Geri Dön

Modification of graphene oxide as efficient catalyst support for polymer electrolyte membrane fuel cells

Pem yakıt hücreleri için kullanılan graphen oksit kataliz destek malzemenin modifiye edilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 420275
  2. Yazar: ESAAM JAMİL
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. SELMİYE ALKAN GÜRSEL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilim ve Teknoloji, Kimya, Science and Technology, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2015
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Sabancı Üniversitesi
  10. Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 85

Özet

2004 yılından itibaren grafen, kendine mahsus özellikleri ve yapısından dolayı yoğun bir populerlik kazanmıştır. Ancak bulk bir malzeme olarak kullanıldığında, enerji depolama ve dönüşümü için gerekli yüzey özelliklerini nadiren göstermektedir çünkü grafen nano levhalar bir araya gelerek kümelenmeler oluşturmaktadır. Elektrokatalizler, çözelti hazırlama tekniği ile sentezlenirler ve yüksek yüzey alanına ek olarak çözeltilerdeki çözünürlükleri ve işlenebilirlikleri mükemmel olmalıdır ki PEM yakıt hücrelerinde yüksek bir elektrokatalitik aktivasyon sağlamak için kullanılan platin nanoparçacıkların büyütülmesi ve homojen dağılımı elde edilebilsin. Çözüm olarak, grafen oksit preskursör olarak kullanılabilir çünkü ana yapıda ve kenarlarda bulunan ve kimyasal olarak aktive edilmiş oksijenlendirilmiş fonksiyonel gruplar, organik yapılar, biyomalzemeler ve nanoparçacıklarlar ile kolay bir şekilde kovalent ve kovalent olmayan bağlar kurabilirler. Bunun sonucu olarak, kimyasal kararlılığı, ayarlanabilir modifikasyonu, yüksek elektrik iletkenliği ve birçok farklı yapıda bulunmasından dolayı fonksiyonlandırılmış grafen oksit (f-GO) birçok uygulama alanına sahip olabilir. Bu çalışmanın ilk kısmında, grafenin negatif etkilerinden kurtulmak için grafen oksit, p-phenylenediamine (GO-NH2) ve Gly-Arg-Gly-Asp-Ser-Pro (GO-RGD) ile başarılı bir şekilde modifiye edilmiştir ve elde edilen yapıların karakterizasyonu FTIR, Raman, XRD ve TGA ile yapılmıştır. Buna ek olarak, elde edilen f-GO malzemesi, platin nanopartikülleri daha kolay yapıya katabilmek için efektif bir elektrokatalist destekleyici olarak kullanılmıştır. Vulcan XC 72, GO ve nitrojen ile doplanmış GO kullanılarak polyol indirgeme prosesi sayesinde elde edilen yeni malzeme XRD, TGA, TEM ve CV ile karakterize edilmiştir. Pt/GO-RGD malzemesi en yüksek hidrojen tutma/bırakma pikleri göstermiştir çünkü piklerin altında kalan alanlar yük transferi için gerekli olan Pt kataliz aktif noktaların arttığını göstermektedir. Böylece ECSA değeri 147 m2/g olarak hesaplanmış ve bu değer Pt/Vulcan XC-72 (80 m2/g) den %83 ve Pt/GO (99 m2/g) den %48 daha fazladır. ECSA daki bu artış Pt nanoparçacıkların Pt/GO-RGD malzemesi içinde homojen bir şekilde dağıldığını göstermektedir. Pt/GO-NH2 malzemesi 130 m2/g yüzel alanına sahiptir ve bu artış 3.9 nm büyüklüğe sahip Pt nanoparçacıklarının dağılımının mükemmel olduğunu göstermektedir ve TEM kullanılarak elde edilen resimler bu dağılım kanıtıdır. Bu sonuçlar; Pt/f-GO yapılı malzemelerin yüksek performanslı PEM yakıt hücreleri için ideal bir elektrokataliz olduğunu göstermektedir. Çalışmanın ikinci kısmında ise, grafen oksit ve poliprol/karbon kullanılarak kovalent olmayan fonksiyonlaştırma yöntemi ile hibrid nanokompozitler oluşturulmuştur. Daha sonra polyol prosesi ile Pt nanoparçacıkların, GO, PPy/CB ve PPy/CB/GO malzemeleri ile üç farklı yöntem kullanılarak hibrid nanokompozitleri oluşturulmuştur. Burdaki amaç ise Pt nanoparçacıkların büyüklüğünün ve dağılımının destek malzeme üzerine etkisi ve PEM yakıt piline olana elektrokatalitik etkisini incelemektir. Tüm bu etkiler XRD, TGA, TEM, ve CV karakterizasyon yöntemleri ile incelenmiştir. Kullanılan üç farklı FeCl3 modiye edilmiş polyol prosesinden Method 2 en efektif method olmuştur çünkü FeCI3 efektif bir sabitleyici olarak rol almış ve Pt parçacıkların biraraya gelerek büyümesine engel olmuştur. Method 2 kullanılarak sentezlenen Pt/PPy/CB/GO, 153 m2/g ile en yüksek ECSA sahip olmuştur ve bu değer yaklaşık olarak Pt/PPy/CB (117 m2/g) den %30 ve Pt/GO (128 m2/g) den %20 daha fazladır. Pt ile hazırlanan hibrid nanokompozit yapıların diğer destek malzemeler ile kıyaslandığında daha iyi elektrokatalik etki göstermesinin nedeni elektriksel iletkenlikteki artış ve yük taşıyıcıların sayısındaki artış ile açıklanılabilir. Yalıtkan olarak davranan oksijenli fonksiyonel gruplar, hibrid nanokompozit sentezi sırasında Pt ile kısmen indirgenmektedir ve böylece elektron ve kütle transferi için ortamdaki direnç azaltılmaktadır. Bu bilgilere ek olarak, PPy/CB yapısının GO katmanları arasına dahil edilmesi grafen katmanlarının yığılmasını kısmende olsa azaltmıştır ve sonuç olarak Pt nanoparçacıkların daha homojen dağılımı elde edilerek yüzey alanı geniş bir malzeme elde edilmiştir. Ayrıca Method 2 ile elde edilen Pt yapılı hibrid nanokompozit malzemeler PEM yakıt hücre uygulaması için ideal aday olarak görülmektedir.

Özet (Çeviri)

Since 2004, graphene has gained immense popularity due to its unique properties and structure but graphene as a bulk material, rarely depicts surface properties needed for energy conversion and storage owing to the irreversible aggregation of the nanosheets. Electrocatalysts are often synthesized on supports by solution based methods that require the supports to have high surface area with excellent solubility and processibility in solvents e.g. organic solvents for uniform dispersion and growth of ultra-small platinum nanoparticles for high electrocatalytic activity in PEM fuel cells. As a remedy, graphene oxide can act as a precursor which has many chemically reactive oxygenated functional groups at edges and basal planes giving an opportunity for covalent and non-covalent functionalization with many functional materials like organic compounds, biomaterials, polymers and nanoparticles. As a result, functionalized graphene oxide (f-GO) can have many applications because of their interesting properties such as chemical stability, tunable modification, high electrical conductivity and multifunctional structures. In this research, the successful modifications of graphene oxide via covalent functionalization with novel functional reagents p-phenylenediamine (GO-NH2)and Gly-Arg-Gly-Asp-Ser-Pro (GO-RGD) was achieved to overcome the graphene issues mentioned before while imparting desirable properties, as evidenced by the different characterization techniques employed such as FTIR, TGA, XRD and Raman. Subsequently, these f-GO were utilized as effective electrocatalyst supports for anchoring platinum nanoparticles using the well-known polyol reduction process along with Vulcan XC-72, GO and N doped GO for comparison purposes and further characterized by XRD, TGA, TEM and CV. Pt/GO-RGD showed the highest hydrogen adsorption/desorption peaks with large areas under them indicating increased number of available Pt catalyst active sites for charge transfer which in turn gave high ECSA value of 147 m2/g about 83% higher than synthesized Pt/Vulcan XC-72 (80 m2/g) and 48% higher than Pt/GO (99 m2/g) which can be attributed to smaller Pt nanoparticles' size with homogeneous distribution on the support material with large surface area to anchor metal nanoparticles. While the runner-up in ECSA values was Pt/GO-NH2 (130 m2/g) due to small Pt nanoparticles' size (3.9 nm) with excellent dispersion as evidenced by TEM which increased the Pt utilization. These results showed that the as-synthesized Pt/f-GO are promising electrocatalysts for high performance PEM fuel cells which would be the future task of our investigation. This concluded the first part of our work. Secondly, graphene oxide was modified via non-covalent functionalization with incorporation of polypyrrole/carbon nanocomposite by solution intercalation to yield hybrid nanocomposite. Subsequently, Pt nanoparticles were reduced on the catalyst supports i.e. graphene oxide (GO), polypyrrole/carbon black nanocomposite (PPy/CB) and polypyrrole/carbon black/graphene oxide hybrid nanocomposite by three different methods based upon modified polyol process to see their effects on the size of Pt nanoparticles, their dispersion on supports and electrocatalytic activity by employing different characterization techniques such as XRD, TGA, TEM, and CV. Method 2 i.e. modified polyol process with FeCl3 proved to be the best among the three compared methods owing to the utilization of FeCl3 which acted as an effective stabilizer and retardant in the Pt seed growth leading to smaller particle size with high surface area available for electrocatalytic activity. While the hybrid nanocomposite support i.e. Pt/PPy/CB/GO synthesized by the method 2 showed the highest ECSA value of 153 m2/g about 30% higher than Pt/PPy/CB (117 m2/g) and 20% higher than Pt/GO (128 m2/g). The improved electrocatalytic activity of Pt loaded hybrid nanocomposite as compared to other supports could be explained due to the increased electrical conductivity, increased number of charge carriers with their free mobility. Since the oxygen containing groups which acted as insulators, were partially reduced during Pt synthesis on the hybrid nanocomposite, which resulted in less resistance for electron and mass transfer. In addition to this, the inclusion of PPy/CB into layers of GO inhibited the aggregation of graphene sheets during partial reduction of GO which in turn provided large surface area for uniformly distributing Pt nanoparticles on the heterogeneous nucleation sites formed by the PPy/CB. Thus Pt loaded hybrid nanocomposite synthesized by method 2 could serve as potential candidate for PEM fuel cell application which would be our future task of investigation. This concluded the second part of our work.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    752152

    Graphene based materials obtained from graphite and polyacrylonitrile based carbon fiber for energy storage and conversion systems

    Enerji depolama ve dönüşüm sistemleri için grafit ve poliakrilonitril esaslı karbon fiberden grafen tabanlı malzemelerin üretilmesi

    MEHMET GİRAY ERSÖZOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ

    PROF. DR. YÜCEL ŞAHİN

  2. Tez No

    836418

    Development of graphene oxide based functional materials

    Grafen oksit içerikli fonksiyonel malzemelerin geliştirilmesi

    ÖZNUR DOĞAN KAVAK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    KimyaOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HARUN KOKU

  3. Tez No

    733296

    Elektrokimyasal sensör ile sularda pestisit tayini

    Determination of pesticides in waters with electrochemical sensor

    EBRU CEYLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    KimyaNecmettin Erbakan Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ TOR

    DOÇ. DR. AYTEKİN UZUNOĞLU

  4. Tez No

    709863

    Nanomaterials in macromolecular synthesis

    Makromoleküler yapıların sentezinde nanomalzemelerin kullanımı

    AZRA KOCAARSLAN AHMETALİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YUSUF YAĞCI

  5. Tez No

    823900

    Sustainable manufacturing of graphene-reinforced polypropylene composites by tailoring compound properties and process techniques

    Grafen takviyeli polipropilen kompozitlerin polimer işleme süreçlerine ve tekniklerine uygun olarak sürdürülebilir üretimi

    GÜLAYŞE ŞAHİN DÜNDAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Polimer Bilim ve TeknolojisiSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BURCU SANER OKAN

Geri Dön