Heteroatom Katkılı Grafen Sentezi, Karakterizasyonu ve Enerji Depolama ve Dönüşümü Uygulamalarının Araştırılması

Çağdaş KIZIL

Heteroatom Katkılı Grafen Sentezi, Karakterizasyonu ve Enerji Depolama ve Dönüşümü Uygulamalarının Araştırılması

Tezin Türü: Doktora

Tezin Yürütüldüğü Kurum: Akdeniz Üniversitesi, Fen Fakültesi, Kimya Bölümü, Türkiye

Tezin Onay Tarihi: 2022

Tezin Dili: Türkçe

Öğrenci: Çağdaş KIZIL

Danışman: Edip Bayram

Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu

Özet:

Dünya genelinde hızla artan enerji talebi, enerji üretim sistemleri üzerine yapılan çalışmalarında önemini arttırmaktadır. Bu nedenle, elektrokimyasal enerji depolama ve dönüşümü sistemleri insanların ihtiyaç duyduğu enerjinin karşılanmasında en etkili araçlar haline gelmiştir. Bu sistemlerden yakıt hücreleri yüksek enerji yoğunluğu, süperkapasitörler ise yüksek güç yoğunluğuna sahiptir. Heteroatom katkılı grafen malzemeler, sahip oldukları sıra dışı fiziksel ve kimyasal özellikler nedeniyle her iki sistemde de elektrot malzemesi olarak kullanılabilmekte ve sistem performansının arttırılmasında umut vaat etmektedir. Bu çalışmada, solvotermal yöntem kullanılarak tek basamakta heteroatom katkılı grafen malzemelerinin sentezi ve elde edilen ürünlerin yapısal ve elektrokimyasal karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. Sentez çalışmaları iki aşamada yürütülmüş, ilk basamakta azot katkılı grafen (N-GN) üretimi için reaksiyon süresi, kullanılan metalik indirgen miktarı ve sıvı karışımın pH koşulları optimize edilmiştir. Optimize edilen N-GN örneklerine yapısal karakterizasyon işlemleri uygulanmıştır. Örneklerin morfolojik yapıları SEM ve TEM ile belirlenmiş, yüzey alan değerleri ise N2 adsorpsiyon/desorpsiyon verilerinin Brunauer-Emmet-Teller (BET) eşitliğinde işlenmesi ile hesaplanmıştır. Örneklerin kristal ve/veya amorf yapılarının belirlenmesi için X-ışını kırınım tekniği (XRD), grafen yapısının ve katkılama sonucu oluşan kusurlu bölgelerin gözlenmesi için ise Raman spektroskopisi kullanılmıştır. Ürünlerin kimyasal yapıları, katkılanmış atomların grafene bağlanma şekilleri ve elementlerin bağıl oranları X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) ile belirlenmiştir. Optimizasyon çalışmaları sonucunda N-GN üretiminde kontrol edilebilir azot içeriği (%0,55-%4,04), kontrol edilebilir yüzey alan (1289,1 m2/g-2,12 m2/g) ve yüksek konjüge karbon atom içeriği (C=C %54,6) elde edilmiştir. Üstelik SEM ve TEM görüntüleri ile grafene özgü buruşuk yaprak yapısı, Raman spektrum verilerinden grafen yapısında kusurlu bölgelerin varlığı ve XRD desenlerinden ise malzemelerin kristal yapısı belirlenmiştir. Elektrokimyasal karakterizasyon ile N-GN örneklerinin 0,1 M HCIO4 ve 0,1 M KOH elektrolit koşullarında elektrokatalitik performansları test edilmiştir. Bu kapsamda, örneklerin asidik koşullarda zayıf, alkali koşullarda ise belirgin elektrokatalitik etkinlik gösterdiği gözlenmiştir. Ayrıca, örneklerin süperkapasitörlerde elektrot malzemesi olarak kullanılabilirliğinin belirlenmesi için 6,0 M KOH ve 3,0 M H2SO4 elektrolit çözeltilerinde voltamogramları ve şarj/deşarj eğrileri elde edilmiştir. Bu verilerden, asidik ortamda sentezlenen örnek dışında, diğer örneklerde yüksek akım yoğunluğu, yüksek spesifik kapasitans (maksimum 333,9 F/g), yüksek enerji (maksimum 46,6 Wh/kg) ve güç yoğunluğu (maksimum 26,8 kW/kg ) değerleri bulunmuştur. Çalışmanın ikinci bölümünde ise ilk bölümde belirlenen optimum koşullarda katkılanan heteroatom türü arttırılarak silisyum, azot katkılı (Si-N-GN) ve demir, azot katkılı (Fe-N-GN) grafen ürünlerin sentezi gerçekleştirilmiştir. Örneklerin yapılarının aydınlatılması için yapısal karakterizasyon tekniklerinden faydalanılmıştır. SEM görüntülerinde, Si-N-GN'nin grafene özgü karakteristik buruşuk yaprak yapısı, Fe-N-GN'de ise grafen plakaları ile çevrili FexOy kristal bileşik yapıları gözlenmiştir. SEM-EDX verileri ile Si-N-GN'nin silisyum ve Fe-N-GN'nin demir içeriğine sahip olduğu belirlenmiştir. Si-N-GN ve Fe-N-GN için sırasıyla, 523,2 m2/g ve 482,5 m2/g yüzey alan değerleri bulunmuş, Raman spektrum verilerinde ise kusurlu yapıya işaret eden D ve 2D bandları her iki örnek için elde edilmiştir. XRD desenlerinde ise N-GN yapısına silisyumun katkılanması kırınım açısının sola doğru kaydığı, Fe-N-GN'de ise FexOy bileşiklerine ait kırınım pikleri gözlenmiştir. XPS spektrum verilerinden Si-N-GN yapısında silisyum atomlarının bağıl oranının %2,28 (%at.), Fe-N-GN'de ise demir atomları %1,8 (%at.) olarak hesaplanmıştır. N-GN örneklerine uygulanan elektrokimyasal karakterizasyon işlemleri Si-N-GN ve Fe-N-GN için de kullanılmıştır. Bu kapsamda, her iki örneğinde 0,1 M KOH elektrolit çözeltisindeki elektrokatalitik performansları test edilmiş, Si-N-GN'nin ticari Pt/C'ye yakın oksijen indirgeme reaktivitesi (ORR) gösterdiği ve oksijeni istenilen 4 e- yolunu takip ederek indirgediği bulunmuştur. Ayrıca, Si-N-GN ve Fe-N-GN'nin kapasitif davranışları incelenmiş ve 0,2 A/g akım yoğunluğunda Si-N-GN için 239,6 F/g (6,0 M KOH) ve 267,5 F/g (3,0 M H2SO4), Fe-N-GN için ise 130,2 F/g (6,0 M KOH) ve 116,8 F/g (3,0 M H2SO4) kapasitans değerleri elde edilmiştir. Sentezlenen tüm örnekler içerisinde Si-N-GN'nin farklı akım yoğunluğu aralığında spesifik kapasitans ve enerji yoğunluğunu büyük oranda koruduğu belirlenmiştir.