Geri Dön

Synthesis & characterization of modified mesoporous LiMn2-xCoxO4 thin films as water oxidation electrocatalysts

Su oksidasyon elektro-katalizörü mezoporlu modifiye LiMn2-xCoxO4 ince filmlerin sentezi ve karakterizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 593608
  2. Yazar: IRMAK KARAKAYA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ÖMER DAĞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2019
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
  10. Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 120

Özet

Lityum geçiş metal oksitlerinin (LMO), enerji uygulamalarında büyük bir önemi vardır ve bu malzemelerin, suyun oksidasyon elektro-katalizörü olarak kullanılması da bu uygulamalardan bir tanesidir. Yüksek yüzey alanlarına sahip, mezoporlu LiMn2-xCoxO4 ince filmler, eriyik tuz destekli kendiliğinden oluşma (EDKO) metoduyla sentezlenebilir ve malzemeler doğal olarak daha fazla aktif yüzey bulundurur. Lityum, mangan(II), kobalt (II) nitrat tuzları, yüzey aktif maddeler olan CTAB ve P123 ve ek olarak nitrik asit ve etil alkol bulunduran homojen çözeltiler, dönel kaplama yöntemiyle bir substrat üzerine kaplanır ve liyotropik sıvı kristal (LSK) faz elde edilir ve bu faz, düşük açı X-ışını difraktometresi ile analiz edilebilir. Bu LSK faz, yüksek ısı ile oksitlenir ve mezoporlu LiMn2-xCoxO4 ince filmler sentezlenir. Kobalt x miktarı 0'dan 2'ye arttırılsa bile, malzemenin mezopor ve kristal yapısının korunduğu gözlenlenmiştir. İnce filmler, XRD, SEM, EDX, TEM, Azot adsorpsiyon teknikleri ile incelenmiştir. XRD tekniği, farklı orandaki malzemelerin spinel yapı oluşturduğu ve birim hücre parametrelerinin benzer olduğunu göstermiştir. LiMn2-xCoxO4 içindeki kobalt miktarının artmasıyla, malzemenin yüzey alanı 98'den 144 m2 g-1'a yükselmiştir. Ayrıca SEM tekniği ile de film kalınlıklarının 200 ile 500 nm arasında değiştiği gözlemlenmiştir. vi LSK faz yardımıyla elde edişen ince filmler, FTO camlarının üzerine de kaplanmış ve su oksidasyon elektro-katalizörü olarak, elektrokimyasal karakterizasyon deneylerinde kullanılmıştır. Tüm elektrotlar, verimli katalizörler olarak nitelendirilmiştir. Fakat malzeme, LiMn2O4'dan LiMnCoO4 oranına götürülünce, Tafel eğrisi de 124'den 66 mV dec-1'e düşmüştür ve bu durum 1 mA cm-2 akımdaki 491 mV'dan 294 mV'a olan ek potansiyel düşüşü ile kanıtlanmıştır. Aynı zamanda LiMnCoO4 oranlı malzeme katalitik verimi ile ve 120 mA cm-2 akımda bile bozulmayan yapısıyla rapor edilmiştir. Mezoporlu LiMn2O4 ince film, ardışık iyonik katman adsorpsiyonu ve reaksiyonu (SILAR) yöntemi ile modifiye edilmiştir. Elektrot, 1M kobalt çözeltisine batırma yöntemi ile yapılmış ve bunun aracılığıyla yüzeyi LiMn2-xCoxO4 kompozisyonu olan malzeme elde edilmiştir. Bu modifiye, Tafel eğrisi değerinin 127'den 80 mV dec-1'e inmesini sağlamış fakat elektrotların stabil olmadığı gözlenmiştir. 20% kobalt ve 80% mangan içeren LiMn2-xCoxO4, SILAR yöntemi için substrat olarak kullanılmış ve modifiye 5 kereye kadar yapılmıştor. Tafel eğrisi değeri 64'ten 46 mV dec-1'e düşürülmüş ve ek potansiyel değerleri de 1 mA cm-2 akımda 304'ten 265'e, 10 mA cm-2'de 826'dan 546 mV'a düşüşlerle ve elektrodun stabil yapısıyla gösterilmiştir.

Özet (Çeviri)

The lithiated transition metal oxides (LMO) are important group of materials in energy applications, particularly as water oxidation electrocatalysts. The mesoporous LiMn2-xCoxO4 thin film has been synthesized by using molten-salt assisted self assembly (MASA) method with a high surface area. Homogenous ethanol solution of nitrate salts (lithium, manganese(II) and cobalt(II)) and surfactants (CTAB and P123) in the presence of a small amount of HNO3 is coated over a glass substrate by spin-coating to form lyotropic liquid crystal (LLC) mesophase that is calcined at elevated temperature to synthesize disordered mesoporous LiMn2-xCoxO4 thin film. The mesophases display diffraction line(s) at small angles, indicating an ordered structure. The cobalt amount (x) has been varied from 0 to 2, keeping the same mesoporous and crystal structures. The films were characterized using XRD, SEM, EDX, TEM, N2 adsorption-desorption techniques. The XRD provided that the end products have a spinel structure with very similar unit cell parameters in all compositions. The surface areas of the films vary from 98 to 144 m2/g with increasing cobalt amount in the films. The SEM images showed that the thin films are uniform with a thickness of around 200-500 nm. The LLC mesophases have been also coated over FTO glass to fabricate electrode for oxygen evolution reaction (OER) and also for electrochemical characterizations. The electrodes prepared from all composition performed as good iv electrocatalysts, however the Tafel slope decreased from 124 to 66 mV dec-1 going from LiMn2O4 to LiMnCoO4. The overpotential also dropped from 491 mV to 294 mV at 1 mA cm-2 in water oxidation reaction. The LiMn2O4 is the worst electrocatalyst tested in this thesis. It has high Tafel slope, which is not desired and also not stable during electrochemical test. The stability improves with increasing cobalt in the films. The LiMnCoO4 has been reported to be one of the most efficient and stable electrocatalyst even if it is used 120 mA cm-2 current densities. Therefore, the electrode with this composition has been investigated in detail in an alkali media. The mesoporous LiMn2O4 thin film is modified by successive ionic layer adsorption and reaction (SILAR) method to improve its activity and stability. This electrode is dipped into a 1 M cobalt (II) solution, then washed several time to ensure a single layer of cobalt species on the surface, the modified electrode is calcined to produce cobalt rich LiMn2-xCoxO4 surface. Eventhough, the amount of cobalt in the modified electrode is smaller than 1 %, the modification decreased the Tafel slope from 127 to 80 mV dec-1, but the electrode was unstable during water oxidation process in alkali media. A range of LiMn2-xCoxO4 (x = 0 to 0.4) compounds were modified by the SILAR method and tested for OER. The mesoporous LiMn1.6Co0.4O4 (20 % cobalt and 80 % manganese) was used as the substrate and the SILAR method was employed 5-times, the Tafel slope of this electrode decreased from 64 to 46 mV dec-1 with an overpotential decrease from 304 to 265 mV at 1mA cm-2 and 826 to 546 mV at 10 mA cm-2 by modification and displayed a robust property in water oxidation process.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    402667

    High power 4.7 V nanostructured spinel lithium manganese nickel oxide lithium-ion battery cathode materials

    Başlık çevirisi yok

    MUHARREM KUNDURACI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2007

    KimyaRutgers, The State University of New Jersey-New Brunswick Campus

    PROF. GLENN G. AMATUCCI

  2. Tez No

    609856

    Synthesis and characterization of boron-acrylate/SBA-15 polymer composites

    Bor-akrilat/SBA-15 polimer kompozitlerinin sentez ve karakterizasyonu

    NARGIZ ALIYEVA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ERSİN SERHATLI

  3. Tez No

    297749

    Synthesis and characterization of mesoporous metal sulfide and metal selenide thin films using liquid crystalline mesophases

    Sıvı kristal mezofazları kullanarak mezogözenekli metal sülfür ve metal selenür ince film sentezi ve karakterizasyonu

    YURDANUR TÜRKER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Kimya Bölümü

    PROF. DR. ÖMER DAĞ

  4. Tez No

    762104

    Fonksiyonelleştirilmiş mezogözenekli malzemelerin sentezi, karakterizasyonu ve sentetik boyaların sulu çözeltilerden gideriminde kullanımı

    Synthesis and characterization of functionalized mesoporous materials and their use in the removal of synthetic dyes

    SUZAN ALBAYATI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Kimya MühendisliğiSelçuk Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MUKADDES CAN

  5. Tez No

    495975

    Synthesis and characterization of LiMPO4 (Mn(II), Fe(II), Co(II), Ni(II))

    Mezogözenekli LiMPO4'lerin (Mn(II), Fe(II), Co(II), Ni(II)) sentezleri ve karakterizasyonları

    TULUHAN OLCAYTO ÇOLAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖMER DAĞ

Geri Dön