Investigation of performance losses in microbial fuel cells with low platinum loadings on air-cathodes
Hava katotlarında düşük platin yüklemelerine sahip mikrobiyal yakıt hücrelerinin performans kayıplarının incelenmesi
- Tez No: 676697
- Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN BERMEK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Biotechnology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 71
Özet
Mikrobiyal yakıt hücreleri (MYH), mikroorganizmaların katalitik aktivitelerini kullanarak biyobozunabilen organik maddelerdeki kimyasal enerjiyi direkt olarak elektrik enerjisine dönüştürebilen biyoelektrokimyasal sistemlerdir. MYH'lerin çalışma prensibi, anotta bir elektron vericisinin elektrot yüzeyinde genellikle biyofilm formunda bulunan ekzoelektrojenik mikroorganizmalar tarafından yükseltgenme ve katotta bir elektron alıcısının indirgenme yarı reaksiyonlarına dayalıdır. Katot elektrodunda uygulanan elektron alıcıları arasında oksijen; çok bulunan bir kaynak olması, diğer kimyasal elektron alıcılarının aksine sık yenileme gerektirmemesi ve dolayısıyla operasyon için ek bir maliyete sebep olmaması açısından yaygın olarak tercih edilmektedir. Ayrıca, kattotaki oksijen indirgenme reaksiyonunun ana ürünü olarak su, birçok kimyasal elektron alıcısının indirgenme reaksiyonundan oluşan çözünmeyen ana ürünlerinin aksine çevreye zararsızdır ve oksijen indirgenme yarı reaksiyonunun teorik olarak yüksek redoks potansiyeli MYH için de yüksek bir potansiyel sağlamaktadır. Elektron alıcısı olarak oksijen kullanan sistemler için; bir yüzü havaya direkt olarak açık, diğer yüzü ise sıvı elektrolit ile temasta olan hava katotlarına sahip tek odalı MYH dizaynları daha geleneksel olan iki odalı MYH'lerde katolitlerin havalandırma ihtiyacını ortadan kaldırmış ve MYH operasyonunu daha kolay bir hale getirmiştir. MYH'lerde çeşitli formlardaki karbon malzemeleri ucuzluklarından ve yüksek iletkenliklerinden dolayı elektrotlar için sıklıkla tercih edilmekte olup, oksijen indirgenme reaksiyonunun kinetiği karbon ve grafit bazlı katotlarda oldukça yavaştır. Bu durum, katot yapısına oksijen indirgenme reaksiyonu için aktivasyon enerjisi bariyerini aşabilecek, reaksiyon hızını ve dolayısıyla hücrede elde edilen akımları arttırabilecek bir katalizör dahil edilmesini gerektirmektedir. Platin (Pt), oksijen indirgenme reaksiyonu için aktivasyon enerjisini düşürmek amacıyla yaygın olarak kullanılan soy metal bazlı bir katalizördür. Nadir bulunurluğuna ve yüksek fiyatına karşın, platinin oksijen indirgenme reaksiyonuna karşı aktivitesi yüksektir ve MYH'lerde platine alternatif olabilecek daha ucuz malzemelerden elde edilen katalizörleri inceleyen çoğu çalışmada en iyi performans gösteren katalizör olmayı sürdürmektedir. Dolayısıyla, yüksek performanslı platinin katotta kullanımını performansta çok belirgin kayıplar olmayacak şekilde daha düşük yüklemelere indirgemek MYH maliyetlerini azaltmak için uygun bir yaklaşımdır. MYH'lerde elde edilen voltajı ve dolayısıyla performansı düşüren ana etmenler sistemde mevcut olan aktivasyon, ohmik ve kütle transferi engelleridir. Aktivasyon voltaj kayıpları, elektrotlarda elektron transfer hızını etkileyen katalizör, biyokatalizör, sıcaklık gibi faktörler tarafından etkilenmekte olup; düşük akımlarda kendisini göstermektedir. Ohmik voltaj kayıpları, elektrolitin iyonik direncinden ve elektrotların elektronik direncinden kaynaklanmakta olup, daha çok orta akımlarda baskındır. Yüksek akımlarda ise, reaktantların elektrotlara sağlanma hızının yüksek elektron transfer hızına yetişememesinden dolayı kütle transferi voltaj kayıpları oluşmaktadır. Tüm bu kayıplar, hücre yada elektrot potansiyeline karşı elde edilen akım değerlerini gösteren bir polarizasyon eğrisinde voltaj cinsinden ifade edilebileceği gibi, bu olgulara tekabül eden dirençler cinsinden de ifade edilebilir. Yük transferi, ohmik ve difüzyon direnci olarak sıralanan bu ayrık dirençlerin toplamı; hücrenin ya da elektrodun iç direncini oluşturmaktadır. Polarizasyon eğrileri, yakıt hücrelerinin performansının karakterizasyonunda çok yaygın kullanılan bir araç olsa; aktivasyon, ohmik ve difüzyon olguları genellikle eğride çakışmaktadır ve bunlara denk gelen dirençlerin kantitatif olarak belirlenmesi mümkün olmamaktadır. Hücredeki veya elektrottaki kısıtlayıcı faktörlerin daha detaylı bir karakterizasyonu için, hücrenin veya elektrotların empedansları elektrokimyasal empedans spektroskopisi metodu ile geniş bir frekans aralığında incelenebilir. Bu metot ile elde edilen spektrumlarda; yük transferi, ohmik ve difüzyon prosesleri birbirlerinden yeterince uzak frekanslarda ortaya çıktıkları için bu metot iç direncin bu porsiyonlarını polarizasyon eğrilerine kıyasla daha net ayırt edebilmektedir. Bu çalışmada, hava katotlarındaki 0 ile 0.5 mg/cm2 arasında değişen Pt yüklemelerinin tek odalı MYH performansına ve katot empedansına olan etkileri değerlendirilmiştir. MYH testlerinde, kıyas Pt yüklemesi olan 0.5 mg/cm2'yi 5 misli veya daha fazla azaltmak, maksimum güç yoğunluğunda %38 veya daha fazla düşme ile sonuçlanmıştır. Polarizasyon deneyleri boyunca elde edilen Coulomb verimliliği aralığı, yükleme 0.5 mg/cm2'den 0.05 mg/cm2'ye kadar azaltıldığında neredeyse etkilenmemiş (~%15-33), fakat yükleme 0 ile 0.03 mg Pt/cm2 arasında olduğunda düşmüştür (~%9-20). Azaltılan yüklemeler ile katot açık devre potansiyelindeki düşüş 0.03 mg Pt/cm2'ye kadar küçük (0.5 mg Pt/cm2 için 560 mV ve 0.03 mg Pt/cm2 için 531 mV, standart hidrojen elektroduna karşı), fakat yükleme daha da azaltılarak 0.01 mg Pt/cm2 ve sıfır yapıldığında belirgin olmuştur (sırasıyla 397 mV ve 387 mV, standart hidrojen elektroduna karşı). Katotların empedans ölçümleri hem yük transferi direncinin hem de difüzyon direncinin katotlarda azalan katalizör yüklemeleri ile arttığını ortaya çıkarmıştır. 0.5 mg Pt/cm2 yüklemeye sahip katodun 6.8 Ω olan yük transferi direnci, yükleme 0.1 ile 0.03 mg/m2 arasına indirildiğinde az bir miktarda artarak 13.8 Ω ile 18.6 Ω arasına ulaşmıştır. 0.03 mg Pt/cm2'nin altında, yük transfer direncinin 0.01 mg Pt/cm2 katodu ve platinsiz katot için 63 ve 76 Ω'a yükselen belirgin artışı, 0.03 mg/cm2'nin kinetik engellerin çok fazla sorun olmadığı ve bundan daha düşük yüklemelere kıyasla büyük oranda aşılabilir olduğu minimum Pt yüklemesi olarak kabul edilebileceğini öne sürmüştür. Yük transferi direncine kıyasla, difüzyon direncinin 0.03 ve 0.5 mg/cm2 yüklemeleri arasında daha önemli ölçüde farklılık gösterdiği ve dolayısıyla katotların iç direncini değiştiren ana etmen olduğu bulunmuştur. Difüzyon direncindeki belirgin değişimlere büyük olasılıkla Pt yüklemeleri ile eş zamanlı olarak değişen ve katalizör katmanlarında kütle transferini etkileyen kalınlık ve iyonomer yüklemeleri gibi faktörler neden olmuştur. Katotların iç direncindeki elementlerin dağılımı incelendiğinde, 0 ve 0.01 mg Pt/cm2 yüklemeli katotlar için ohmik ve yük transferinden gelen katkıların birbirine yakın olduğu ve en büyük katkı sağlayan dirençsel elementin, toplam direncin sırasıyla %46 ve %48'ini oluşturan difüzyon direnci olduğu görülmüştür. Katodu minimal bir Pt yüklemesi ile yüklemek (0.01 mg Pt/cm2), yüksüz katodun iç direncindeki yük transferi katkısını %28'den %23'e düşürürken; 0.03 mg Pt/cm2 ile yüklemek daha belirgin bir düşüş sağlayıp katkıyı %11'e indirmiştir. 0.03 mg Pt/cm2'den daha yüksek yüklemeler için, katotların yük transferi direncinin iç dirence oranı %9 ile %15 arasında değişmiş ve yük transferi direnci, bu ve bundan daha yüksek yüklemeye sahip katotlar için en düşük katkıyı yapan element olmuştur. 0.03 mg Pt/cm2 yüklemesine sahip katodun ohmik ve difüzyon direnci katkıları hemen hemen birbirine eşitken, yükleme arttıkça iç dirençteki difüzyon yüzdesi azalmış ve çalışmadaki en yüksek yüklemeleli katotlar için (0.1 ve 0.5 mg Pt/cm2) nihayetinde iç direnç, ohmik olarak baskın hale gelmiştir.
Özet (Çeviri)
Microbial fuel cells (MFCs) are bioelectrochemical systems that directly convert chemical energy stored in biodegradable organic matter to electricity by using catalytic activity of microorganisms. The working principle of an MFC is based on biocatalytic oxidation of the fuel/electron donor at the anode and a reduction reaction of an electron acceptor at the cathode. Among the cathodic electron acceptors, oxygen is a widely preferred choice since it is a highly available source which does not require frequent replacement or regeneration unlike other chemical electron acceptors and therefore does not add extra cost to operation. Furthermore; water, as the main end product of the cathodic reaction with oxygen, is harmless to the environment unlike some insoluble end products of other electron acceptors. High standard redox potential of oxygen also provides a theoretically high potential for the cell. Among the systems that employ oxygen as electron acceptor, single chamber designs with cathodes open to the air allow a simplified MFC operation by allowing passive oxygen transfer from air and eliminating the need for aeration of aqueous cathodes used in double chamber systems. However, low kinetic rate of oxygen reduction reaction (ORR) occurring at the surface of commonly used carbon or graphite electrodes necessitates the use of an electrocatalyst to lower the activation energy barrier and increase the current output of MFCs. Platinum (Pt) is a widely used noble-metal based catalyst at cathodes to decrease activation energy barrier for ORR. Despite its scarcity and high cost, Pt has a high activity towards ORR and it remains to be the best performing catalyst in the majority of the MFC studies examining alternative catalysts to Pt from cheaper materials. Reducing the use of high performing Pt to lower loadings on cathodes without significant loss in performance is therefore a suitable approach to decrease MFC costs. In this study, the effect of Pt loadings of air-cathodes in the 0-0.5 mg/cm2 range on single chamber MFC performance and cathode impedance was evaluated. In MFC tests, reducing benchmarking Pt loading of 0.5 mg/cm2 by a factor of 5 or more resulted in a 38% or higher decrease in maximum power density. Coulombic efficiency range obtained throughout the polarization experiments were almost unaffected when the loading was reduced from 0.5 to 0.05 mg/cm2 (~15-33%), but it was lower (~9-20%) when the loadings were between 0 and 0.03 mg/cm2. The decrease in the cathode open circuit potential with reduced Pt loadings was small down to a catalyst loading of 0.03 mg Pt/cm2 (560 mV for 0.5 mg Pt/cm2 and 531 mV for 0.03 mg Pt/cm2 vs. standard hydrogen electrode), but was significant when the loading was further reduced to 0.01 mg Pt/cm2 or zero (397 and 387 mV vs. standard hydrogen electrode, respectively). Impedance measurements of cathodes revealed that both charge-transfer resistance and diffusion resistance increase with decreasing catalyst loadings on cathodes. Charge-transfer resistance of 6.8 Ω for 0.5 mg Pt/cm2 cathode increased to a small extent when loadings were reduced to 0.1-0.03 mg/cm2, yielding 13.8-18.6 Ω. Below 0.03 mg Pt/cm2, dramatic increase of charge-transfer resistance to 63 Ω and 76 Ω for 0.01 mg Pt/cm2 and bare cathodes suggested that 0.03 mg/cm2 can be considered as the minimum Pt loading for which kinetic limitations are not of great concern and can be overcome to a large extent compared to lower loadings. In comparison to charge-transfer resistance, diffusion resistance was found to differ more significantly between the loadings of 0.03 and 0.5 mg Pt/cm2; and it was therefore the main component that changed the internal resistance of these cathodes, presumably due to structural differences such as thickness and ionomer loading affecting mass transfer in catalyst layers.
Benzer Tezler
- Mikrobiyal yakıt hücreleri ile çöp sızıntı suları arıtımının ve elektrik üretiminin incelenmesi
Investigation of leachate treatment and electrıcity generation with microbial fuel cells
ÖMER FARUK COŞKUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Kimya MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMİZ GÜLTEKİN AKAY
- Kekik ve kakule esansiyel yağlarının antifungal etkisinin araştırılması
Investigation of antifungal effect of thyme and cardamom essential oils
HİLAL NUR YAVUZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HATİCE FUNDA KARBANCIOĞLU GÜLER
- An experimental and numerical investigation of immersion cooled blue LED combined with yag:ce phosphor for thermal, electrical and optical performance
Termal, elektriksel ve optik performans için yag:ce fosfor ile birleştirilmiş sıvı soğutmalı mavi LED'in deneysel ve nümerik olarak incelenmesi
CEREN CENGİZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ARIK
- Hermetik kompresörlerde krank yatak tasarımının sürtünme kayıplarına etkisinin incelenmesi
An investigation of the effect of crank shaft bearing design on the frictional losses in hermetic reciprocating compressors
AHMET BURAK TOP
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEYHAN UYGUR ONBAŞIOĞLU
- Numerical investigation of performance parameters and effect of cooling of pem type fuel cells with nanofluids
Pem tipi yakıt hücrelerinin performans parametrelerinin ve nanoakışkanlar ile soğutulmasının etkisinin sayısal olarak incelenmesi
BATUKAN CEM TARHAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Makine MühendisliğiAnkara Yıldırım Beyazıt ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ KEMAL BİLEN