Farklı Yöntemlerle İndirgenmiş Grafen Oksit İnce Filmlerinin Çinko Hibrit Süperkapasitörlerde Elektrokimyasal İşlevselliğinin İncelenmesi

Abstract

Teknolojik gelişmeler ve artan nüfus enerji ihtiyacında da artışı beraberinde getirmiştir. Fosil kökenli yakıtların enerji talebini karşılamada yetersiz kalmasının yanı sıra çevresel olumsuz etkileri nedeniyle yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelim zorunlu hale gelmiştir. Rüzgar enerjisi, güneş enerjisi gibi kaynakların dalgalı ve kesikli enerji üretim potansiyelinin sürekli hale getirilebilmesi için enerji depolama sistemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Süperkapasitörlerin yüksek güç yoğunluğu ve bataryaların yüksek enerji yoğunlukları özelliklerinin birleştirilmesi ile elde edilen hibrit süperkapasitör sistemleri gelecek için umut vadetmektedir. Hibrit süperkapasitörlerde kullanılan elektrot ve elektrolitlerin çevrim ömrü, kararlılık, kolay taşınabilirlik, maliyet ve güvenlik özelliklerinin iyileştirilmesi yüksek performanslı sistemler geliştirme çalışmalarının temelini oluşturmaktadır. Bu çalışmada grafitten Modifiye Tour yöntemi olarak da bilinen Cruz-Silva yöntemi ile grafen oksit sentezlenmiştir. Sentez verimi %78 olarak hesaplanmıştır. Damla döküm yöntemi ile üretilen grafen oksit filmler hidrazin monohidrat, hidroiyodik asit ve hidroiyodik asit/asetik asit kimyasal ajanları kullanılarak grafene indirgenmiştir. İndirgenmiş grafen oksitin (rGO) sulu elektrolitli Zn-iyon hibrit süperkapasitörlerde (ZHSC) katot malzemesi olarak kullanımının incelenmesi amacıyla Swagelok tipi hücre içinde elektrokimyasal ölçümler alınmıştır. rGO filmlerin katot olarak kullanıldığı ZHSC'de anot olarak Zn metali, elektrolit olarak ise farklı Zn tuzlarının sulu çözeltileri kullanılmıştır. Sulu elektrolitli ZHSC'lerin elektrokimyasal performansına elektrolit etkisinin belirlenmesi amacıyla 0,5 M ZnSO4 ve 0,5 M Zn(CF3SO3)2 (ZnTMS) sulu tuz çözeltileri ile çalışılmıştır. Filmlerin yüzey görüntüleri incelendiğinde GO film ve HI/asetik asit ile yapılan indirgeme sonucu elde edilen örneğin daha düz bir yüzey gösterirken, hidrazinmonohidrat kullanılarak yapılan indirgenmiş numunelerin pürüzlü ve yükseltili yüzeye sahip oldukları gözlenmiştir. En iyi elektriksel iletkenlik değeri literatür ile uyumlu olarak HI/asetik asit kimyasal ajanı ile elde edilen örneklerde görülürken ZnTMS elektrolitinin daha iyi sonuçlar verdiği saptanmıştır. Anahtar Sözcükler: Zn-iyon Hibrit Süperkapasitör, Grafen Oksit, İndirgenmiş Grafen Oksit, Sulu Elektrolit

Technological advancements and growing population necessitate higher energy demands. In addition to the inability of fossil fuels to meet energy demand, their negative environmental effects have made the use of renewable energy sources compulsory. Energy storage systems are needed in order to make the fluctuating and intermittent energy production potential of resources such as wind energy and solar energy continuous. Hybrid supercapacitor systems obtained by combining the characteristics of high power density of supercapacitors and high energy densities of batteries are giving hope for the future. Enhancing the cycle life, stability, easy portability, cost-effectiveness and safety features of the electrodes and electrolytes used in hybrid supercapacitors form the foundation of researches for developing high-performance systems. In this study, graphene oxide was synthesized from graphite by the Cruz-silva method, also known as the modified Tour method. The synthesis efficiency is calculated as 78%. Graphene oxide films produced by drop casting method were reduced to graphene by using hydrazine monohydrate, hydroiodic acid and hydroiodic acid/acetic acid chemical agents. Electrochemical measurements were taken inside the Swagelok cell to investigate the use of reduced graphene oxide (rGO) as a cathode material in Zn-ion hybrid supercapacitors with aqueous electrolytes (ZHSC). In ZHSC, rGO films serves as cathodes, Zn metal functions as anode and aqueous solutions of different Zn salts are employed as electrolytes. To assess the impact of the electrolyte on the electrochemical performance of ZHSCS with aqueous electrolytes, 0.5 M ZnSO4 and 0.5 M ZnTMS were used as aqueous salt solutions. Upon examining the surface images of the films, it was observed that the sample obtained through reduction with GO film and HI/acetic acid exhibited a flatter surface, whereas the reduced samples prapared using hydrazine monohydrate had a rough and raised surface. The best electrical conductivity value is seen in the samples obtained with HI/acetic acid chemical agent in accordance with the literature, while it has been determined that 0.5 M ZnTMS electrolyte yields better results. Keywords: Zinc-ion Hybride Supercapacitor, Graphene Oxide, Reduced Graphene Oxide, Aqueous Electrolyte