Titanyum esaslı nanokompozitlerle yüksek performanslı enerji depolama uygulamaları

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.