Süperkapasitör uygulamaları için MN-oksit filmlerin üretilmesi

Abstract

MnO₂ elektrotlar, metal, metal oksit ve karbon alttabakalar üzerine elektrodepozisyon yöntemi ile üretildi. Burada metal alttabaka direnç davranışını, metal oksit alt tabaka direnç-kapasitif davranışını ve karbon alttabaka kapasitif davranışı baskın olarak sergilediğinden özellikle tercih edildi. Bunun yanında metal alttabaka üzerine MnO₂ büyütülmeden önce çeşitli yüzey işlemleri yapıldı. Bu yüzey işlemleri zımparalama, ultrasonifikasyon, asite daldırma ve pasivasyon olarak özetlenebilir. Ayrıca depozisyon potansiyeli ve yük miktarı değiştirilerek metal alt tabaka üzerine MnO₂ üretildi. Elektrotların yapısal ve kimyasal özellikleri Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FT-IR), X-ışını Kırınımı (XRD), X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS), Temas Açısı tayini, Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) ve Enerji Dağılımlı X-ışını Spektroskopisi (EDX) ile incelendi.Elektrokimyasal davranışları, Empedans Spektroskopisi (EİS), Mott-Schottky (M-S)tekniği ile karakterize edildi. Kapasitif davranışları Dönüşümlü Voltametri (CV) ve Galvanostatik Şarj-Deşarj (GCD) teknikleri ile araştırıldı. Elde edilen yapısal ve kimyasal özelliklerin kapasitif davranışlara nasıl etki ettiği araştırıldı. Buna göre karbonalt tabaka üzerine üretilen MnO₂ elektrotun spesifik kapasitans değeri 1049 F/g bulundu.Bu değer, literatürde bulunan en yüksek değerlerden biridir. Metal ve metal oksit üzerine üretilen elektrotlardan elde edilen spesifik kapasitans değeri daha düşüktür. Buradan karbon alt tabakanın MnO₂’ nin kapasitif davranışına katkı sağladığı sonucuçıkarılabilir. Metal, metal-oksit ve karbon alttabaka üzerine üretilen MnO₂ elektrotlarda1000 döngü sonrasında spesifik kapasitans değerlerinde sırasıyla %182, %156 ve %110’luk artış gözlendi. Bu durum literatürde kendi kendine iyileşme olarak adlandırılır ve cihazların kullanım ömrünü uzatır. MnO₂ elektrotlar kullanılarak simetrik süperkapasitör cihazlar üretildi. Elektrotlardakine benzer şekilde elektrokimyasal ve kapasitif davranışları araştırıldı. Süperkapasitörün kırmızı LED’i 1 dk kadar çalıştırdığı görüldü. Sonuç olarak bu süperkapasitörler düşük ve orta güç gerektiren sistemlerde enerji depolama cihazı olarak kullanılabilir.

MnO₂ electrodes were electrodeposited on metal, metal oxide and carbon substrates.Here, the metal substrate was particulary chosen because of its resistance behaviour,metal oxide for resistance-capacitance and the carbon for capacitance behaviour.Moreover some surface treatments such as sanding, ultrasonification, acid immersin andpassivation were applied to the metal surface before the MnO₂ electrodeposition. Theeffects of the deposition potential and the charge density of MnO₂ on metal substrateswere also investigated. The structural and chemical properties were analyzed by FourierTransform Infrared Spectroscopy (FTIR), X-ray Diffraction (XRD), X-ray PhotoelectronSpectroscopy (XPS), Contact Angle, Scanning Electron Microscopy (SEM), Atomic ForceMicroscopy (AFM) and Energy Separation X-ray Spectrometer (EDX). Theelectrochemical behaviours were characterized by Electrochemical ImpedanceSpectroscopy (EIS) and Mott Schottky (M-S). The capacitive behaviour was studied byCyclic Voltammetry (CV) and Galvanostatic Charge/Discharge (GCD). The correlationbetween the capacitive behavior and the structural-chemical behaviour was explained.The specific capacitance of 1049 F/g was calculated for the MnO₂ electrrode on thecarbon substrate, which is one of the highest results found in the literature. The valuescalculated for the electrodes deposited on metal and metal oxide are lower than that. Itseems the carbon electrode contributes to the capacitive behaviour. After 1000 cycles,the specific capacitance increases to %182, %156 ve %110 of the first value for themetal, metal oxide and carbon substrates respectively. This is self healing effect andextends the life cycle of the device. Symmetrical supercapacitors were fabricated with these MnO₂ electrodes. Theelectrochemical and the capacitive behaviour was studied as the same of the electrodes.The device light up an LED over 1 min. Consequently, these symmetricalsupercapacitors can be employed in the devices requiring low-medium power density.