Sıralı çift geçiş metali Ti2NbAlC2 MAX fazının sentezi ve Ti2NbC2Tx MXene’nin süperkapasitör özelliklerinin araştırılması

Bu doktora tezi, MAX fazlarının sentezi, yapısal karakterizasyonu ve bunlardan türetilen MXene malzemelerinin üretimine odaklanmaktadır. Bu kapsamda, düzenli Ti₂NbAlC₂ MAX fazı yüksek sıcaklıkta katı hal reaksiyonu ile sentezlenmiş, ardından kimyasal aşındırma yöntemiyle çok katmanlı ve az katmanlı Ti₂NbC₂Tₓ MXene yapıları elde edilmiştir. Elde edilen malzemeler X-ışını kırınımı (XRD), taramalı ve geçirimli elektron mikroskobu (SEM/TEM) ve Raman spektroskopisi ile karakterize edilmiştir. MXene elektrotların elektrokimyasal performansı döngüsel voltametri (CV), galvanostatik şarj-deşarj (GCD) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) yöntemleriyle incelenmiştir. Ti₂NbC₂Tₓ MXene, 0,5 A g⁻¹ akım yoğunluğunda Na₂SO₄ ve H₂SO₄ elektrolitlerinde sırasıyla 322 ve 642 F g⁻¹ özgül kapasite göstermiş, 10,000 döngü sonunda kapasitesinin %95 ve %100’ünü korumuştur. Ayrıca, Ti₂NbC₂Tₓ MXene ve aktif karbon kullanılarak hazırlanan asimetrik süperkapasitörler, PVA-Na ve PVA-H jel elektrolitlerinde sırasıyla 31,1 ve 34,0 W h kg⁻¹ enerji yoğunluğuna ulaşmıştır. Sonuçlar, kontrollü MAX fazı sentezinin MXene kalitesi ve elektrokimyasal performans üzerinde belirleyici olduğunu ve Ti₂NbC₂Tₓ MXene’in yeni nesil enerji depolama sistemleri için umut verici bir elektrot malzemesi olduğunu göstermektedir.

This doctoral thesis focuses on the synthesis, structural characterization, and production of MXene materials derived from MAX phases. In this study, the ordered Ti₂NbAlC₂ MAX phase was synthesized via a high-temperature solid-state reaction, followed by chemical etching to obtain multilayered and few-layer Ti₂NbC₂Tₓ MXene structures. The synthesized materials were characterized using X-ray diffraction (XRD), scanning and transmission electron microscopy (SEM/TEM), and Raman spectroscopy. The electrochemical performance of the MXene electrodes was evaluated by cyclic voltammetry (CV), galvanostatic charge–discharge (GCD), and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Ti₂NbC₂Tₓ MXene exhibited specific capacitances of 322 and 642 F g⁻¹ at a current density of 0.5 A g⁻¹ in Na₂SO₄ and H₂SO₄ electrolytes, respectively, while retaining 95% and 100% of its initial capacitance after 10,000 cycles. Furthermore, asymmetric supercapacitors fabricated using Ti₂NbC₂Tₓ MXene and activated carbon achieved energy densities of 31.1 and 34.0 Wh kg⁻¹ in PVA-Na and PVA-H gel electrolytes, respectively. The results demonstrate that controlled MAX phase synthesis plays a crucial role in determining MXene quality and electrochemical performance, highlighting Ti₂NbC₂Tₓ MXene as a promising electrode material for next-generation energy storage systems.