Precisely controlled synthesis of reduced graphene oxide supported electrocatalysts for PEM fuel cells by pulsed photocatalytic deposition
PEM yakıt pilleri için grafen oksit destekli elektrokatalizörlerin atımlı fotokatalitik biriktirme ile kontrollü sentezi
- Tez No: 720695
- Danışmanlar: Prof. Dr. SELMİYE ALKAN GÜRSEL, DR. BEGÜM YARAR KAPLAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 114
Özet
Son on yılda, bilim adamları özellikle bataryalar ve polimer elektrolit membran (PEM) yakıt pillerinin yüksek üretim maliyetini düşürme konusunda çalışmaktadır. PEM yakıt pillerinin en önemli bileşenlerinden biri katalizör tabakasıdır (CL). PEM yakıt pillerinde CL, karbon destek malzeme üzerinde Pt esaslı parçacıkları içermektedir. Karbon siyahı (CB)/Pt, hidrojen yükseltgenme reaksiyonu (HOR) ve oksijen indirgeme reaksiyonu (ORR) için umut verici bir elektrokimyasal performans gösterse de, PEM yakıt pillerinin zorlu çalışma ortamında bu karbon bazlı elektrokatalizörler korozyona eğilim göstermektedir ve bu da performans kaybına sebep olmaktadır. CL hazırlamada karbon siyahının yerini alacak umut vadeden alternatiflerden biri, grafen esaslı desteklerdir. Bu tez çalışmasının ilk bölümünde, grafen esaslı destekler üzerinde biriken Pt elektrokatalizörlerin sentezi için atımlı UV düzeneği kullanılmıştır ve elelektrokimyasal özelliklerini kontrol etmede yeni bir yaklaşım sunulmuştur. İkinci kısımda, UVon ve UVoff periyotlarının değişimi ile bir dizi farklı yapı, bileşim ve aktiviteye sahip elektrokatalizörler elde edilmiştir. Sonuçlar, çoğunlukla metalik halde olan Pt parçacıklarının baskın bir büyüme ve çökme fazının hem UVon hem de UVoff zamanının artırılarak elde edilebileceğini ortaya çıkarmıştır. Ek olarak elde edilen elektrokatalizörler yüksek derişimli askorbik asit ile indirgenerek daha fazla metalik Pt (Pt0) ve daha yüksek elektrokimyasal aktivitelere sahip katalizörler elde edilerek önerilen mekanizmalar doğrulanmaya çalışılmıştır. İkinci bölümün geri kalanında, çeşitli tipte Pt partikül boyutu, morfolojisi ve dağılımı ile sonuçlanan kısmen indirgenmiş grafen oksit (PRGO) üzerinde Pt birikmesine yardımcı olmak için bir dizi geçiş metal iyonu, Co+2, Ni+2 veya Fe+2 kullanımına odaklanılmıştır. Delik süpürücüler ile PRGO parçacıkları veya su molekülleri arasındaki farklı etkileşimler, Pt+4 indirgenmesine etki eden ana parametredir. Elektrokatalizörlerin yapısal ve elektrokimyasal özellikleri incelendiğinde kobalt esaslı delik süpürücünün kullanılması ile tercih edilen pozisyonlarda Pt büyüme fazının baskın olduğu ve böylelikle daha iyi elektrokimyasal aktivite elde edilidiği görülmüştür (ECSA değeri Co+2 için 195.91 m2.g-1, metanol için 152.01 m2 g-1). Üçüncü bölüm, hazırlanan elektrokatalizörlerin özelliklerinin değerlendirilmesi için hesaplamalı yöntemlerden; sinir ağı algoritması ile döngüsel voltametri verileri ya da grafen esaslı elektrokatalizörlerde H2 adsorpsiyonunun DFT hesaplaması modellemesi kullanılmıştır. Sinir ağı modellemesi sonuçları önerilen oldukça kontrol edilebilir bir yöntem ile sentezlenen elektrokatalizörlerin elektrokimyasal özelliklerinin sentezden önce tahmin edilebilirliğini göstermiştir. Quantum-Espresso kodlamısı ile yapılan DFT hesaplaması, grafen düzleminde oksijen fonksiyonel gruplarının varlığının yalnızca biriken Pt parçacıklarının kristal yapısını etkilemediğini, aynı zamanda Pt yüzeyinde H2 moleküllerinin adsorpsiyonunu da engellediğini ortaya koymuştur.
Özet (Çeviri)
has almost been a decade that scientists have been trying to address the shortcomings of batteries and polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells in production cost. One of the most important parts of the PEM fuel cells is its catalyst layer, CL. The CL of PEM fuel cells consists of Pt-based particles deposited on a carbon support. Although carbon black (CB)/Pt shows a promising electrochemical performance for hydrogen oxidation reaction (HOR) and oxygen reduction reaction (ORR), its vulnerability to the PEM fuel cells' harsh environment has made this carbon-based electrocatalysts very sensitive to corrosion, and performance loss. One of the promising candidates to replace carbon black in CL preparation seemed to be graphene-based support. This study demonstrated the capability of a novel method in controlling the structural and electrochemical properties of electrocatalysts deposited on graphene-based supports, utilizing a pulsed-UV setup for the synthesis procedure. In the second chapter, the variation of UVon and UVoff periods resulted in samples with a range of different structures, compositions, and activities. The results revealed a dominant growth and agglomeration phase of Pt particles, mostly with metallic states, by increasing both UVon and Uoff time spontaneously. Further chemical reduction by highly concentrated ascorbic acid was used to confirm proposed mechanisms, which lead to samples even with more metallic Pt (Pt0) and higher electrochemical activities. The rest of the second chapter focused on utilizing a series of transition metal ions, Co2+, Ni2+ or Fe2+, to assist the deposition of Pt on PRGO planes that resulted in various types of Pt particles size, morphologies and distribution. Different interactions between hole scavengers and PRGO particles or water molecules, was the main parameter that modulated the Pt4+ reduction. The structural and electrochemical properties of electrocatalysts revealed that utilizing the cobalt-based hole scavenger, caused a dominant growth phase of Pt particles at preferred positions, with improved electrocatalytic activities (ECSA value of 195.91 m2.g-1 for Co2+ vs. 152.01 m2.g-1 for methanol). The third chapter includes the computational methods in evaluating the properties of the samples by modelling either the cyclic voltammetry data with a neural network algorithm or DFT calculation of H2 adsorption on graphene-based electrocatalysts. The result of the neural network modelling demonstrated the potential of the proposed method in designing a highly controllable synthesis procedure by which the electrochemical properties of the electrocatalysts could be predictable before the synthesis. The DFT calculation by the Quantum-Espresso code revealed that the existence of oxygen functional groups on graphene plane not only affects the crystal structure of deposited Pt particles, but also hinders the adsorption of H2 molecules on Pt surface.
Benzer Tezler
- Lityum iyon piller için yazdırılabilir NMC katot mürekkeplerinin sentezi
Synthesis of printable NMC cathodes for lithium ion batteries
FATMA SENA TUNCA
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
EnerjiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MAHMUD TOKUR
- Continious-flow photocatalytic reactor for the percisely controlled depositionof metallic nanoparticles
Metaliknanoparçacıkların tam kontrollü biriktirilmesi için kullanılan sürekli akışlı fotokatalitik bir reaktör
MIRSAJJAD MOUSAVI
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Metalurji MühendisliğiSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SELMİYE ALKAN GÜRSEL
- Production of carbon nanotube reinforced nanoprepregs and their characterization
Karbon nanotüp takviyeli nanoprepreglerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
BEYZA BOZALİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ELİF ÖZDEN YENİGÜN
- Mn2(CO)10 based visible-light photo initiating systems for distinct macromolecular structures
Farklı makromoleküler yapıların sentezi için Mn2(CO)10 temelli görünür bölge fotobaşlatıcı sistemler
MUSTAFA ÇİFTÇİ
- Swelling dynamics and thermomechanical properties of multifunctional hybrid systems based on N-alkyl methacrylate esters
N-alkil metakrilat ester-esaslı çok fonksiyonel hibrit sistemlerin şişme dinamikleri ve termomekanik özellikleri
RABİA BOZBAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NERMİN ORAKDÖĞEN