Ekonominin gün geçtikçe dünya çapında gelişmesi ve insan ihtiyaçlarının süreç içinde sürekli değişmesi çevresel sürdürülebilirlik açısından ciddi problemler meydana getirmektedir. Artan nüfusa dayalı enerji ihtiyacının, çarpık ve yanlış kentleşmenin, sanayileşmenin komutasını artık elektronik cihazlar ele almıştır. Günümüzde insan yaşamının alışılmış ve tercihen yönelinen ilk kaynağı olan fosil yakıtlara ilginin veya ekonomik bağımlığının azalma işaretleri çoğalmakta. Azalan birincil enerji kaynakları, sadece enerji güvenliğini tehdit etmekle kalmıyor, aynı zamanda bu kaynakların yakılmasıyla ortaya çıkan sera gazlarının sebep olduğu çevresel sorunları da beraberinde getiriyor. Bu durum, dünyanın enerji ihtiyacını daha çevreci, sürdürülebilir ve doğal yollarla karşılama zorunluluğunu ortaya koymaktadır.1 Bu olumsuz sonuçların çözümünde zararın en aza inmesi açısından zaman çok önem arz etmektedir. Bu yüzden çözüm arayışları giderek aciliyet kazanmıştır.
Biz insanların enerji ihtiyacını karşılayan, karbon emisyonları üretmeyen ve gelecek vaad eden iki kaynakta yoğunlaşılıyor: güneş ve rüzgar. Bu iki kaynağa oldukça çevre dostu bir çözüm olarak bakılıyor. Bunun yanı sıra bu iki kaynağın kendince zorlukları da bulunmaktadır. Bahsedilen iki kaynağın ortak problemleri dış faktörlere yani hava koşullarına, rüzgar enerjisi yeterli rüzgarlı havada, güneş enerjisi ise yalnızca bulutsuz ve yine yeterince güneşli havalarda kullanılabilir. Bu problem ise enerji arzının periyodik karşılanamamasına sebebiyet vermekte ve elektrik şebekesinin kararlılığına da tehlikeye atmaktadır.
Bu sorunların çözüm yolu enerjiyi depolamaktan geçmektedir. Bu yollar başlıca piller ve hidrojen kaynaklı depolama sistemlerinden oluşur. Bu sistemler, enerjinin en verimli zamanlarda depolanmasını sağlayarak enerji ihtiyacındaki dalgalanmaları önler ve elverişsiz koşullarda kullanılmasını sağlar.
Depolamada en dikkat edilecek unsurlar güvenilirlik ve sürdürülebilirliktir. Süperkapasitörler bu özellikleriyle öne çıkmaktadır. Basit pillere göre daha yüksek güç seviyelerini işleyebilirler ve enerji döngüsünü de daha hızlı tamamlarlar. Pillerin aksine enerjiyi elektrokimyasal değil, elektrostatik mekanizmalarla depo ederler. Şarj-deşarj döngülerini daha hızlı tamamlanmasının sebebi de budur.2
Üç tür ana kapasitör vardır:
-
-
- EDLC (Elektrik Çift Tabaka Kapasitörleri; non-faradik)
- Psödo-kapasitörler (faradik)
- Kompozit kapasitörler
-
Psödokapasitörler, yüzeylerinde gerçekleşen hızlı ve geri dönüşümlü redoks tepkimeleri sayesinde yüksek özgül kapasitansa ulaşabilirler. Bu özellik, onları geleneksel kapasitörlerden daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip hale getirir. Ancak, bu döngüsel tepkimeler cihazın döngü kararlılığında azalmaya neden olabilir. Kararlılığın azalması halinde ortaya çıkan sonuçlardan en önemlisi ise uzun ömürlü kullanım gerektiren durumlar için kullanımın imkansız hale gelmesi. Bundan dolayı sürdürülebilirlik şartlarını tamamen sağlayan; düşük maliyetli, yüksek güç yoğunluğuna ve uzun kullanım ömrüne sahip yeni katot malzemelerinin geliştirilmesi, enerjinin depolanması konusunda oldukça önem arz eden bir araştırma konusu haline gelmiştir. Bu çalışmalar, psödokapasitörlerin hem enerji hem de güç yoğunluğunu artırırken, aynı zamanda elektrokimyasal kararlılığını da iyileştirmeyi ilke edinmiştir. Bu çabalar, psödokapasitörlerin ticari uygulamalarda daha yaygın bir şekilde kullanılmasının önünü açacaktır. Bu bağlamda, bu kapasitörlerin yüksek elektrik iletkenliği, iyonların taşınımında daha yüksek hız ve elektrot yüzey alanında artış gözlenmesi için en umut vaad eden elektrot malzemelerinden biri gözenekli sert karbondur. Sumatera Utara Üniversitesinden Dr. Hamid vd. tarafından yapılan bir çalışmada, gözenekli sert karbon materyalinin sentezinde biyokütle bazlı aktivatörlerin kullanımına odaklanmaktadır. Özellikle, portakal suyu üretiminden arta kalan atıklar, içerdikleri sitrik asit, askorbik asit ve malik asit gibi organik bileşenler sayesinde karbon matriksinde gözenek oluşumunu teşvik etmektedir. Bununla birlikte, elde edilen atığın yapısında bulunan potasyum (K), kalsiyum (Ca) ve magnezyum (Mg) gibi mineral elementler de malzemenin mikro ve mezo-gözenekli yapısının gelişimine büyük katkılar sağlamaktadır.
Bu yöntem, atık malzemelerin geri dönüştürülmesini sağlayan sürdürülebilir bir çözüm sunarken, aynı zamanda geniş yüzeyli ve işlevsel karbon malzemelerin üretimini mümkün kılıyor. Araştırmanın temel amacı, biyokütle bazı olarak belirlenen hindistan cevizinin atığından elde edilen gözenekli sert karbonu; XRD (x-ışını kırınımı), SEM (taramalı elektron mikroskopisi), BET (Brunauer–Emmett–Telle), CV (döngüsel voltammogram) ve EİS (elektrokimyasal empedans spektroskopisi) karakterizasyon yolları ile portakal suyunu aktivatör olarak kullanarak faradik tip süperkapasitör elektrotu sentezleyip geliştirmektir.
Gözenekli sert karbon (PHC) hazırlanması, iki aşamalı bir yöntemle gerçekleştirilmiştir. İlk olarak, biyokütle materyali, doğal bir bileşen olan portakal suyuyla bir gün boyunca karıştırılarak kimyasal aktivasyona tabi tutulmuştur. Bu işlemin ardından, malzeme 500°C, 600°C ve 700°C olmak üzere üç farklı sıcaklıkta iki saat süren piroliz işleminden geçirilerek fiziksel aktivasyon tamamlanmıştır. Bu süreçler sonucunda, farklı termal işlem sıcaklıklarını temsil eden PHC-500, PHC-600 ve PHC-700 numuneleri elde edilmiştir.
Deneyde elde edilen sonuçlar, piroliz sıcaklığının artmasıyla birlikte malzemenin gözenek yapısının büyük ölçüde olumlu şekilde geliştiğini ortaya çıkarmıştır. Bu gelişme, spesifik yüzey alanının ve gözenek hacminin artışına yol açmıştır.
Elektrokimyasal testler, PHC-700 numunesinin üstün bir performans sergilediğini ortaya koymuştur. Bu materyal, 1012,27 F/g değeriyle en yüksek özgül kapasitansa ulaşmıştır (Çizelge 1), döngüsel voltametri (CV) ve galvanostatik şarj/deşarj (GCD) analizleri, yük depolama mekanizmasının, hem hızlı kapasitif tepkimelerin hem de difüzyonun kontrol ettiği redoks süreçlerinin bir birleşimi olduğunu doğrulamıştır. Elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) sonuçları da, yüksek sıcaklıkta işlem görmüş materyallerde iyon difüzyonunun daha verimli olduğunu ve şarj transfer direncinin daha düşük olduğunu göstermektedir.
Çizelge 1. Farklı biyoatık elektrotlu süperkapasitörlerin kapasitans değerleri.1
Özetle bu çalışma, biyokütle atıklarından türetilen gözenekli sert karbonun, yüksek verimli enerji depolama sistemlerinde kullanılmak üzere umut vadeden bir materyal olduğunu kanıtlamaktadır. Elde edilen bulgular, sürdürülebilir hammaddelerin ileri teknoloji uygulamalarında etkin bir şekilde kullanılabileceğine dair önemli bir gösterge niteliğindedir.
Kaynaklar
- Hamid, M., Dayana, I., Satria, H., Ramdan, D., Junaidi, Siregar, M. F., Sholeha, D., Marbun, J., & Wijoyo, H. (2025). Porous hard carbon derived from coconut biomass waste as electrode material for supercapacitor. JCIS Open, 19, 100147
- Conway, B. E. (1999). Electrochemical supercapacitors: Scientific fundamentals and technological applications. Springer Science & Business Media.