PREPARATION OF MNO2 AND MXene DOPED CARBON CLOTH BASED FLEXIBLE SUPERCAPACITOR ELECTRODES

Abstract

ABSTRACT

With the increase in the global population and the increase in research on the development of renewable energy sources, there has been a significant increase in the demand for energy storage systems (EDS). It is known that flexible EDSs are needed in order to meet the needs of consumer electronics such as flexible robots, biosensors and new generation mobile phones with flexible screens, which have been developed in recent years. Supercapacitors are one of the most common EDS used and under development in this regard. In this study, it is aimed to produce carbon fabric-based MnO2@MXene doped composite electrodes for flexible supercapacitors. For this purpose, current collector conductive and flexible carbon fabrics were used. These are obtained by exposing the cotton fabric to high temperature in an oxygen-free environment. Then, MnO2 was synthesized by hydrothermal method to functionalize the surfaces of these fabrics. In addition, MXene contributions were made to these syntheses at different rates. The MXene structure was obtained by removing the aluminum from the MAX (Ti3Al2C3) phase after etching. After all these experimental studies, the products were characterized by XRD, SEM and TEM analysis. Their electrochemical performances were investigated by cyclic voltammetry (CV) and galvanostatic charge-discharge (GCD) measurements. According to the characterization results, it was understood that acicular MnO2 crystals with a thickness of less than 50 nm and a length of more than 100 nm were successfully synthesized together with MXene on the carbon fabric surfaces. In terms of electrochemistry, it was observed that the performance increased as the MXene contribution increased, and the highest performance was observed in the sample with 15 mg MXene added. The specific capacitance of this sample was approximately 1100 mF/cm2, while the energy and power densities were determined as 72 mWh/cm2 and 230 mW/cm2, respectively. It is thought that these results make a significant contribution to the literature with a very high performance.

ÖZET

Küresel nüfusun artışıyla birlikte yenilenebilir enerji kaynaklarının geliştirilmesine yönelik yapılan araştırmaların artışıyla birlikte enerji depolama sistemlerine (EDS) olan talepte de önemli bir artış meydana gelmiştir. Özellikle son yıllarda geliştirilen esnek yapılı robotlar, biyo sensörler ve yeni nesil esnek ekranlı cep telefonları gibi tüketici elektroniği ihtiyacını karşılayabilmek amacıyla esnek yapılı EDS’lere ihtiyaç duyulduğu bilinmektedir. Süperkapasitörler bu bakımdan kullanılan ve geliştirilmekte olan en yaygın EDS’lerden birisidir. Bu çalışmada esnek yapılı süper kapasitörler için karbon kumaş bazlı MnO2@MXene katkılı kompozit elektrotların üretimi amaçlanmıştır. Bu amaçla akım toplayıcı iletken ve esnek karbon kumaşlar kullanılmıştır. Bunlar pamuklu kumaşın oksijensiz ortamda yüksek sıcaklığa maruz bırakılması ile elde edilmiştir. Daha sonra bu kumaşların yüzeylerini fonksiyonel hale getirmek için hidrotermal yöntemle MnO2 sentezlenmiştir. Ayrıca bu sentezlere farklı oranlarda MXene katkıları da yapılmıştır. MXene yapısı ise MAX (Ti3Al2C3) fazından etching sonrası alüminyumun uzaklaştırılması ile sağlanmıştır. Tüm bu deneysel çalışmaların ardından ürünler XRD, SEM ve TEM analizleri ile karakterize edilmiştir. Elektrokimyasal performansları ise çevrimli voltametri (CV) ve galvano statik şarj deşarj (GCD) ölçümleri ile incelenmiştir. Karakterizasyon sonuçlarına göre karbon kumaş yüzeylerinde yaklaşık 50 nm'den daha küçük kalınlıkta ve 100 nm'den daha uzun boyda iğnemsi MnO2 kristallerinin MXene ile birlikte başarılı bir şekilde sentezlendiği anlaşılmıştır. Elektrokimyasal bakımından ise MXene katkısı arttıkça performansın da arttığı ve en yüksek performansın ise 15 mg MXene katkılı olan numunenin olduğu gözlenmiştir. Bu numunenin spesifik kapasitansı yaklaşık 1100 mF/cm2 iken enerji ve güç yoğunlukları da sırasıyla 72 mWh/cm2 ve 230 mW/cm2 olarak tespit edilmiştir. Bu sonuçların oldukça yüksek bir performans ile literatüre önemli katkı sağladığı düşünülmektedir.