Yüksek performanslı karbon/metal-oksit nanokompozit süperkapasitörlerin üretim ve karakterizasyonu

Abstract

Enerji ihtiyacımızın büyük bölümünü karşılayan fosil yakıt rezervleri hızla tükenmektedir. Bu durum alternatif enerji kaynakları kullanımına yönelik bilimsel çalışmaları hızlandırmıştır. Alternatif enerji kaynaklarının etkili şekilde kullanılabilmesi için sürdürülebilir ve çevre dostu enerji depolama/dönüşüm sistemlerine gereksinim duyulmaktadır. Süperkapasitörler, yüksek güç ve enerji yoğunlukları ve uzun ömürleri ile alternatif enerji kaynaklarından değişken zamanlarda elde edilen yüksek yoğunluklu enerjinin çok hızlı bir şekilde depolanması için en iyi çözümü sunmaktadır.Süperkapasitörler enerji depolama mekanizmalarına göre ikiye ayrılır: elektriksel çift tabaka (EDL)- ve pseudo-kapasitörler. EDL-kapasitörlerde yüklerin elektrostatik olarak ayrışması söz konusudur ve geniş yüzey alanlı (1000-2000 m2 g-1) aktif karbonlar kullanılır. Pseudo-kapasitörlerde ise faradaik redoks tepkimeleri görülür ve redoks-aktif geçiş metal oksitleri kullanılmaktadır. Rutenyum oksit (RuO2) elektrot malzemesi olarak sıklıkla incelenmiş ancak yüksek maliyetli, toksik ve az bulunur olması nedeniyle alternatif pseudo-kapasitif malzemelerin geliştirilmesine ihtiyaç duyulmuştur.Nanokompozit elektrotlardan oluşan hibrit süperkapasitörler, aktif karbonun yüksek güç yoğunluğundan (hızlı şarj-deşarj) ve metal oksitlerin yüksek enerji yoğunluğundan aynı anda faydalanırlar. Bu çalışmada, karbon kaynağı olarak fındıkkabukları (biyokütle) kullanılmıştır. Kimyasal birlikte çöktürme metodu ile sentezlenen Fe3O4 nanopartikülleri tek adımda hidrotermal karbonizasyon ve seramik (MgO) şablonlama ile biyokütleye entegre edilerek gözenekli Fe3O4/C nanokompozit elektrotlar üretilmiştir. Fiziksel karakterizasyonların ardından elektrokimyasal performanslar üç-elektrotlu hücrede 1M Na2SO4 sulu çözeltisi içinde ve bu çözeltiye farklı konsantrasyonlarda Triton X-100 surfaktant katkılanarak incelenmiştir. En iyi spesifik kapasitans 0.0025M surfaktant katkılandığında elde edilmiştir (1 A g-1' da 161 F g-1, ∆V=1.2 V). Daha sonra simetrik süperkapasitör üretilmiş ve maksimum enerji yoğunluğu 4 Wh kg-1 olarak hesaplanmıştır (∆V=1.8 V).

Depletion of fossil fuel resources due to rapid increase in energy demand has become a worldwide concern, and requires development of sustainable and eco-friendly energy storage and conversion systems for efficient utilization of alternative energy sources. Supercapacitors with high power and energy densities and long cycle lives offer best solutions for deposition of huge and fluctuating amounts of energy generated by alternative energy sources.Supercapacitors can store energy either by non-faradaic charge separation (electrical double layer capacitors, EDLCs) or by faradaic surface redox reactions (pseudocapacitors). Conventionally porous, high specific surface area (1000-2000 m2 g-1) activated carbons are used in EDLCs, and redox active transition metal oxides are used in pseudocapacitors. Ruthenium oxide (RuO2) is widely studied as electrode material; however, its toxicity, high cost, and scarcity necessitate seeking alternative pseudo-capacitive materials.Hybrid supercapacitors, comprising carbon/metal-oxide nanocomposites as electrode materials, benefit from high power density (charge-discharge rate) of porous carbon and high energy density of metal oxide, simultaneously. In this work, hazelnut shells (biomass) were used as a carbon source. Fe3O4 nanoparticles were produced by chemical co-precipitation method. In order to obtain porous Fe3O4/C nanocomposite, Fe3O4 nanoparticles were incorporated into biomass by realizing hydrothermal carbonization and MgO templating simultaneously in one pot. After physical characterizations, electrochemical performances of the Fe3O4/C electrode were investigated with a three-electrode cell in 1M Na2SO4 aqueous solution with and without adding different concentrations of Triton X-100 surfactant by cyclic voltammetry (CV) and galvanostatic charge-discharge (GCD) tests. The best specific capacitance was obtained with 0.0025M surfactant added 1M Na2SO4 solution (161 F g-1 at 1 A g-1, ∆V=1.2 V). A symmetric supercapacitor was also produced reaching maximum energy density of 4 Wh kg-1 (∆V=1.8 V).