Grafen ve iletken polimerler (PEDOT:PSS, PANI) ile modifiye edilmiş karbon nanolif süperkapasitör elektrotların geliştirilmesi ve özelliklerinin incelenmesi

Yenilenebilir enerjinin etkili kullanılabilmesi için enerji depolama teknolojileri ile birlikte kullanımı önem arz etmektedir. Süperkapasitörler, güç ve enerji yoğunluğu açısından Li-iyon pil teknolojisi ve konvansiyonel kapasitörler arasındaki boşluğu dolduran enerji depolama teknolojileridir. Bu tez kapsamında, karbon nanolif elektrot malzemesi, çeşitli malzemeler (grafen, PEDOT:PSS ve PANI) ve yöntemler (elektroüretim, elektrosprey, daldırarak kaplama ve nanolif iplik üretimi) ile modifiye edilerek elektrokimyasal performansın arttırılması amaçlanmıştır. Bu amaçla öncellikle, PAN nanolif üretim prosesi optimize edilerek düzgün, homojen, sürekli, hızlı ve ince nanolif üretim için parametreler tespit edilmiş ve bu şartlar altında, ortalama 233±32 nm çapta nanolifler üretilmiştir. Stabilizasyon ve karbonizasyon işleminden sonra nanolif çapları sırasıyla 209±16 nm ve 140±17 nm olarak ölçülmüştür. Sonraki çalışmada, farklı oranlarda PAN/PVA hibrit nanolif yapıları üretilmiş ve üretim sırasında yapıdan PVA uzaklaştırılarak gözenekli karbon nanolif elektrotlar elde edilmiştir. Yüzey alanı arttırılan gözenekli karbon nanolif elektrotların kimyasal, morfolojik ve elektrokimyasal performansı incelenmiştir. %33 PVA içeren hibrit nanoliften üretilen EK5 elektrodunun 5 mV/s tarama hızındaki spesifik kapasitans değerinin ham karbon nanolife kıyasla %64 geliştirildiği tespit edilmiş ve spesifik kapasitans değeri 268 F/g olarak ölçülmüştür. Ayrıca gözenekli karbon nanolif elektrotlar, 2500 test döngüsü boyunca spesifik kapasitansın yaklaşık %100'ü korunmuş ve üstün döngüsel stabilite sergilemiştir. Bir sonraki çalışmada, suda çözünebilen bir iletken polimer olan PEDOT:PSS polimeri kolay, hızlı ve ölçeklendirilebilir bir yöntem olan daldırarak kaplama yöntemi kullanılarak farklı kalınlıklarda karbon nanolif yüzeyine kaplanmış ve PEDOT:PSS kaplama işleminin karbon nanolifin elektrokimyasal performansına etkisi incelenmiştir. 155,44 nm olan ham karbon nanolif çapı, 9 kat PEDOT:PSS kaplanması sonrasında, 194,45 nm olarak ölçülmüştür. 9 kat PEDOT:PSS kaplama sonrasında (9P-KNF) ile 10 mV/s tarama hızında, en yüksek spesifik kapasitans 175 F/g olarak elde edilmiştir. Bu değer ham karbon nanolifin spesifik kapasitans değerinden yaklaşık %75,9 fazla olmuştur. 2500 döngü sonrasında ise %80'lik bir kapasitans korunumu göstermiştir. Diğer çalışmada, elektroüretim öncesinde PAN çözeltisi içerisine %1, 2, 5, 10 ve 20 gibi farklı oranlarda grafen oksit ilave edilerek, grafen oksit katkılı PAN nanolifler üretilmiş ve elde edilen yapılar stabilize ve karbonize edilmiştir, böylece farklı xx oranlarda grafen katkılı karbon nanolif yapılar elde edilmiştir. Sonrasında en iyi elektrokimyasal performans gösteren %10 GO katkılı karbon nanolif (KPGO10 elektrodunun spesifik kapasitans değeri 5 mV/s tarama hızında 164 F/g olarak hesaplanmıştır) yüzeyine hiyerarşik yapıda sentezlenen polianilin (PANI) iletken polimeri vakum destekli süzme yöntemi ile yapıya entegre edilmiş ve PANI ile modifiye edilmiş grafen katkılı karbon nanolif elektrot performansı incelenmiş ve spesifik kapasitans değerinin yaklaşık %20 geliştirildiği görülmüştür. Sonraki çalışmada, grafen oksit dispersiyonu %4, 8, 20 gibi farklı oranlarda PAN nanolif yüzeyine elektrosprey yöntemi ile kaplanmıştır. GO kaplı PAN nanolif yüzey, stabilize ve karbonize edilerek grafen kaplı karbon nanolif yüzeyler elde edilmiştir. Elde edilen süperkapasitör elektrotların elektrokimyasal performansları incelenmiş ve en iyi sonuçların %8 GO elektrosprey edilmiş karbon nanolif elektrotlar ile elde edildiği görülmüştür. Son çalışmada ise, elektroüretim ile elde edilmiş PAN nanolif yapısından, şeritler ve sonrasında büküm işlemi uygulanarak PAN nanolif iplikler elde edilmiştir. Elde edilen PAN nanolif iplikler, stabilize ve karbonize edilerek karbon nanolif iplikler elde edilmiş sonrasında morfolojik ve elektrokimyasal performansları incelenmiştir. KNF iplik elektrodun spesifik kapasitans değeri 0,2 A/g akım yoğunluğunda 145 F/g olarak ölçülmüştür ve spesifik kapasitans değerinin 500 döngüye kadar yaklaşık %20 arttığı, sonrasında 1000 döngüye kadar yaklaşık sabit kaldığı tespit edilmiştir.