Süperkapasitörler için bor katkılı grafen/demir (II,III) oksit (Fe3O4) nanokompozitlerin geliştirilmesi ve elektrokimyasal analizi
Development and electrochemical analysis of boron doped graphene/iron (II,III) oxide (Fe3O4) nanocomposites for supercapacitors
- Tez No: 966191
- Danışmanlar: PROF. DR. NURSEL DİLSİZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Gazi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
Bu tez kapsamında, süperkapasitör teknolojilerinde kullanılmak üzere, yüksek spesifik kapasitans, artırılmış enerji ve güç yoğunluğu ile üstün çevrim dayanıklılığı sergileyen grafen ve metal oksit temelli nanokompozit elektrot malzemelerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Yapılan çalışmada bor katkılı grafen ve demir (II, III) oksit kullanılarak hidrotermal sentez yöntemiyle BG/Fe3O4 elektrot malzemesi geliştirilmiştir. Grafenin yüksek iletkenliği ve bor katkısının sağladığı redoks aktif yüzey alanı ile Fe3O4'ün yüksek enerji yoğunluğu birleştirilerek, hibrit kapasitörler için yüksek performanslı bir elektrot elde edilmiştir. Hazırlanan elektrotlar, X-ışınları kırınımı (XRD), X-ışınları fotoelektron spektroskopisi (XPS) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) karakterizasyon yöntemleriyle analiz edilmiştir. Bor katkılı grafen ile demir (II, III) oksit içeren nanokompozit elektrotun elektrokimyasal performansını değerlendirmek amacıyla, 1 M Na₂SO₄ elektrolit varlığında Döngüsel Voltametri (CV), Galvanik Şarj-Deşarj (GCD) ve Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS) analizleri gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçları incelendiğinde elde edilen hibrit süperkapasitörün enerjiyi hem fiziksel hem de kimyasal olarak depoladığı sonucuna varılmıştır. Spesifik kapasitans değeri, 5 mV/s ve 200 mV/s potansiyel tarama hızında bor katkılı grafen için sırasıyla 9,08 F/g ve 4,18 F/g hesaplanmış iken, BG/Fe3O4 elektrot için 104,40 F/g ve 62,53 F/g olarak hesaplanmıştır. Burada kompozit elektrot ile kapasitans değerinin 11-15 kat arttığı görülmektedir. 2 A/g akım yoğunluğunda bor katkılı grafen elektrot için deşarj süresi 0,94 saniye iken BG/Fe3O4 elektrot için 28,01 saniyedir. Yine aynı akım yoğunluğunda güç yoğunluğu hem bor katkılı grafen hem de BG/Fe3O4 elektrot için 1000 W/kg iken, Fe3O4 katkısı ile enerji yoğunluğunun 0,261 W Saat/kg değerinden 7,780 W Saat/kg değerine çıkarak yaklaşık 30 kat arttığı görülmektedir. Nyquist grafiği incelendiğinde Fe3O4 katkısı yük transfer direncini önemli ölçüde azaltmıştır. Döngü kararlılığı açısından BG/Fe3O4 elektrot, 500 çevrim sonunda %90 kapasite korunumu sağlayarak bor katkılı grafene göre belirgin bir performans üstünlüğü sergilemiştir. Sonuç olarak, BG/Fe3O4 elektrotun daha iyi elektrokimyasal performans gösterdiği ve Fe3O4 katkısının bor katkılı grafenin özelliklerinin önemli ölçüde arttırdığı görülmektedir.
Özet (Çeviri)
This thesis aims to develop graphene and metal oxide-based nanocomposite electrode materials for use in supercapacitor technologies, exhibiting high specific capacitance, enhanced energy and power density, and superior cycling stability. In the present study, a BG/Fe₃O₄ electrode material was synthesized using boron doped graphene and iron (II, III) oxide via the hydrothermal synthesis method. By combining the high conductivity of graphene and the redox-active surface area provided by boron doping with the high energy density of Fe₃O₄, a high-performance electrode for hybrid capacitors was achieved. The prepared electrodes were characterized using techniques such as X-ray Diffraction (XRD), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), and Scanning Electron Microscopy (SEM). To evaluate the electrochemical performance of the nanocomposite electrode containing boron-doped graphene and iron (II, III) oxide, Cyclic Voltammetry (CV), Galvanostatic Charge-Discharge (GCD), and Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) analyses were conducted in the presence of a 1 M Na₂SO₄ electrolyte. The analysis results indicate that the hybrid supercapacitor stores energy both through physical and chemical mechanisms. The specific capacitance values for boron-doped graphene were calculated to be 9.08 F/g and 4.18 F/g at potential scan rates of 5 mV/s and 200 mV/s, respectively. In contrast, the BG/Fe₃O₄ electrode demonstrated values of 104.40 F/g and 62.53 F/g. This indicates an increase in capacitance by a factor of 11 to 15 with the composite electrode. At a current density of 2 A/g, the discharge time for the boron-doped graphene electrode was 0.94 seconds, whereas for the BG/Fe₃O₄ electrode, it was 28.01 seconds. At the same current density, the power density was 1000 W/kg for both electrodes, but the energy density increased from 0.261 Wh/kg to 7.780 Wh/kg with the incorporation of Fe₃O₄, representing an approximately 30-fold increase. The Nyquist plot revealed that the addition of Fe₃O₄ significantly reduced the charge transfer resistance. In terms of cycling stability, the BG/Fe₃O₄ electrode maintained 90% of its capacity after 500 cycles, demonstrating a clear performance advantage over boron doped graphene. In conclusion, the BG/Fe₃O₄ electrode exhibited superior electrochemical performance, and the inclusion of Fe₃O₄ significantly enhanced the properties of boron doped graphene.
Benzer Tezler
- Grafitik karbon nitrür ve bor nitrür içeren kompozit yapıların hazırlanması; çevre ve enerji uygulamaları
Preparation of composite structures containing graphitic carbon nitride and hexagonal boron nitride; environmental and energy applications
BUSE SERT
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
EnerjiTarsus ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KASIM OCAKOĞLU
- Bor katkılı fındıkkabuğu biyokömürlerinin üretimi ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of boron- doped nutshell biochar
BURÇAK AYDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Kimya MühendisliğiSivas Cumhuriyet ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYTEN ATEŞ
- Bor katkılı ve biyokütle temelli karbon süperkapasitör enerji depolama malzemelerinin geliştirilmesi
Development of boron doped and biomass based carbon supercapacitor materials
AYŞENUR KARAMUSTAFA
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
EnerjiRecep Tayyip Erdoğan ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKÇEN AKGÜL
- Development of nanocomposite electrodes and separators for supercapacitors
Süperkapasitörler için nanokompozit elektrotlar ve ayıraçların geliştirilmesi
ALPTEKİN AYDINLI
Doktora
İngilizce
2022
EnerjiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSNÜ EMRAH ÜNALAN
- Synergistic effects of B4C and ZnO nanomaterials as electrodes for supercapacitors
B4C ve ZnO nanomalzemelerinin sinerjik etkileri ve süperkapasitör elektrotları olarak kullanımı
MERVE AKTÜRK
Doktora
İngilizce
2022
EnerjiSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMRE ERDEM