COPPER FERRITE SYNTHESIS FROM CHALCOPYRITE AND INVESTIGATION OF ITS ELECTROCHEMICAL PROPERTIES

Abstract

ABSTRACT

This thesis study consists of two stages, extraction and electrode production. In the first stage, the effects of NaCl, MgCl2, and Urea compounds on the extraction of Cu and Fe from chalcopyrite ore were investigated. For this purpose, different ratios of these compounds were added to the extraction solution, and then each solution's Cu and Fe concentrations were measured. Measurements were performed by atomic absorption spectroscopy (AAS). According to the obtained results, the concentration of Cu and Fe increased by 76% and 28%, respectively, with the addition of NaCl and approximately 52% and 53% with the addition of MgCl2. At the same time, when MgCl2 and Urea were added together, these values decreased by 12% and 35%. The second stage is aimed at producing nano-sized copper ferrite-based electrodes from the obtained solutions. The productions were carried out directly on the nickel foam surface by hydrothermal method. The produced electrodes were characterized by FTIR, XRD, and SEM in terms of chemical bond structures, crystal planes, and microstructures, respectively. In addition, the electrochemical performance of the produced electrode was investigated by galvanostatic charge-discharge measurements (GCD) with a three-electrode system. From these examinations, firstly, the specific capacitance values (Ca) and then the energy (E) and power density (P) values were determined. Based on these results, the highest Ca value was determined as 725 mF/cm2 at 2 mA current, while E and P values were calculated as approximately 12.5 mWh/cm2 and 880 mW/cm2. In addition, these results were compared and discussed with the studies done so far. Finally, it was concluded that the extraction of Cu and Fe from chalcopyrite with a very cheap compound such as NaCl could be performed at higher rates than their literature counterparts. Furthermore, a very high-performance electrode for supercapacitors, an important component of energy storage systems, has been produced with the obtained solutions. It is also thought that the electrochemical performances of these electrodes are promising for supercapacitors but should be investigated in more detail for this purpose.

ÖZET

Bu tez çalışması ekstraksiyon ve elektrot üretimi olmak üzere iki aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada kalkopirit cevherinden Cu ve Fe ekstraksiyonuna NaCl, MgCl2 ve Üre bileşiklerinin etkileri incelenmiştir. Bu amaçla ekstraksiyon solüsyonuna bu bileşiklerden farklı oranlarda eklenmiş ve daha sonra her bir solüsyonun Cu ve Fe konsantrasyonları ölçülmüştür. Ölçümler atomik absorpsiyon spektroskopisi (AAS) ile gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre Cu ve Fe konsantrasyonu NaCl eklentisi ile sırasıyla %76 ve %28 oranlarında, MgCl2 eklentisi ile yaklaşık %52 ve %53 oranlarında artmıştır. Aynı zamanda MgCl2 ve Üre birlikte eklendiğinde ise bu değerler %12 ve %35 olarak oranlarında düşmüştür. İkinci aşamada ise buradan elde edilen solüsyonlardan nano boyutlu bakır ferrit bazlı elektrot üretilmesi amaçlanmıştır. Üretimler hidrotermal yöntemle nikel foam yüzeyinde doğrudan gerçekleştirilmiştir. Elde edilen ürünlerin kimyasal bağ yapıları, kristal düzlemleri ve mikroyapıları sırasıyla FTIR, XRD ve SEM ile karakterize edilmiştir. Ayrıca üretilen elektrotun elektrokimyasal performansı ise üç elektrotlu sistem ile galvano statik şarj deşarj ölçümleri (GCD) ile incelenmiştir. Bu incelemelerden öncelikle spesifik kapasitans değerleri (Ca) daha sonra ise enerji (E) ve güç yoğunluğu (P) değerleri tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre en yüksek Ca değeri 2 mA akımda 725 mF/cm2 olarak tespit edilirken, E ve P değerleri ise yaklaşık 12.5 mWh/cm2 ve 880 mW/cm2 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca elde edilen bu sonuçlar şimdiye kadar yapılmış olan çalışmalar ile tartışılarak kıyaslanmıştır. Nihai olarak kalkopiritten NaCl gibi oldukça ucuz bir bileşik ile Cu ve Fe ekstraksiyonunun literatürdeki muadillerine kıyasla daha yüksek oranlarda gerçekleştirilebildiği sonucuna varılmıştır. Ayrıca elde edilen solüsyonlar ile enerji depolama sistemlerinin önemli bir bileşeni olan süperkapasitörlere yönelik oldukça yüksek performanslı bir elektrot üretimi de gerçekleştirilmiştir. Bu elektrotların elektrokimyasal performanslarının süperkapasitörler için umut vadedici olduğu ancak bu amaçla daha ayrıntılı olarak incelenmesi gerektiği düşünülmektedir.