Titanyum esaslı nanokompozitlerle yüksek performanslı enerji depolama uygulamaları
Yükleniyor...
Dosyalar
Tarih
2019
Yazarlar
Dergi Başlığı
Dergi ISSN
Cilt Başlığı
Yayıncı
Bursa Teknik Üniversitesi
Erişim Hakkı
info:eu-repo/semantics/openAccess
Özet
Bu tez çalışmasında; anataz fazındaki titanyum dioksit (TiO2), biyokütle kaynaklı aktif karbon ve iletken polimerden oluşan nanokompozit malzeme sentezlenmiş ve elde edilen malzeme süperkapasitör elektrot malzemesi olarak kullanılmıştır. Basit ve çevre dostu bir metot olan hidrotermal karbonizasyon yöntemiyle tek adımda titanyum dioksit parçacıkları biyokütle kaynaklı aktif karbonla kaplanmış, daha sonra kompozit malzeme piroliz işlemine tabi tutulmuştur. Piroliz işlemi ile yapıdaki hidroksil grupları bozularak oksijen içeriği düşürülmüş ve karbon içeriğinin artması sağlanmıştır. Yapıdaki karbon içeriğinin artması sonucunda titanyum dioksitin mekanik özellikleri iyileştirilmeye çalışılmıştır. Sentezlenen nanokompozit malzemenin elektriksel iletkenliğini artırmak için PEDOT:PSS katkısı yapılmış, böylece TiO2'nin sahip olduğu geniş bant aralığının olumsuz etkisi azaltılmaya çalışılmıştır. Sentezlenen malzemelerin elementel analizleri ile bileşenleri tespit edilmiştir. XRD analizi ısıl işlemler ve polimer kaplama sonrasında TiO2'nin anataz fazında herhangi bir değişim olmadığını göstermiştir. SEM ve TEM görüntüleri ile malzemenin topografik ve morfolojik analizleri yapılmış, küresel şekle sahip, ince bir karbon ve polimer tabakası ile kaplanmış kristal nanoparçacıklar gözlenmiştir. TGA analizi ile uygulanan termal işleme karşılık malzemelerin kütlesel kararlılıkları incelenmiş, FTIR analizleri ile atomik bağ yapıları araştırılmıştır. Sentezlenen malzemelerin spesifik yüzey alanları ve gözenek boyutu dağılımları sırası ile BET ve DFT metotları kullanılarak belirlenmiştir. TiO2/C/PEDOT:PSS nanokompozitin mezogözenekli yapıya ve 102,3 m2g-1spesifik yüzey alanına sahip olduğu görülmüştür. Fiziksel karakterizasyonların ardından malzemelerin elektrokimyasal performansları üçlü elektrot konfigürasyonu kullanılarak 0-1 V (vs. Ag/AgCl) potansiyel aralığında 1M H2SO4 sulu çözeltisi içerisinde gerçekleştirilmiştir. TiO2/C/PEDOT:PSS üçlü kompozit malzeme bileşenlerinin oluşturduğu sinerjik etki ile 0,25 Ag-1 akım yoğunluğunda 189,4 Fg-1 yüksek spesifik kapasitans göstermiştir. Bu değer, literatürde TiO2 ve PEDOT:PSS' in süperkapasitör elektrot malzemesi olarak birlikte kullanıldığı çalışmalardan elde edilen sonuçların üzerindedir. Ayrıca üçlü kompozit malzeme 1500 şarj-deşarj çevrimi sonrası sahip olduğu kapasitansın %98'ini korumuş ve yüksek elektrokimyasal kararlılık elde edilmiştir. Sonuç olarak, bileşenlerinin öne çıkan özelliklerini bir araya getirerek hazırlanan üçlü kompozit malzeme enerji depolama çalışmaları açısından ümit vaad eden sonuçlar göstermiştir.
In this work, the nanocomposite material consisting of biomass-derived activated carbon, titanium dioxide (anatase phase) and conductive polymer was prepared and tested as a supercapacitor electrode material. TiO2 nanoparticles were coated by biomass-derived activated carbon via a simple, environmentally friendly and one-step hydrothermal carbonization method. Successive pyrolysis process increased the carbon content of the material by degradation of hydroxyl groups. As a result of increasing carbon content in the structure, the mechanical properties of titanium dioxide have been improved. PEDOT:PSS coating was applied to reduce the wide band gap of anatase TiO2 and thus improve the electrical conductivity of the synthesized composite material. Chemical compositions of the synthesized materials were determined by elemental analysis. XRD patterns showed that the anatase phase of TiO2 was maintained after the heat treatments and the polymer coating. The crystalline spherical nanoparticles with a thin carbon layer were observed from SEM and TEM images. The thermal stabilities of the materials were investigated by TGA analysis. FTIR analyses were used to investigate chemical bonding. The pore size distributions and the specific surface area of the synthesized materials were calculated by the DFT and BET method, respectively. The TiO2/C/PEDOT:PSS ternary composite showed a mesoporous structure with a surface area of 102,3 m2g-1. The electrochemical properties of the TiO2/C/PEDOT:PSS composite was investigated by using 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 ternary composite electrode showed a high specific capacitance of 189.4 Fg-1 at a current density of 0.25 Ag-1 due to the synergistic effect of its components. The capacitance is higher than the previously reported values for TiO2 and PEDOT:PSS-based nanocomposites. In addition, TiO2/C/PEDOT: PSS ternary composite material showed 98% capacitance retention and high electrochemical stability after 1500 cycles. As a result, the composite material showed promising results for energy storage applications.
In this work, the nanocomposite material consisting of biomass-derived activated carbon, titanium dioxide (anatase phase) and conductive polymer was prepared and tested as a supercapacitor electrode material. TiO2 nanoparticles were coated by biomass-derived activated carbon via a simple, environmentally friendly and one-step hydrothermal carbonization method. Successive pyrolysis process increased the carbon content of the material by degradation of hydroxyl groups. As a result of increasing carbon content in the structure, the mechanical properties of titanium dioxide have been improved. PEDOT:PSS coating was applied to reduce the wide band gap of anatase TiO2 and thus improve the electrical conductivity of the synthesized composite material. Chemical compositions of the synthesized materials were determined by elemental analysis. XRD patterns showed that the anatase phase of TiO2 was maintained after the heat treatments and the polymer coating. The crystalline spherical nanoparticles with a thin carbon layer were observed from SEM and TEM images. The thermal stabilities of the materials were investigated by TGA analysis. FTIR analyses were used to investigate chemical bonding. The pore size distributions and the specific surface area of the synthesized materials were calculated by the DFT and BET method, respectively. The TiO2/C/PEDOT:PSS ternary composite showed a mesoporous structure with a surface area of 102,3 m2g-1. The electrochemical properties of the TiO2/C/PEDOT:PSS composite was investigated by using 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 ternary composite electrode showed a high specific capacitance of 189.4 Fg-1 at a current density of 0.25 Ag-1 due to the synergistic effect of its components. The capacitance is higher than the previously reported values for TiO2 and PEDOT:PSS-based nanocomposites. In addition, TiO2/C/PEDOT: PSS ternary composite material showed 98% capacitance retention and high electrochemical stability after 1500 cycles. As a result, the composite material showed promising results for energy storage applications.
Açıklama
Anahtar Kelimeler
Enerji, Energy
