Heteroatom katkılı grafen kuantum nokta içeren nanokompozitlerin enerji depolama performanslarının incelenmesi

Abstract

Bu tez çalışmasında, enerji depolama sistemlerine yönelik olarak yüksek özgül kapasitans, enerji ve güç yoğunluğu ile uzun döngü ömrüne sahip dört bileşenli nanokompozit elektrot malzemelerinin sentezlenmesi amaçlanmıştır. Bu doğrultuda, hidrotermal yöntemle N-GKN yapıları sentezlenmiş; ardından bu yapılar üzerine Au, MnO₂ ve iletken polimer olarak PANI entegre edilerek, N-GKN–Au–MnO₂–PANI nanokompozitleri tez çalışması kapsamında geliştirilen iki farklı yaklaşımla hazırlanmıştır. Yöntem I'de tüm bileşenler tek adımda eşzamanlı olarak sentezlenmiş; Yöntem II'de bileşenler kontrollü bir biçimde kademeli olarak yapılandırılmıştır. Hazırlanan nanokompozitlerin yapısal ve morfolojik karakterizasyonları FTIR, UV-Vis, XRD, XPS, SEM, TEM ve BET analizleri ile gerçekleştirilmiştir. Elektrot malzemelerinin elektrokimyasal performansları ise iki elektrotlu sistemde, CV, GŞD ve EIS yöntemleri kullanılarak belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, Yöntem II ile sentezlenen nanokompozit, 1 A/g akım yoğunluğunda 471.2 F/g özgül kapasitans değeri göstermiş; 10 A/g akım yoğunluğunda gerçekleştirilen 10000 döngü sonunda ise kapasitansının %93.1'ini korumuştur. Bu elektrot, CV analizine göre diğer elektrotlara (PANI, N-GKN-PANI, MnO₂–PANI, Au-MnO₂–PANI) kıyasla %11.4 ile %47.6; GŞD analizine göre ise %10.9 ile %88.7 oranında daha yüksek özgül kapasitans sergilemiştir. Ayrıca, enerji yoğunluğu açısından %10.8'le %88.5 arasında daha yüksek performans göstermiştir. Bu sonuçlar, nanokompozitlerin sentez stratejisinin ve bileşenlerin bir araya getirilme sırasının, elektrotların elektrokimyasal performansını doğrudan etkilediğini ortaya koymuştur. Özellikle Yöntem II'le bileşenlerin arayüzey etkileşimleri ve yüzey özellikleri daha kontrollü biçimde optimize edilmiş; bu sayede yük aktarım direnci azaltılmış ve iyon taşınımı etkin biçimde artırılarak elektrokimyasal performans geliştirilmiştir. Tez kapsamında geliştirilen N-GKN–Au–MnO₂–PANI nanokompozitleri, sentez parametreleriyle yapı–morfoloji–performans ilişkisi üzerindeki belirleyici rolü açık biçimde ortaya koymuştur.