SYNTHESIS OF ZINC OXIDE NANOROD FROM ZINC BORATE FOR SUPERCAPACITOR ELECTRODE APPLICATION

Abstract

ABSTRACT

This thesis is planned to synthesize zinc oxide from zinc borate mineral to use it as electrode material in supercapacitors. For this purpose, firstly, zinc borate mineral was treated with hydrochloric acid at different concentrations, and the extracted zinc metal concentration was optimized. Concentrations were measured by atomic absorption spectroscopy (AAS). Then, direct zinc oxide synthesis was carried out by hydrothermal method on the nickel foam surface using the solution with the highest zinc content. After synthesis, the products were characterized in terms of crystal structure, chemical bond, and geometric shape by XRD, FTIR, and SEM analyses. The results showed that zinc oxide nanorods with an average size of 358 nm were successfully synthesized on the nickel foam surface. The synthesized electrode was then subjected to cyclic voltammetry (CV) and galvanostatic charge-discharge (GCD) tests. These measurements showed that the electrode has a battery-type charge storage character, and the highest specific capacitance is approximately 527 mF/cm2 at a current density of 1 mA/cm2. In addition, the energy and power densities of zinc oxide-based electrodes were calculated as 11 mWh/cm2 and 200 mW/cm2 at a current density of 2 mA/cm2, respectively. Although these results are single-component compared to their counterparts in the literature, it is concluded that they are quite promising.

ÖZET

Bu tez çalışmasında çinko borat mineralinden süperkapasitörlerde elektrot malzemesi olarak kullanılması amacıyla çinko oksit sentezlenmesi planlanmıştır. Bu amaçla ilk olarak çinko borat minerali farkı derişimlerde hidroklorik asit ile muamele edilmiş ve ekstrakt edilen çinko metali konsantrasyonu optimize edilmiştir. Konsantrasyonlar atomik absorpsiyon spektroskopisi (AAS) ile ölçülmüştür. Daha sonra en yüksek çinko içerikli solüsyon kullanılarak nikel foam yüzeyinde hidrotermal yöntemle doğrudan çinko oksit sentezi gerçekleştirilmiştir. Sentez sonrası ürünler XRD, FTIR ve SEM analizleri ile kristal yapı, kimyasal bağ ve geometrik şekli bakımından karakterize edilmiştir. Elde edilen sonuçlar nikel foam yüzeyinde ortalama 300 nm boyutunda çinko oksit nano çubuklarının başarılı bir şekilde sentezlendiğini göstermiştir. Bu işlemlerin ardından sentezlenen elektrotun çevrimli voltametre (CV) ve galvano statik şarj-deşarj (GCD) ölçümleri de gerçekleştirilmiştir. Bu ölçümler elektrotun pil tipi şarj depolama karakterine sahip olduğunu ve en yüksek spesifik kapasitansının ise 1 mA/cm2 akım yoğunluğunda yaklaşık 527 mF/cm2 olduğunu göstermiştir. Ayrıca bu elektrotun 1 mA/cm2 akım yoğunluğundaki enerji ve güç yoğunlukları da sırasıyla 11.2 mWh/cm2 ve 200 mW/cm2 olarak hesaplanmıştır. Bu sonuçlar literatürdeki muadillerine kıyasla tekli bileşen olmasına rağmen oldukça umut vaat edici olduğu sonucuna varılmıştır.