SÜPERKAPASITÖRLER İÇİN MgFe2O4 VE GRAFEN KATKILI HİBRİT NANO KOMPOZİTLERİN ÜRETİMİ VE ELEKTROKİMYASAL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ

Abstract

ÖZET

Süperkapasitörler, enerji depolama sistemlerinde önemli bir yere sahip yüksek kapasiteli cihazlar olarak bilinmektedir. Yüksek güç yoğunlukları, uzun çevrim ömürleri ve hızlı şarj-deşarj yetenekleri sebebiyle son zamanlarda enerji depolama teknolojisinde büyük ilgi görmüşlerdir. Süperkapasitörler, elektrik enerjisi depolayabilmek için elektrokimyasal çift tabaka ve pseudokapasitans mekanizmalarını kullanır. Bu nedenle, yenilenebilir enerji sistemleri, taşınabilir elektronik cihazlar ve elektrikli araçlar gibi alanlarda yaygın bir şekilde kullanılmaları hedeflenmektedir. Bu cihazların elektrokimyasal performansını artırmak için hibrit elektrot malzemelerinin, özellikle karbon bazlı malzemeler, metal oksitler ve iletken polimerlerin kullanımı umut verici olarak değerlendirilmektedir. Bu tez çalışmasında, süperkapasitörlerde elektrot malzemesi olarak kullanmak üzeri grafen katkılı MgFe2O4 üretilmesi amaçlanmıştır. Üretimler hidrotermal yöntem ile nikel köpük yüzeyinde gerçekleştirilmiştir. Elde edilen ürünlerin öncelikle XRD, FTIR, XPS, SEM ve TEM ile karakterizasyonları daha sonra CV, GCD ve EIS ile elektrokimyasal performansları değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre en grafen nano plakalarının MgFe2O4 ile birlikte nikel köpük yüzeyinde başarılı bir şekilde tutunarak sentezlendiği gözlenmiştir. Elektrokimyasal olarak ise en yüksek performansın grafen katkılı MgFe2O4 elektrotunda 1 mA/cm2 akım yoğunluğunda 828 mF/cm2 olarak elde edilirken, enerji ve güç yoğunlukları ise sırasıyla 28.7 mWh/cm2 ve 200 mW/cm2 olarak elde edilmiştir. Bu elektrotun çevrim ömrü performansı ise 1500 döngü sonrası %136 olduğu gözlenmiştir. Bu sonuçlar grafen katkılı MgFe2O4 elektrotun literatürdekilere kıyasla oldukça yüksek performans sergilediğini ve bu sebeple süperkapasitöre dönüştürülme umudu vadettiğini ortaya koymuştur.

ABSTRACT

Supercapacitors are known as high-capacity devices that hold a significant place in energy storage systems. Due to their high-power densities, long cycle lives, and fast charge-discharge capabilities, they have recently garnered substantial interest in energy storage technology. Supercapacitors store electrical energy through electrochemical double-layer and pseudocapacitance mechanisms. Therefore, they are targeted for widespread use in areas such as renewable energy systems, portable electronic devices, and electric vehicles. To enhance the electrochemical performance of these devices, the use of hybrid electrode materials, particularly carbon-based materials, metal oxides, and conductive polymers, is considered promising. In this thesis, the aim was to produce graphene-doped MgFe2O4 for use as electrode material in supercapacitors. The production was carried out on nickel foam substrates via the hydrothermal method. The obtained products were first characterized using XRD, FTIR, XPS, SEM, and TEM, and then their electrochemical performances were evaluated using CV, GCD, and EIS. According to the results, it was observed that graphene nanoplatelets were successfully synthesized and adhered to the MgFe2O4 on the nickel foam surface. Electrochemically, the highest performance was achieved with the graphene-doped MgFe2O4 electrode, showing a capacitance of 828 mF/cm² at a current density of 1 mA/cm², with energy and power densities of 28.7 mWh/cm² and 200 mW/cm², respectively. The cycle life performance of this electrode was observed to be 136% after 1500 cycles. These results indicate that the graphene-doped MgFe2O4 electrode demonstrates significantly high performance compared to those in the literature, thereby offering promising potential for conversion into a supercapacitor. In this research, it is aimed to produce doped MgF2O4 on the surface of nickel foam as an electrode material for use in supercapacitors. Characterization tests of the produced electrode were successfully carried out with XRD, FTIR, XPS, SEM and TEM techniques. Additionally, cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge-discharge (GCD) and electrochemical impedance spectrometry (EIS) were performed using a three-electrode system to evaluate the electrochemical properties. The presence of GNPs and MFO molecules at nanoscale was successfully confirmed by characterization analyses. Furthermore, according to the results obtained from electrochemical analyses, the largest specific capacitance (Cs) value was 828 mF/cm2 at 1 mA current. Furthermore, the energy density was calculated as 28.7 mWh/cm2 and the power density was calculated as 200 mW/cm2. At the same time, the stability and durability were 136% after 1500 cycles at 4 mA, which is clearly superior to other studies. Thus, we have presented a useful and noteworthy study for supercapacitors in the literature.