Süperkapasitör enerji depolama uygulamaları için nano-boyutlu metal oksit içeren polipirol esaslı kompozit malzemelerin elektrokimyasal sentezi

Fosil yakıtların tükenmesi ve çevresel sorunlar, yüksek performanslı, temiz ve sürdürülebilir enerji sistemlerinin geliştirilmesini ve enerji depolanmasını önemli hale getirmiştir. Enerji depolama sistemleri arasında en önemli adaylardan biri olan süper kapasitörler yüksek güç yoğunluğuna, verime ve döngü ömrüne sahiptirler. Bu tez çalışması metal (M) interkale grafit yüzeylerine VOx, PbOx, Ag-Ag2O, MnOx, CoOx, NiOx ve FeOx içeren polipirol (PPy) kompozitlerinin galvanostatik sentezini araştırmayı amaçlamaktadır. PPy ve metal oksitler, pirol, MBF4 tuzları, tetrabütilamonyum tetrafloroborat (TBABF4), HBF4, H2O ve sodyumkarboksimetil selüloz (CMC) içeren asetonitril çözeltilerinde eş zamanlı sentezlenmesiyle kompozit kaplı elektrotlar hazırlandı. Katkıların ve grafit interkalasyonunun PPy/MOx/CMC kompozitin (4.0 mg/cm2, 0.0244 cm2) kapasitif davranışı üzerine etkisi sulu H2SO4 çözeltisi (100 mM) içinde, dönüşümlü voltametri ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) yöntemleri kullanılarak araştırıldı. Kompozit kaplamaları karakterize etmek için XRD, TEM, XPS, SEM-EDX, BET ve RAMAN teknikleri kulanıldı. PPy içinde homojen olarak dağılmış metal oksitlerin nano-boyutta (3-100 nm) olduğu ve homopolimerinkine göre kaplama yüzey alanının arttığı belirlendi. Kompozit kaplamaların kapasitif özellikleri galvanostatik şarj-deşarj testleri ile incelendi. En yüksek kapasitans değerini PPy/PbOx/CMC kaplama, en düşük değeri de PPy/FeOx/CMC kaplama sağladı. Uygulamaya dönük çalışmalar için kompozitin (10.0 mg cm-2, 0.2 cm2) kapasitif davranışları iki elektrotlu split test hücresinin simetrik ve asimetrik konfigürasyonları kullanılarak polivinilalkol-H2SO4 jel elektrolitinde incelendi. PbOx, VOx ve MnOx içeren PPy kompozitleri daha büyük alanlı elektrotlar (1.0 cm2 ve 6.25 cm2) ile kurulan test hücrelerinde de denendi ve Pb-interkale grafit kağıt yüzeyindeki PPy/PbOx/CMC kompozitinden (10.0 mg cm-2, 1.0 cm2) hazırlanmış asimetrik süperkapasitörde 2.0 A g-1'da spesifik kapasitansı 165 F g-1, enerji yoğunluğu 22.9 Wh kg-1 ve güç yoğunluğu 0.36 kW kg-1 olarak bulundu. Bu elektrodun 1.0 V potansiyel aralığında 1000 döngü sonunda kapasitesinin % 91 ini koruduğu belirlendi. Son olarak, nano-boyutlu PbOx içeren kompozit elektrodu ile hazırlanmış üç hücreli asimetrik yığının %70 kulombik verim ile 3.0 V potansiyel sergilediği gözlendi. Bu sonuçlar asimetrik konfigurasyonlu süperkapasitörün uygulanabilirliğini göstermekte ve gelecekteki olası uygulamalar için umut vadetmektedir.