Elektrokimyasal kapasitörler ya da ultrakapasitörler olarak da bilinen süper kapasitörler; yüksek güç yoğunluğu, hızlı şarj-deşarj işlemi ve iyi döngüsel kararlılık gibi avantajları nedeniyle yeni nesil enerji depolama cihazı olarak kabul edilmektedir.
Süper kapasitörler iki elektrottan, bir seperatörden ve elektrolitten meydana gelmektedir. Bir süper kapasitörün elektrokimyasal performansını etkileyen en önemli faktör elektrot malzemesidir. Elektrotların spesifik kapasitansı elektrot malzemelerinin yüzey alanıyla, yüksek güç yoğunluğu da elektrot malzemelerinin elektronik iletkenliğine ve iyonların malzemelerin kanalında hızlı iletilmesine bağlıdır. Süper kapasitörlerde karbon bazlı malzemeler, iletken polimerler ve metal oksitler/hidroksitler ile elektrot malzemeleri üretilmektedir.1
Günümüze kadar kullanılan en iyi elektrot malzemesi gözenekli karbondur. Verimi yüksek bir süper kapasitör sentezlemek için yaygın olarak kullanılan bir malzeme olduğu tespit edilmiştir. Gözenekli karbon; yüksek yüzey alanı, büyük gözenek hacmi, iyi elektrik iletkenliği ve verimli kimyasal kararlılığa sahiptir. Ayrıca çevre dostudur ve birçok maddeden sentezlenebilmektedir.
Günümüzde, atık malzemelerden gözenekli karbon üretmek elektrot malzemesi olarak iyi sonuçlar elde etmenin yeşil bir yolu olarak bulunmuştur. Süper kapasitör ve diğer enerji cihazlarında karbon allotropu olan grafeni sentezlemek için yeni bir yöntem bulunmuştur.
Grafen, yüksek elektriksel iletkenlik sağlar ve elde edilen sonuçlar önemli değere sahiptir. Grafen oksit ise basit elektrokimyasal soyulma yöntemiyle hazırlanabilen bir malzemedir. Bu malzeme elektrot malzemesi olarak kullanıldığında elde edilen sonuçların istenilen düzeyde olduğu görülmektedir. Fakat süper kapasitörün şarj yeteneği ve elektrokimyasal performansı, ham maddeye ve gözenekli karbon hazırlanırken aktive edilme yöntemine göre değişmektedir. Sıcaklık, aktivasyon süresi ve malzemenin konsantrasyonu gibi faktörler iyi bir ürün elde edebilmek için önemlidir. Gözenekli karbonun yük depolama mekanizması temel olarak yüzeyine geri dönüşümlü iyon adsorpsiyonu geçiren iki katmanlı bir sistemden oluşmaktadır. Yükler, aktif malzeme ile kaplı elektrotlar ve elektrolit arasında depolanır.
Yapılan deneyde mısır nişastası biyopolimerinden yüksek dereceli gözenekli karbon hazırlanmıştır. Mısır nişastasının kirlilik düzeyi ihmal edilebilir miktarda güvenilir ve saftır. Ayrıca çok iyi verime sahip bir biyopolimerdir. Bu sebeple çok daha temiz ve yeşil bir sentezlemeyle sonuçlanacak olan yüksek dereceli gözenekli karbon elde etmek için kullanılabilir. Gözenekli karbonun kimyasal aktivasyon sürecinin yüksek dereceli gözenekli karbon elde etmenin en iyi yollarından biri olduğu kanıtlanmıştır.
Çalışmada; gözenekli karbon sentezi sırasında mısır nişastası biyopolimeri, karbonizasyon için iki adımlı bir mekanizma ve ardından son ürünü elde etmek için kimyasal aktivasyon içeren öncü bir malzeme olarak kullanıldı. Mısır nişastası 120 °C’de ağırlıkça %40 H2SO4 çözeltisiyle 24 saat karbonize edildi. 24 saat sonunda ürün toplanıp nötr hale gelmesi için çift deiyonize su ile birçok kez yıkandı. Yıkanan ürün, başlangıçta karbonize edilen ürünü elde etmek için 24 saat boyunca 120 °C’de fırında kurutuldu. Kurutulmuş karbon, ağırlıkça %85 H3PO4 ile doyuruldu. Elde edilen karbon aktivasyon için nitrojen bulunan ortamda 800 °C’de fırında ısıtıldı. Son adım olarak ürün fırından çıkarılıp nötralize etmek amacıyla birkaç kez yıkandı ve 12 saat 120 °C fırında kurutuldu. Böylece gözenekli karbon elde edildi.
Süper kapasitör üretmek için önceden hazırlanmış polimer elektrolit film; elektrotların üretimi için grafit levhalar kullanıldı. Sentezlenen gözenekli karbon, polimerin kullanıldığı bağlayıcı ile karıştırıldı. Ardından her bir elektrot hazırlanan karışım ile kaplandı. Gözenekli karbon kaplı olan elektrotlar vakumlu fırında kurutuldu. Elektrotlar kurutulduktan sonra fırından çıkartıldı ve polimer elektrot filmi yeni üretilmiş iki gözenekli karbon elektrot arasına sıkıştırıldı. Sonuç olarak süper kapasitör elde edildi.
Bu süper kapasitörde yapılan testler sonucunda cihazın ideal kapasitif davranış gösterdiği anlaşılmıştır. Cihazın kararlılık performansını test etmek için de çalışmalar yapılmıştır. Özgül kapasitansının ise cihazda daha fazla çalıştıkça azaldığı görülmüştür. Bu duruma polimer elektrot filmindeki iyonların difüzyonu sebep olmaktadır. Ayrıca cihazda kullanılan seperatör polimer elektrolit film olduğu için cihazın performansı sıcaklığa ve neme bağlı olarak değişmektedir.
Sonuç olarak; mısır nişastası biyopolimerinden sentezlenen gözenekli karbon malzemesinin çalışmaları yapılmıştır. Piyasada bulunan diğer karbonlara göre daha verimli sonuçlar elde edilmiştir. Mısır nişastası kolay bulunabildiği ve biyolojik olarak parçalanabilen bir malzeme olduğu için elektrot malzemesi olarak kullanıldığında yüksek performans sergileyebilen gözenekli karbon sentezlemek için kullanılabilir.2
Emine Gül Kurtal
Kaynaklar
- Altınışık, M. (2023). Süperkapasitör için meşe mazısı temelli ve mikrodalga destekli aktif karnından elektrot üretimi. Yüksek Lisans Tezi. Siirt: Siirt Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü
- Nath, G., Singh, P. K., Dhapola, P. S., Dohare, S., Noor, I. M., Sharma, T., & Singh, A. (2024). Fabrication of cornstarch biopolymer-derived nano porous carbon as electrode material for supercapacitor application. Biomass Conversion and Biorefinery, 14(6), 7635-7642