Preparation of organic/ inorganic hybrid nanocomposites for energy conversion processes

Abstract

Dünya nüfusunun artması, enerji talebinin artmasına ve fosil yakıtların aşırı tüketimi kaynaklı azalmasına neden olmaktadır. Bu sorunların çözümünde, alternatif yenilebilir enerji kaynaklarının kullanımının yaygınlaşması ve depolanması önemli hale gelmektedir. Elektrokimyasal enerji uygulamalarından süperkapasitörler, yüksek enerji/ güç yoğunluğu ve uzun çevrim ömrü ile çevresel sorunların giderilmesinde ve enerji ihtiyacının karşılanmasında kullanılabilirler. Süperkapasitör çalışmaları kapsamında, üretim koşullarının optimize edilerek yüksek verimli elektrotların geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu amaç doğrultusunda çalışmada ilk olarak, sübstitüentlerin ve indirgenmiş grafen oksitin (rGO) kobalt ftalosiyaninlerin (CoPc) süperkapasitif özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Sentezi gerçekleştirilmiş periferik veya periferik olmayan konumlarda (CoPc(1-3)) 9H-karbazol-2-iloksi grupları taşıyan üç yeni tetra ve okta sübstitüe CoPc, tek adımlı elektrodepozisyon ile Ni köpük (NiF) substratı üzerinde rGO ile modifiye edilmiştir. İncelenen tüm elektrotlar arasında, en yüksek elektrokimyasal aktiviteyi NiF/ rGO2-1 (0,5 A g-1'de 655,2 F g-1) sağlamıştır. Çalışmanın ikinci kısmında, molibden-tungsten oksit/ @CoPc-rGO (MoxW1-xO3@CoPc-rGO) kompozitleri, elektrodepozisyon ve elektropolimerizasyon tekniklerinin bir arada kullanıldığı iki aşamalı elektrokimyasal yöntemlerle hazırlanmıştır. Mo0.5W0.5O3@CoPc-rGO hibriti, 1 A g-1 'de 1506,4 F g-1 değerinde bir spesifik kapasitans sergilemiştir ve 10,0 A g-1 'de 5000 çevrimden sonra başlangıçtaki spesifik kapasitansının %94,6'sını korumuştur. Hazırlanan asimetrik süperkapasitör, 350 W kg-1 spesifik güçte 33,8 Wh kg-1 spesifik enerjiye ulaşmıştır. Çalışmanın son bölümünde, nikel kobalt sülfür (NixCoyS) ve NixCoyS-rGO kompozitleri tek adımlı elektrodepozisyon ile üretilmiştir. Ni2Co1S-rGO hibriti, 1 A g-1' de 2495,4 F g-1 değerinde bir elektrokimyasal performans göstermiştir ve 5000 çevrimden sonra başlangıçtaki spesifik kapasitansının %96,5’ini muhafaza etmiştir. Hazırlanan asimetrik süperkapasitör, 800 W kg-1 'de 44,6 Wh kg-1 değerinde spesifik enerji ve 10 A g-1'de 10.000 çevrimden sonra %86,0 değerinde bir çevrim stabilitesi sergilemiştir.

The expansion in world population have led to increment in energy demand and diminishing fossil fuels due to excessive consumption. Recently, in solving these problems, the widespread utilization and storage of alternative renewable energy sources have become important. Supercapacitors, one of the electrochemical energy applications, can be used to eliminate environmental problems and meet energy needs with their opportunities such as high energy/ power density and long cycle life. Within the scope of supercapacitor studies, it is of great importance to optimize production conditions and develop highly efficient electrodes. Thus, this study has suggested high-performance alternative materials to construct of electrode which can be used in designing supercapacitors. Firstly, the effect of substituents and reduced graphene oxide (rGO) on the supercapacitive properties of cobalt phthalocyanines (CoPc) is explored. Thus, synthesized three new tetra- and octa-substituted CoPc bearing 9H-carbazol-2-yloxy groups on peripheral or non-peripheral positions (CoPc(1-3)) are modified with rGO by using a facile one-step electrodeposition strategy on Ni foam (NiF) substrate. Among all electrodes, the highest electrochemical activity is obtained for the NiF/ rGO2-1 as 655.2 F g-1 at 0.5 A g-1. Secondly, molybdenum-tungsten oxides/ @CoPc-rGO (MoxW1-xO3@CoPc-rGO) hybrid structures are constructed by two-step electrochemical routes of electrodeposition and electropolymerization techniques. The Mo0.5W0.5O3@CoPc-rGO hybrid possesses a favorable specific capacitance of 1506.4 F g-1 at 1.0 A g-1 and retained 94.6% of its initial capacitance at 10.0 A g-1 after 5000 cycles. The asymmetric supercapacitor achieves an outstanding specific energy of 33.8 Wh kg-1 at 350 W kg-1. Finally, nickel cobalt sulfide (NixCoyS) and NixCoyS-rGO composites are fabricated by one-step electrodeposition. The Ni2Co1S-rGO delivers remarkable specific capacitance of 2495.4 F g-1 at 1 A g-1 and notable cyclability of 96.5% after 5000 cycles. The asymmetric supercapacitor delivers a specific energy of 44.6 Wh kg−1 at 800 W kg−1, and high cycling stability of 86.0% after 10,000 cycles at 10 A g-1.