Tereftalik Asit Temelli MOFlardan Türetilmiş Karbon Katotların Üretimi ve Çinko İyon Bataryalarda Kullanımı

TÜBİTAK Projesi, 2218 - Yurt İçi Doktora Sonrası Araştırma Burs Programı, 2026 - 2028

Proje Türü: TÜBİTAK Projesi
Destek Programı: 2218 - Yurt İçi Doktora Sonrası Araştırma Burs Programı
Başlama Tarihi: Mart 2026
Bitiş Tarihi: Mart 2028

Proje Özeti

Küresel enerji talebinin sürekli artması ve fosil yakıt kullanımının çevresel etkileri, güvenli, sürdürülebilir ve yüksek performanslı enerji depolama sistemlerine olan ihtiyacı ön plana çıkarmıştır. Fosil yakıtlar, sadece sınırlı kaynaklara sahip olmakla kalmayıp aynı zamanda sera gazı emisyonları ve hava kirliliği gibi ciddi çevresel sorunlara yol açmaktadır. Bu nedenle, alternatif enerji depolama teknolojilerine yönelim hızla artmaktadır. Bu bağlamda, su bazlı elektrolitlere sahip, güvenli ve çevre dostu çinko iyon bataryalar (ZİB), düşük maliyetleri ve çevresel avantajları ile dikkat çeken bir çözüm olarak öne çıkmaktadır. ZİB?ler, özellikle lityum bazlı bataryalara göre daha güvenli kullanım imkânı ve daha kolay hammadde erişimi sunması açısından stratejik öneme sahiptir. Ancak ZİB?lerin ticari başarıları, yüksek kapasiteli, uzun ömürlü ve stabil katot malzemelerinin geliştirilmesine doğrudan bağlıdır. Mevcut katot malzemeleri genellikle sınırlı iletkenlik, yapısal bozulma ve döngüsel stabilite eksikliği gibi sorunlarla karşı karşıyadır; bu da bataryaların performansını ve ömrünü olumsuz etkilemektedir.

Yüksek kapasiteli ve stabil katot malzemelerinin geliştirilmesi ihtiyacı, metal-organik kafesler (MOF) ve hibrit yapılar gibi ileri malzeme tasarımlarını araştırma gerekliliğini ortaya koymaktadır. Bu doğrultuda, proje kapsamında MOF yapılar öncelikle saf formda sentezlenecek, ardından karbonize edilerek karbonize MOF katotlar elde edilecektir. Karbonizasyon işlemi, MOF?ların elektriksel iletkenliğini artırmak ve yapısal stabilitelerini geliştirmek amacıyla uygulanacaktır. Daha sonra, MOF?lar grafen oksit (GO) ile belirli oranlarda karıştırılarak karbonize edilecek ve karbonize-MOF/GO hibrit katotlar hazırlanacaktır. MOF?larda mangan (Mn), nikel (Ni) ve demir (Fe) iyonlarının koordinasyonu sağlanarak farklı yapısal ve elektronik özellikler geliştirilmesi hedeflenmektedir. Bu süreçte, saf MOF, karbonize MOF ve karbonize-MOF/GO hibrit yapılar, kapsamlı yapısal karakterizasyonlarla incelenecektir. X-ışını kırınımı (XRD) ile kristal yapılar, Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ile kimyasal bağlanmalar ve fonksiyonel gruplar, Raman spektroskopisi ile karbon yapısı, X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ile yüzey kimyası ve oksidasyon durumları, SEM ve TEM ile morfoloji ve parçacık boyutu analizleri yapılacaktır. Ayrıca, yüzey alanı ve gözenek dağılımı BET yöntemiyle belirlenirken, termogravimetrik analiz (TGA) ile termal stabilite değerlendirilecektir. Bu kapsamlı karakterizasyon, malzemelerin yapı-performans ilişkilerini ortaya koymak ve sonraki elektrokimyasal testlerin temelini oluşturmak için kritik öneme sahiptir.

Karbonize MOF ve karbonize MOF/GO hibrit katotlar, yüksek yüzey alanı, gelişmiş elektron iletkenliği ve mekanik stabilite sağlayarak elektrot performansını artırmayı amaçlamaktadır. Özellikle karbonize MOF/GO hibrit yapılar, iyon difüzyonu ve elektron transfer süreçlerini optimize ederek yüksek kapasiteli ve uzun ömürlü ZİB katotları geliştirme potansiyeline sahiptir. Elektrokimyasal performans, döngüsel voltametri (CV), galvanostatik şarj-deşarj (GCD) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ile değerlendirilecektir. Böylelikle, saf ve hibrit katot stratejilerinin etkinliği ortaya konacak ve en uygun yaklaşım belirlenecektir.

Proje, toplam 24 aylık bir zaman dilimine yayılarak planlanmış olup, her aşama için detaylı zaman çizelgesi, olası riskler ve çözüm stratejileri belirlenmiştir. Deneyler Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Nanoteknoloji ve Enerji Depolama Laboratuvarı?nda yürütülecek, modern altyapı ve disiplinler arası araştırma ortamından faydalanılacaktır. Proje yürütücüsü, daha önce yakıt pilleri üzerine uzmanlaşmış bir doktora sonrası araştırmacıdır ve bu proje ile enerji depolama alanında disiplinler arası deneyim kazanacak, malzeme sentezi, karakterizasyon ve batarya testleri konularında yetkinlik elde edecektir.