Geri Dön

N-deposited carbon supported FeNi alloys as electrocatalysts for oxygen evolution reaction

Oksijen evrimi reaksiyonu için N-katılımlı karbon destekli FeNi alaşım elektrokatalizörleri

PDF İndir

  1. Tez No: 731291
  2. Yazar: AYLİN KINIK
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. UĞUR ÜNAL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 145

Özet

Su elektrolizi, su moleküllerini elektrik kullanarak oksijen (O2) ve hidrojen (H2) gazlarına ayrıştıran yenilenebilir bir enerji üretim yöntemidir. Üretilen H2 gazı enerji taşıyıcısı olarak kullanılırken O2 gazı yakıt pilleri gibi enerji dönüşüm sistemlerinde kullanılır. Su elektroliz sistemleri oksijen evrim reaksiyonunun (OER) meydana geldiği bir anot elektrotunden ve hidrojen oluşum reaksiyonu (HER) ve oksijen indirgeme reaksiyonunun (ORR) gerçekleştiği bir katot elektrotundan oluşur. OER, yavaş kinetiği nedeniyle genellikle su elektrolizinin verimliliğini sınırlayan reaksiyon olarak kabul edilir. Su elektroliz reaksiyonunun termodinamik potansiyeli 1,23 V'tur, ancak çeşitli aktivasyon bariyerleri nedeniyle daha yüksek bir potansiyele ihtiyaç vardır. Bu nedenle, yeni elektrokatalizörler için kapsamlı bir araştırma yapılmıştır. Bununla birlikte, zayıf kararlılıkları ve yüksek maliyetleri nedeniyle, nikel (Ni), demir (Fe), kobalt (Co) ve manganez (Mn) gibi birinci sıra geçiş metalleri, alkali ortamda OER için çok fazla dikkat çekmiştir. Ni metalinin korozyon direnci ve OER'ye karşı sünekliği sayesinde diğerlerinden üstün özellikler göstermiştir. Daha ileri araştırma çalışmaları, Ni ile Fe kombinasyonunun OER aktivitesini arttırdığını ortaya koymuştur. OER için karbon bazlı elektrokatalizörler, hem asidik hem de alkali elektrolitlerde iyi iletkenlikleri ve yüksek stabiliteleri sayesinde umut verici bulunmuştur. Daha sonra, metal veya nitrojen (N) katkılı karbon malzemelerin, artan dispersiyon sonucunda daha yüksek yüzey alanını ve aktif bölgele sayısına sahip olduğu sonucuna varılmıştır. Sonuç olarak, katalitik ara ürünlerin reaksiyona katılımı için ihtiyaç duyduğu enerji miktarı, N katkısının bir sonucu olarak yapısal kusurlar tarafından azalmıştır. Buna bağlı olarak poliakrilonitril (PAN), yapısındaki N atomları sayesinde avantajlı karbon desteği olarak sunulmuştur. PAN türevi karbon destekli elektrokatalizörler, literatürde bugüne kadar pahalı bir yöntem olan ve optimize edilmesi zor olan elektroeğirme yöntemi ile sentezlenmiştir. Son zamanlarda araştırma grubumuz tarafından daha kolay ve ucuz bir yöntem olarak“yerinde sentez”olan yeni bir sentez yaklaşımı önerilmiştir. Tezin ilk bölümünde, ucuz ve kolay bir metot olan“yerinde sentez”yöntemi ile tek metal esaslı (Ni) PAN türevi karbon destekli elektrokatalizörler sentezlenmiştir. Daha sonra bu malzemelerin yapısı karakterize edilmiş ve elektrokimyasal karakterizasyon yöntemleri ile OER aktivitesi araştırılmıştır. Ek olarak, daha küçük nanopartiküllerin oluşumunu gözlemlemek için 2-2'-bipiridin ve etilendiamin gibi farklı şelatlama ajanları kullanarak şelatlama etkisi incelenmiştir. Tezin ikinci bölümünde, bimetalik sistemler (yani alaşımlar)“yerinde sentez”yöntemiyle farklı Ni ve Fe oranlarında sentezlenmiştir. Fe ve Ni arasındaki ilişkiyi ve bunların OER aktivitesi üzerindeki etkisini incelemek için yapısal ve elektrokimyasal karakterizasyon yapılmıştır. Ayrıca, şelatlama etkisi en iyi sonuçlanan ajan incelenmiştir. Sonuç olarak, %40 Fe1:Ni1@NC-bipy örneği en az aşırı potansiyel, en küçük Tafel eğimi, en yüksek yüzey alanı, iyi kristallik ve homojen nanoparçacık dağılımı göstermiştir.

Özet (Çeviri)

Water electrolysis is a renewable energy production method that decomposes water molecules into oxygen (O2) and hydrogen (H2) gases by employing electricity. Released H2 is utilized as an energy carrier whereas O2 is used in the energy conversion systems such as fuel cells. Water electrolysis systems are composed of an anode electrode where an oxygen evolution reaction (OER) occurs and a cathode electrode that is responsible for the hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen reduction reaction (ORR). OER is often regarded as the main bottleneck of water electrolysis because of its sluggish kinetics which limits cell efficiency. The thermodynamic potential of the water electrolysis reaction is 1.23 V but there is a need for higher potential due to the various activation barriers. Thus, there has been extensive research for novel electrocatalysts. Noble metal-based oxides have been offered as promising candidates towards OER thanks to their superior activity. However, because of their poor stability and high cost, first-row transition metals such as nickel (Ni), iron (Fe), cobalt (Co), and manganese (Mn) have drawn a lot of attention for the OER in alkaline media. Ni showed superior properties among the others thanks to its corrosion resistance and ductility towards OER. Further research studies have revealed that the combination of Ni with Fe has increased the OER activity. Carbon-based electrocatalysts for OER have been found promising thanks to their good conductivity and high stability both in acidic and alkaline electrolytes. Later, it has been found that carbon materials with metal or nitrogen (N) doping have a higher surface area and the number of active sites as a result of the increasing dispersion. Consequently, uphill energy states of the catalytic intermediates have been decreased by the structural defects as a result of N doping. Accordingly, polyacrylonitrile (PAN) has been offered as advantageous carbon support due to N atoms in the structure. PAN-derived carbon-supported electrocatalysts have been synthesized via the electrospinning method in the literature up to date, which is an expensive method, and it is hard to optimize. Recently, a new synthesis approach which is“in-situ synthesis”has been proposed by our research group as an easier and inexpensive method. In the first part of this thesis, single metal-based (Ni) PAN-derived carbon-supported electrocatalysts were synthesized with the in-situ method which is a cheap and easy process. Then, the structures of these materials were characterized and investigated for OER activity with the electrochemical characterization methods. In addition, the chelating effect was examined using different chelating agents such as 2-2'-bipyridine and ethylenediamine, to observe the formation of the smaller nanoparticles. In the second part of the thesis, bimetallic systems (i.e. alloys) were synthesized in different ratios of Ni and Fe with the in-situ method. Structural and electrochemical characterizations were conducted to examine the relationship between Fe and Ni and their effect on the OER activity. In addition, the chelating effect was examined with the best resulting chelating agent. Consequently, 40% Fe1:Ni1@NC-bipy was exhibited the smallest overpotential, smallest Tafel slope, highest surface area, good crystallinity, and homogeneous dispersion of the nanoparticles.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    172195

    Electrochemical composite formation of thiophene and N-methylpyrolle onto carbon fiber microelectrodes and their characterizations

    Tiyofen ve N-metilpirolün karbonfiber mikroelektrot üzerine elektrokimyasal kompozit oluşturulması ve karakterizasyonu

    HÜLYA GEYİK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2006

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. SEZAİ SARAÇ

  2. Tez No

    721818

    Supercritical CO2 assisted preparation of Pt, PtCu, PtZn, PtCo and PtZnCo nanoparticles on various carbon aerogels as ORR electrocatalysts

    Başlık çevirisi yok

    ŞANSIM BENGİSU BARIM

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Kimya MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CAN ERKEY

  3. Tez No

    252983

    Çevre kirliliğinin izlenmesi için fiber-optik DNA biyosensörlerinin geliştirilmesi ve üretimi

    Fabrication and development of fiber-optic DNA biosensors for environmental monitoring

    ZEHRA BANU BAHŞİ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    BiyomühendislikGebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET KARPUZCU

  4. Tez No

    353796

    Gemlik körfezi çökellerinde ağır metal ve organik kirliliğin zaman içindeki evrimi

    Heavy metal and organic pollution and its temporal evolution in sediments of gemlik gulf

    GÜLÜM ALBUT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Jeoloji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEMET NAMIK ÇAĞATAY

  5. Tez No

    564757

    Kars yöresinde evcil kazlarda (anser anser) cryptosporidium türleri üzerine araştırmalar

    Kars yöresi̇nde evci̇l kazlarda cryptosporidium

    SİBEL ÇAĞATAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    ParazitolojiKafkas Üniversitesi

    Parazitoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BARIŞ SARI

Geri Dön