Fındık kabuğundan yeni nesil biyosüperkapasitör

Enerji depolama sistemleri hızla gelişirken, hem sürdürülebilir hammaddelerden üretilebilen hem de yüksek güç performansı sunan elektrot malzemelerine duyulan ihtiyaç günden güne artmaktadır. Yeni yapılan bir çalışmada makadamya fındık kabuklarının bu ihtiyaca oldukça çevreci bir yanıt verdiği görülmektedir. Bu yeni çalışmada makadamya fındık kabukları kimyasal aktivasyon yöntemiyle yüksek yüzey alanına sahip aktif karbon elektrotlara dönüştürülerek biyosüperkapasitör alanında ümit vadedici veriler sunmaktadır. 

Çalışmada elektrot için kullanılan tarımsal atık makadamya fındık kabuğu (MNS), lignoselülozik bir yapıya sahiptir. Bu biyokütle yüksek karbon içeriği ve doğal gözenekli yapısı sayesinde üreteceğimiz karbon malzeme için uygun bir seçenek olduğunu kanıtlamaktadır. Üretim temelini oluşturan iki ana aşama bulunmaktadır.

1. Karbonizasyon: Öğütülen atık kabuklar inert atmosfer altında yüksek sıcaklıkta ısıtılarak karbon iskelet oluşturulur.
2. Kimyasal aktivasyon: Karbonizasyon aşamasında elde edilen karbon, farklı oranlarda KOH (potasyum hidroksit) ile aktive edilerek tekrar yüksek sıcaklıkta işleme tabi tutulur.

Bu aktivasyon süreci sonucunda, elde edilen karbon yapısında çok sayıda mikro gözenek (<2 nm) ve buna nazaran kısmen mezogözenek (2-50 nm) oluşması sağlanır. Oluşan bu gözenekli yapı bize biyosüperkapasitörlerde yük depolanmasını sağlayan elektriksel çift tabaka kapasitansı (EDLC) mekanizmasının temelini oluşturur. Yapılan çalışmada en iyi performansı veren örneğin özgül yüzey alanı yaklaşık 1360 m²/g seviyesine ulaşmaktadır.  Bu değer elektrolit iyonlarının yüzeyle temas edeceği oranı ciddi oranda arttırmaktadır.¹

Elektrokimyasal testler üç elektrotlu sistemde yapılmış ardından ise en iyi numune ile simetrik bir coin cell süperkapasitör düzeneği kurulmuştur. Elde edilen veriler, malzemenin yüksek özgül kapasitans değerleri sunduğunu ve 10.000’den fazla çevrim sonunda dahi kapasitesinin küçük bir bölümünü harcadığını göstermektedir. Oluşan güç yoğunluğu 2500 W/kg enerji yoğunluğu ise yaklaşık 5,4 Wh/kg seviyesindedir bu da biyokütle tabanlı karbonlar için oldukça iddialı sonuçlardır. 

Günümüzde süperkapasitör elektrotlarında genelde kullanılan aktif karbonlar kömür veya sentetik öncüllerinden seçiliyor oysa bu çalışmanın en önemli yönlerinden biri tarımsal bir atığın katma değerli enerji malzemesine dönüştürülmesidir. Ayrıca KOH ile yapılan kimyasal aktivasyon yöntemi, gözenek boyutunun ve yüzey alanının kontrollü bir şekilde ayarlanmasına olanak sağlamaktadır. Bu da iyon difüzyonunun daha iyi olmasını sağlayarak daha hızlı şarj-deşarj performansı ortaya çıkarmaktadır. Çalışmada gözlenen çift tabaka kapasitansı ile birlikte yüzey fonksiyonel gruplarının da katkısıyla sınırlı düzeyde psödokapasitif etki de gözlenmektedir. Bu gözlem, depolanan yükün sadece fiziksel değil aynı zamanda kısmen kimyasal yük depoladığını da ortaya koymaktadır.²

Sonuç olarak, makadamya fındık kabuğu atıklarından üretilen aktif karbon elektrotlar yüksek yüzey alanı, uzun çevrim olanağı ve iyi iyon iletimi sayesinde biyosüperkapasitör uygulamalarında umut vadeden bir seçenek olarak görülmektedir. Atık yönetimi ile enerji depolama sistemlerini birleştiren yenilikçi bir yaklaşım ortaya koymaktadır. Gelecekte malzeme modifikasyonu ve aktivasyonda kullanılan kimyasalın ölçeğinin değiştirilmesiyle bu tür biyokütle tabanlı karbonların ticari süperkapasitörlerde daha yaygın olarak kullanılmasının mümkün olduğu görülmektedir. Böylece hem çevreci bir yaklaşımla sürdürülebilirlik desteklenir hem de enerji depolama sistemlerinde daha ekonomik seçenekler oluşturulur. 

Kaynaklar

1. https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsomega.5c06396
2. Delawary, AR, Bubulinca, C., Kazantseva, NE, Saha, P., Le, QB, Gupta, RK ve Kiefer, R. (2026). NdFeB ile Fonksiyonelleştirilmiş Biyokütle Kaynaklı Karbon Elektrotlara Dayalı Asimetrik Süperkapasitör. Malzemeler, 19 (6), 1257.