Titanyum esaslı nanokompozitlerle yüksek performanslı enerji depolama uygulamaları

Abstract

Bu tez çalışmasında; anataz fazındaki titanyum dioksit (TiO2), biyokütle kaynaklı aktifkarbon ve iletken polimerden oluşan nanokompozit malzeme sentezlenmiş ve eldeedilen malzeme süperkapasitör elektrot malzemesi olarak kullanılmıştır. Basit ve çevredostu bir metot olan hidrotermal karbonizasyon yöntemiyle tek adımda titanyumdioksit parçacıkları biyokütle kaynaklı aktif karbonla kaplanmış, daha sonra kompozitmalzeme piroliz işlemine tabi tutulmuştur. Piroliz işlemi ile yapıdaki hidroksil gruplarıbozularak oksijen içeriği düşürülmüş ve karbon içeriğinin artması sağlanmıştır.Yapıdaki karbon içeriğinin artması sonucunda titanyum dioksitin mekanik özellikleriiyileştirilmeye çalışılmıştır. Sentezlenen nanokompozit malzemenin elektrikseliletkenliğini artırmak için PEDOT:PSS katkısı yapılmış, böylece TiO2'nin sahipolduğu geniş bant aralığının olumsuz etkisi azaltılmaya çalışılmıştır. Sentezlenenmalzemelerin elementel analizleri ile bileşenleri tespit edilmiştir. XRD analizi ısılişlemler ve polimer kaplama sonrasında TiO2'nin anataz fazında herhangi bir değişimolmadığını göstermiştir. SEM ve TEM görüntüleri ile malzemenin topografik vemorfolojik analizleri yapılmış, küresel şekle sahip, ince bir karbon ve polimer tabakasıile kaplanmış kristal nanoparçacıklar gözlenmiştir. TGA analizi ile uygulanan termalişleme karşılık malzemelerin kütlesel kararlılıkları incelenmiş, FTIR analizleri ileatomik bağ yapıları araştırılmıştır. Sentezlenen malzemelerin spesifik yüzey alanlarıve gözenek boyutu dağılımları sırası ile BET ve DFT metotları kullanılarakbelirlenmiştir. TiO2/C/PEDOT:PSS nanokompozitin mezogözenekli yapıya ve102,3 m2g-1spesifik yüzey alanına sahip olduğu görülmüştür. Fizikselkarakterizasyonların ardından malzemelerin elektrokimyasal performansları üçlüelektrot konfigürasyonu kullanılarak 0-1 V (vs. Ag/AgCl) potansiyel aralığında 1MH2SO4 sulu çözeltisi içerisinde gerçekleştirilmiştir. TiO2/C/PEDOT:PSS üçlükompozit malzeme bileşenlerinin oluşturduğu sinerjik etki ile 0,25 Ag-1akım yoğunluğunda 189,4 Fg-1 yüksek spesifik kapasitans göstermiştir. Bu değer, literatürdeTiO2 ve PEDOT:PSS' in süperkapasitör elektrot malzemesi olarak birlikte kullanıldığıçalışmalardan elde edilen sonuçların üzerindedir. Ayrıca üçlü kompozit malzeme 1500şarj-deşarj çevrimi sonrası sahip olduğu kapasitansın %98'ini korumuş ve yüksekelektrokimyasal kararlılık elde edilmiştir. Sonuç olarak, bileşenlerinin öne çıkanözelliklerini bir araya getirerek hazırlanan üçlü kompozit malzeme enerji depolamaçalışmaları açısından ümit vaad eden sonuçlar göstermiştir.

In this work, the nanocomposite material consisting of biomass-derived activatedcarbon, titanium dioxide (anatase phase) and conductive polymer was prepared andtested as a supercapacitor electrode material. TiO2 nanoparticles were coated bybiomass-derived activated carbon via a simple, environmentally friendly and one-stephydrothermal carbonization method. Successive pyrolysis process increased thecarbon content of the material by degradation of hydroxyl groups. As a result ofincreasing carbon content in the structure, the mechanical properties of titaniumdioxide have been improved. PEDOT:PSS coating was applied to reduce the wideband gap of anatase TiO2 and thus improve the electrical conductivity of thesynthesized composite material. Chemical compositions of the synthesized materialswere determined by elemental analysis. XRD patterns showed that the anatase phaseof TiO2 was maintained after the heat treatments and the polymer coating. Thecrystalline spherical nanoparticles with a thin carbon layer were observed from SEMand TEM images. The thermal stabilities of the materials were investigated by TGAanalysis. FTIR analyses were used to investigate chemical bonding. The pore sizedistributions and the specific surface area of the synthesized materials were calculatedby the DFT and BET method, respectively. The TiO2/C/PEDOT:PSS ternarycomposite showed a mesoporous structure with a surface area of 102,3 m2g-1. Theelectrochemical properties of the TiO2/C/PEDOT:PSS composite was investigated byusing a three-electrode cell configuration at the potential range of 0 to 1 V (vs.Ag/AgCl) in 1M H2SO4 aqueous electrolyte. The TiO2/C/PEDOT:PSS ternarycomposite electrode showed a high specific capacitance of 189.4 Fg-1 at a currentdensity of 0.25 Ag-1 due to the synergistic effect of its components. The capacitance ishigher than the previously reported values for TiO2 and PEDOT:PSS-basednanocomposites. In addition, TiO2/C/PEDOT: PSS ternary composite material showed98% capacitance retention and high electrochemical stability after 1500 cycles. As aresult, the composite material showed promising results for energy storageapplications.