Development of nickel based HER and OER catalysts for anion exchange membrane electrolyzer
Anyon değişim membran elektrolizörler için nikel temelli HER ve OER katalizör geliştirilmesi
- Tez No: 1022481
- Danışmanlar: PROF. DR. GÜLFEZA KARDAŞ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Çukurova Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu çalışma, AEM alkali su elektrolizörleri için yüksek verimli ve performanslı üçlü katodik ve anodik elektrokatalizörlerin geliştirilmesine odaklanmıştır. Katodik malzeme için doğrudan elektrodepozisyon yöntemi kullanılarak NiFeMo#Ni, anodik malzeme için ise hidrotermal biriktirme yöntemi ile NiCoMo#Ni hazırlanmıştır. Elektrokatalitik aktivitenin incelenmesinde LSV, EIS, CV ve kronopotansiyometri gibi elektrokimyasal teknikler kullanılmış, yüzey morfolojisinin belirlenmesinde ise SEM ve XRD analizleri uygulanmıştır. Elektrolizör testleri, 2 × 2 cm² elektrolizör ve zirfon membran kullanılarak üretilen H₂ gazı hacminin ölçülmesi amacıyla su yer değiştirme yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Köpük, #Ni ve NiFeMo#Ni için sırasıyla 212 mV dec⁻¹, 216 mV dec⁻¹ ve 185 mV dec⁻¹ Tafel eğimleri elde edilmiştir. NiCoMo#Ni, #Ni ve köpük için sırasıyla 2.9 mA cm⁻² ve 1.9 mA cm⁻² değerlerine kıyasla 6.0 mA cm⁻² akım yoğunluğu ile belirgin OER katalitik aktivitesi sergilemiştir. Hazırlanan katalizörlerin elektrokimyasal performansı, HER ve OER çalışmaları için yaygın olarak kullanılan bir kıyaslama parametresi olan 10 mA cm⁻²'deki aşırı potansiyel (η₁₀) değeri kullanılarak değerlendirilmiştir. NiFeMo elektrodu, alkali ortamda geliştirilmiş katalitik aktiviteyi gösteren 131 mV'luk HER aşırı potansiyeli sergilemiştir. Buna karşılık, NiCoMo elektrodu OER için 10 mA cm⁻² akım yoğunluğuna 663.7 mV aşırı potansiyelde ulaşmıştır. Soy metal katalizörlerle karşılaştırıldığında nispeten yüksek olmasına rağmen, bu sonuç hazırlanan soy olmayan üçlü katalizör sisteminin alkali su elektrolizi uygulamaları için uygulanabilirliğini göstermektedir. Bu deneysel sonuçlar, hazırlanan katalizörlerin AEM uygulamaları için katalitik aktivitesini doğrulamıştır. Elektrolizör, Zirfon membranı kullanılarak 2.1 V uygulanan gerilimde ve 115.5 mA cm⁻² akım yoğunluğunda 201.1 ± 1.6 mL H₂ ve 102.5 ± 0.8 mL O₂ üretmiştir. Buna karşılık, Fumasep FAA-3-PK-130 membrane kullanılarak gerçekleştirilen deneyde 28 mA cm⁻² akım yoğunluğunda 53.2 ± 3.8 mL H₂ ve 25.6 ± 1.9 mL O₂ elde edilmiştir. Elde edilen gaz hacimleri teorik 2:1 H₂/O₂ stokiyometrik oranını takip etmiştir. Zirfon bazlı sistem yaklaşık %96 Faradaik verimlilik gösterirken, Fumasep bazlı sistem yaklaşık %25 Faradaik verimlilik sergilemiştir. Fumasep membranının daha düşük performansı; membran direnci, hidrasyon davranışı, iyon taşınım sınırlamaları ve elektrot–membran ara yüzey uyumluluğu ile ilişkili olabilir ve bu parametreler AEM elektrolizör performansını önemli ölçüde etkilemektedir.
Özet (Çeviri)
This research focused on developing high efficiency and performing ternary cathodic and anodic electrocatalysts for AEM alkaline water electrolysers. Applying direct electrodeposition method for the cathodic material, NiFeMo#Ni and hydrothermal deposition for the anodic material, NiCoMo#Ni. Electrochemical techniques such LSV, EIS, CV and chronopotentiometry were applied in checking the electrocatalytic activity while SEM and XRD for the surface morphology. Electrolyser tests were carried out with water displacement method to measure volume of H2 gas produced by 2 x 2 cm2 electrolyser and a zirfon membrane / Fumasep FAA-3-PK-130. Tafel slopes of 212 mV dec-1, 216 mV dec-1 and 185 mV dec-1 were obtained for foam, #Ni and NiFeMo#Ni respectively. NiCoMo#Ni exhibited significant OER catalytic activity with current density of 6.0 mA cm-2 compared to 2.9 mA cm-2 and 1.9 mA cm-2 for #Ni and foam respectively. The electrochemical performance of the fabricated catalysts was evaluated using the overpotential at 10 mA cm⁻² (η₁₀), a common benchmark for HER and OER studies. The NiFeMo electrode exhibited an HER overpotential of 131 mV, indicating enhanced catalytic activity in alkaline media. Meanwhile, the NiCoMo electrode achieved 10 mA cm⁻² for OER at an overpotential of 663.7 mV. Although relatively high compared to noble metal catalysts, the result confirms the feasibility of the fabricated non-precious ternary catalyst system for alkaline water electrolysis applications.These experimental results proved the catalytic activity of prepared catalyst for AEM function. The electrolyzer produced 201.1 ± 1.6 mL of H₂ and 102.5 ± 0.8 mL of O₂ at a current density of 115.5 mA cm⁻² and an applied voltage of 2.1 V using the Zirfon membrane. In comparison, the Fumasep FAA-3-PK-130 membrane produced 53.2 ± 3.8 mL of H₂ and 25.6 ± 1.9 mL of O₂ at 28 mA cm⁻². The obtained gas volumes followed the theoretical 2:1 H₂/O₂ stoichiometric ratio. The Zirfon-based system achieved a Faradaic efficiency of approximately 96%, whereas the Fumasep-based system exhibited a lower Faradaic efficiency of approximately 25%. The reduced performance of the Fumasep membrane may be associated with membrane resistance, hydration behavior, ion transport limitations, and electrode–membrane interfacial compatibility, which significantly influence AEM electrolyzer performance.
Benzer Tezler
- Synthesis and characterization of electrocatalysts based on boron and earth-abundant transition metals for electrochemical water splitting
Elektrokimyasal su ayrıştırma için bor ve doğada bol bulunan geçiş metallerine dayalı elektrokatalizörlerin sentezi ve karakterizasyonu
EBRAHIM SADEGHI
Doktora
İngilizce
2023
Mühendislik BilimleriKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT AYDEMIR
- Ni, Co, Mo metal ve metal oksit/elektrokimyasal indirgenmiş grafen oksit tabanlı desteksiz ve esnek nanokompozit elektrotların elektrokimyasal sentezi: Suyun parçalanması ve süperkapasitör uygulamaları
Electrochemical synthesis of Ni, Co, Mo metal and metal oxide/electrochemically reduced graphene oxide-based binder-free and flexible nanocomposite electrodes: Water splitting and supercapacitor applications
SAADET DİNÇ
- Türkçe öğretmeni adaylarının yazılı anlatım becerilerinin geliştirilmesinde ters yapılandırılmış öğretim yönteminin etkisi
The effects of flipped classroom method in developing written expression skills of Turkish teacher candidates
OSMAN ÖZDEMİR
Doktora
Türkçe
2017
Eğitim ve ÖğretimGazi ÜniversitesiTürkçe Eğitimi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA AÇIK
- Mezo karbon destekli nikel, kobalt ve seryum sülfür-borofen bazlı elektrokatalizörlerin geliştirilmesi ve hidrojen evrim reaksiyonu performanslarının incelenmesi
Development of mesocarbon-supported nickel, cobalt, and cerium sulfide-borophene based electrocatalysts and investigation of their hydrogen evolution reaction performance
BİLGE ASLAN TANRIVERDİ
Doktora
Türkçe
2026
Kimya MühendisliğiGazi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPAY ŞAHİN
- Development of iron cobalt bimetallic fischer-tropsch catalysts for production of light olefins
Hafif olefinlerin üretimi için demir kobalt bimetalik fıscher-tropsch katalizörlerinin geliştirilmesi
DENİZ UYKUN MANGALOĞLU
Doktora
İngilizce
2025
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSNÜ ATAKÜL