today, the demand for clean and potable water is increasing significantly due to factors such as climate change, rapid population growth, and industrial activities. This growing need necessitates the development of more economical and sustainable water purification technologies. Electrochemical ion removal technologies, developed to reduce energy consumption and enhance system performance, offer more environmentally friendly and cost-effective solutions compared to traditional methods. Capacitive deionization (CDI), based on processes such as electrosorption, electro- redox, and electrocatalysis, operates at low voltage and pressure, relying on the reversible adsorption and release of ions on the surface of electrodes. Thanks to its low energy consumption and modular system design, CDI is gaining increasing importance, particularly in the treatment of saline water such as seawater. The main objective of this study is to investigate the applicability of organic-based electrode materials in CDI technology and to examine their ion removal performance based on their redox-active structures. For this purpose, organic electrodes composed of 50 wt% 9,10-anthraquinone (AQ), 30 wt% Ketjen Black (KB), and 20 wt% polytetrafluoroethylene (PTFE) were optimized and tested in various aqueous electrolyte solutions (ZnSO₄, Na₂SO₄, ZnCl₂, MnSO₄, Li₂SO₄) using electrochemical and analytical techniques such as pH and conductivity measurements. The electrodes were characterized morphologically via scanning electron microscopy (SEM) and structurally via X-ray diffraction (XRD) analysis, while their electrochemical performance was evaluated through cyclic voltammetry (CV) and galvanostatic charge–discharge (GCD) tests. All experiments were conducted within the electrolysis voltage range of water (1.23 V) to prevent hydrogen–oxygen gas evolution and thus improve coulombic efficiency and cycling stability. Through the comparative tests conducted with natural and synthetic seawater, it was demonstrated that the system can operate effectively under realistic environmental conditions. ICP analyses revealed that natural seawater contains approximately 2.5 times more ions than synthetic solutions. Additionally, the observed changes in pH and conductivity during charge–discharge cycles (an increase in pH and a decrease in conductivity during discharge, and the opposite trend during charging) were consistent with the reversibility of the redox mechanism. The results indicate that AQ-based electrodes offer significant potential for capacitive deionization applications. Owing to the electrochemical stability and environmentally friendly nature of organic compounds, these materials support low-energy, sustainable water purification systems. In this context, CDI and desalination batteries may play a key role in the future of water–energy nexus technologies.
Benzer Tezler
- Environmentally friendly components for energy storage devices
Enerji depolama cihazlarında çevre dostu bileşenlerin kullanımı
ELENA STOJANOVSKA
Doktora
İngilizce
2019
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ KILIÇ
- Chemical deintercalation and stability investigation of nanosized C/Li2MnSiO4 cathode material with different electrolytes
C/Li2MnSiO4 katot malzemesinin kimyasal deinterkalasyonu ve farklı elektrolitler ile kararlılığının incelenmesi
EKİN EŞEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİGEN KADIRGAN
- Novel organic redox materials and their applications in rechargeable batteries
Yeni organik redoks malzemeleri ve şarj edilebilir pillerde uygulamaları
SÜMEYYE BAHÇECİ SERTKOL
- Investigation of capacitive behaviour of emulsion polymerized pedot and its nanocomposites
Emülsiyon polimerizasyonu ile sentezlenen pedot ve nanokompozitlerinin kapasitif özelliklerinin incelenmesi
DENİZ GÜLERCAN
Doktora
İngilizce
2019
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ
- Çinko-iyon sulu bataryalar için katot malzemelerin geliştirilmesi
Development of cathode materials for zinc-ion aqueous batteries
SELİN SARIYER
Doktora
Türkçe
2025
Kimya MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. REZAN DEMİR ÇAKAN