Hidrojen evrim reaksiyonları için alternatif elektrot tasarımları ve asimetrik süperkapasitör uygulamaları

Abstract

Nikel köpüğün (NF) alttaş olarak kullanıldığı beş farklı elektrot elektrodepozisyon yöntemiyle üretilmiştir. Elektrotlar sırasıyla PANI/NF, rGO:PANI/NF, NiO@rGO:PANI/NF, CuO@rGO:PANI/NF, CuO:NiO@rGO:PANI/NF’dir. İlk iki elektrotta fırınlama işlemi olmasa da oksit içeren diğer elektrotlar da oksitlenmeyi güçlendirmek adına fırınlama işlemi uygulanmıştır. Elektrotların yüzey morfolojileri SEM analizleri, PANI/NF yüzeyine rGO, NiO ve CuO’nun etkisini araştırmak amacıyla kullanılmıştır. EDS analizleri ile C, N, O, Ni, Cu’ın yüzdesel kütle miktarları belirlenmiştir. FTIR, XRD ve XPS teknikleriyle elektrotların PANI, rGO, NiO ve CuO bileşenleri içerdikleri doğrulanmıştır. Üç elektrotlu ölçüm sistemi ve 0,5 M H2SO4 sulu çözelti kullanılarak yapılan ölçümlerde Tafel eğimleri PANI/NF, rGO:PANI/NF, NiO@rGO:PANI/NF, CuO@rGO:PANI/NF, CuO:NiO@rGO:PANI/NF elektrotları için sırasıyla 118,1, 112,2, 110,9, 87,1, 49,7 mV/derece olarak elde edilmiştir. Pt/C’nin Tafel eğimi ise 45,8 mV/derece olarak ölçülmüştür. Asimetrik cihaz, negatif elektrot olarak aktif karbon kumaş, pozitif elektrot olarak CuO:NiO@rGO:PANI/NF ve membran olarak da selüloz kağıt kullanarak elde edilmiştir. Çalışma penceresi 0 – 1,8 V aralığındadır. Elektrotların döngüsel voltametri (CV) çalışmaları gerçekleştirilmiştir. CV’lerden elde edilen sonuçlarda CuO:NiO@rGO:PANI/NF’nin kapasitans değerlerinde CuO ve NiO’in sinerjetik etkisi gözlemlenmiştir. EIS analizleriyle elektrotların ve asimetrik cihazın eşdeğer devre benzetimi yapılmıştır. Ölçümlerdeki en düşük akım değeri olan 16 Ag-1’de spesifik kapasitans değeri 92 F g-1, spesifik enerji değeri 32,7 Wh kg-1, spesifik güç değeri ise 1607,9 W kg-1’dir. Ölçümlerdeki en yüksek akım değeri olan 40 A g-1’de ise spesifik kapasitans değeri 44,1 Fg-1, spesifik enerji değeri 15,7 Wh kg-1, spesifik güç değeri ise 4745,6 W kg-1’dir. 10000 döngü sonunda yüzde 91,6 kapasitans tutma özelliği görülmüştür. Bu sonuçlar, CuO:NiO@rGO:PANI/NF bazlı asimetrik süperkapasitörün üstün elektrokimyasal performansını ve uzun süreli kararlılığını göstermekte olup, yüksek performanslı enerji depolama uygulamaları için büyük potansiyeli olduğunu göstermektedir.

Using the electrodeposition technique, five different electrodes are fabricated on nickel foam (NF) substrates. The electrodes are PANI/NF, rGO:PANI/NF, NiO@rGO:PANI/NF, CuO@rGO:PANI/NF, and CuO:NiO@rGO:PANI/NF, respectively. Although the furnacing process is not applied to the first two electrodes, the other electrodes are subjected to furnacing to enhance oxide formation. SEM analyses of the electrode surface morphologies are employed to investigate the effects of rGO, NiO, and CuO on the PANI/NF surface. EDS analyses are used to determine the percentage mass contents of C, N, O, Ni, and Cu. The coating of the nickel foam with PANI, rGO, NiO, and CuO is confirmed by FTIR, XRD, and XPS analyses. Tafel slopes are 118,1, 112,2, 110,9, 87,1, 49,7 mV/dec for PANI/NF, rGO:PANI/NF, NiO@rGO:PANI/NF, CuO@rGO:PANI/NF, CuO:NiO@rGO:PANI/NF electrodes, recpectively, with using three electrode measurement system and 0.5 M H2SO4 solution. Tafel slope of Pt/C is determined to be 45,8 mV/dec. Asymetric supercapacitor device is obtained using activated carbon fabric as negative electrode, CuO:NiO@rGO:PANI/NF as positive electrode and selulose paper as membrane. The operating potential window of the electrode is 0–1.8 V. Cyclic voltammetry results are obtained for the electrodes. A synergistic effect of CuO and NiO is observed in the capacitance values of the CuO:NiO@rGO:PANI/NF electrode, as evidenced by the CV measurements. Equivalent circuit modeling of the electrodes and the asymmetric device is performed using EIS analyses. The asymmetric supercapacitor device delivers a specific capacitance of 92 F g-1, a specific energy of 32.7 Wh kg-1, and a specific power of 1607.9 W kg-1 at a current density of 16 A g-1. At the highest current density of 40 A g-1, the specific capacitance is 44.1 F g-1, the specific energy is 15.7 Wh kg-1, and the specific power is 4745.6 W kg-1. After 10000 cycles, a capacitance retention of 91.6% is observed. These results demonstrate the outstanding electrochemical performance and long-term stability of the CuO:NiO@rGO:PANI/NF-based asymmetric supercapacitor, highlighting its great potential for high-performance energy storage applications.