Mesoporous materials for electrochemical energy conversion
Elektrokimyasal enerji dönüşümü için mezo gözenekli malzemeler
- Tez No: 752052
- Danışmanlar: DOÇ. SARP KAYA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Kimya Mühendisliği, Metalurji Mühendisliği, Chemistry, Chemical Engineering, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 159
Özet
Yenilenebilir hidrojen üretimini yaygınlaştırmak için hem hidrojen oluşum reaksiyonu (HER) hem de oksijen oluşum reaksiyonu (OER) için ucuz, bol ve kolay üretilebilir, yüksek verimliliğe ve kararlılığa sahip elektrokatalizörlere ihtiyaç vardır. Geçiş metali kalkojenitler ve oksitlerin, son yıllarda HER ve OER'i katalize etmek için umut verici ve çok yönlü malzemeler olduğu gösterilmiştir. Özellikle, NiS2 ve MoS2 gibi geçiş metal sülfürleri büyük potansiyel sunar, kusurlu yüzey ve kenar bölgesi bileşimleri, iletkenlikleri ve yüzey alanları HER'e yönelik elektrokimyasal aktiviteleri üzerinde önemli bir etki yaratır. Öte yandan, OER için karışık demir-nikel oksit bazlı elektrokatalizörler yoğun olarak çalışılmıştır. Kompozisyon, yapı ve morfolojiyi ayarlayarak gözenekli bir ağ ile metal oksit/sülfür nanoparçacıklarının mühendisliği, en aktif ve kararlı elektrokatalizörü keşfetmek için oldukça umut vericidir. Bu amaçla, bu çalışmada, mezogözenekli nikel sülfürler, karışık demir-nikel oksitler ve molibden sülfür/oksit ince filmler üretmek için yumuşak bir kalıplama yöntemi geliştirdik. Sentezlenen tüm malzemeler; bileşimlerini, morfolojilerini ve yapılarını belirlemek için gelişmiş karakterizasyon araçlarıyla araştırıldı. Yumuşak şablonlama yöntemimiz, başlangıç bileşimlerini değiştirerek mezogözenekli NiS2, Ni3S2, NiS, Ni7S6 ve karışık bileşimlerin üretilmesini sağladı. Nikel sülfürlerin performansları, hem asidik hem de alkali elektrolitlerde HER'e karşı test edildi. Gelişmiş malzeme karakterizasyon araçlarıyla numunelerin izlenmesiyle yapılan elektrokimyasal testler, mezogözenekli nikel sülfürlerin, alkali elektrolitte HER altında mezogözenekli yapının çökmesi ile üstün aktif kükürt eksikliği olan nikel sülfüre dönüşen ön katalizör görevi gördüğünü ortaya koymaktadır. Benzer bir gözlem, OER için mezo gözenekli NiS2'nin elektrokimyasal testlerinde gözlendi. NiS2, OER sırasında pozitif voltaj altında Ni(OH)2'ye dönüştürüldü. Alkali elektrolitlerde OER için Ni/Fe başlangıç oranları değiştirerek mezogözenekli NiFeOx, NiFe2O4 ve Fe2O3 ince filmleri ayarlanabilir bileşimlerle sentezledik. Elektrotların aktivitelerin analizinde, oksijen oluşumu aktivitesinde NiFeOx oluşumuna sebep olan %5 Fe içeriğinin altında en yüksek performans gözlemlendi, ve Fe içeriğinin artmasıyla OER aktivitesinin azaldığı tespit edildi. NiFe2O4 oluşumu, OER aktivitesini azalttı, ancak karışık metal oksit, saf faz NiO veya Fe2O3'ten önemli ölçüde daha aktiftir. Elektrokatalizör yüzeyinde KOH elektrolitinden gelen Fe safsızlıkların depolandığı ve Ni bazlı elektrokatalizörün OER aktivitesini arttırdığı anlaşıldı. Elektrokimyasal test sonuçlarının dikkatli bir şekilde karşılaştırılmasıyla, NiO kristallerindeki Fe atomlarının, Fe kaplanan Ni bazlı metal oksit elektrokatalizörüne kıyasla OER aktivitesini önemli ölçüde artırdığı bulundu. Ayrıca asidik ortamda HER için mezogözenekli MoS3-MoS2-MoO3 ince filmler üretmek için küçük modifikasyonlarla yumuşak şablonlama stratejisini uyguladık. Test sonrası yapı ve aktivite analizi ile, mezo gözenekli yapıdaki MoS3, elektrokimyasal olarak daha aktif MoS2'ye indirgendi. Genel olarak, yumuşak şablonlama stratejisi, entegre bir film yapısına sahip ucuz ve verimli bir elektrokatalizör geliştirmek için kolay ve ölçeklenebilir bir üretim yöntemidir. Ek olarak, elektrokatalizörlerin mezogözenekli yapısı, yapı-aktivite ilişkisini, yüzey bileşimindeki veya morfolojisindeki değişiklikleri ve ultra küçük kristal boyutlarına sahip yüksek yüzey alanı nedeniyle elektrokatalizörlerin dayanıklılığını anlama konusunda fikir verir.
Özet (Çeviri)
Cheap, abundant, and easily manufactured electrocatalysts with high efficiency and stability are required for both hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER) to make renewable hydrogen production widespread. Transition metal chalcogenides and oxides have shown to be promising and versatile materials for catalyzing HER and OER in recent decades. Specifically, transition metal sulfides such as NiS2 and MoS2 offer great potential, their defective surface and edge site compositions, conductivities, and surface areas impose a significant effect on their electrochemical activities towards HER. On the other hand, mixed iron-nickel oxide based electrocatalysts have been intensively studied for OER. Engineering of abundant metal oxide/sulfide nanoparticles with a porous network by tuning the composition, structure, and morphology is highly promising to explore the most active and stable electrocatalyst. For this purpose, in this study, we developed a soft templating method to produce mesoporous nickel sulfides, mixed iron-nickel oxides, and molybdenum sulfide/oxide thin films. All synthesized materials were investigated by advanced characterization tools to identify their compositions, morphologies, and structures. Our soft templating method enables the production of mesoporous NiS2, Ni3S2, NiS, Ni7S6, and mixed compositions by altering the starting precursor compositions. The performances of nickel sulfides were tested towards HER in both acidic and alkaline electrolytes. Electrochemical tests with tracking the samples by ex-situ advanced material characterization tools reveal that mesoporous nickel sulfides act as pre-catalyst that transforms into superior active sulfur deficient nickel sulfide with the collapse of the mesoporous structure under HER in an alkaline electrolyte. A similar observation was observed in electrochemical tests of mesoporous NiS2 for OER. NiS2 was converted to Ni(OH)2 under a positive bias during OER. We synthesized the mesoporous NiFeOx, NiFe2O4, and Fe2O3 thin films with tunable compositions by changing the Ni/Fe precursors for OER in alkaline electrolytes. In the analysis of intrinsic activities, a peak in oxygen evolution activity was observed below %5 Fe content, leading to the formation of NiFeOx, and it was noticed that futher Fe content decreases OER activity. The formation of NiFe2O4 slightly decreased OER activity, but mixed metal oxide was substantially more active than the pure NiO or Fe2O3. Fe impurities in KOH electrolyte electrochemical deposit on the electrocatalyst surface and enhance the OER activity of Ni-based electrocatalyst. With a cautious comparison of electrochemical tests results, Fe atoms in NiO lattice were found to boost OER activity substantially more compared to Fe deposition Ni-based metal oxide electrocatalyst. We also applied the soft templating strategy with minor modifications to produce mesoporous MoS3-MoS2-MoO3 thin films for HER in acidic media. With ex-situ analysis of structure and activity, MoS3 in the mesoporous framework was electrochemically reduced to more active MoS2. Overall, the soft templating strategy is a facile and scalable fabrication method to develop a cheap and efficient electrocatalyst with an integrated film structure. In addition, the mesoporous structure of electrocatalysts provides insights into understanding structure-activity relation, changes in the surface composition or morphology, and durability of electrocatalysts owing to the high surface area with ultra-small crystal sizes.
Benzer Tezler
- Fotoelektrokimyasal sistemler için ileri malzemeler geliştirilmesi: Üretim, karakterizasyon ve sistem entegrasyonu
Development of advanced materials for photoelectrochemical systems: Production, characterization and integration
ALİHAN KUMTEPE
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Mühendislik BilimleriTOBB Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET SANKIR
- Glikoz ve insülin tayini için karbon destekli mezoporoz silika ve altın elektrotlar kullanılarak enzimatik ve aptamer temelli elektrokimyasal biyosensör geliştirilmesi
Development of enzymatic and aptamer-based electrochemical biosensors using carbon supported mesoporous silica and gold electrodes for the determination of glucose and insulin
ŞEVVAL KAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
BiyoteknolojiBilecik Şeyh Edebali ÜniversitesiBiyoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SAMET ŞAHİN
DOÇ. DR. VELİ ŞİMŞEK
- Development of metal and/or metal-oxide modified polymer and carbon based composite electrodes for electrochemical reduction of carbon dioxide and determination of antimony in real samples
Karbondioksidin elektrokimyasal indirgenmesi ve gerçek örneklerde antimon tayini için metal ve/veya metal oksit modifiye polimer ve karbon bazlı kompozit elektrotların geliştirilmesi
ŞEBNEM GÜL İLARSLAN
- 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
IRMAK KARAKAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER DAĞ
- Acid-salt-surfactant lyotropic liquid crystalline mesophases: Synthesis, characterization, and electrochemical properties of mesoporous M2P2O7 and M2- XM'XP2o7 (M and M'= MN(II), CO(II) and NI(II)) powders and films
Asit-tuz-yüzey aktif madde liyotropik sıvı kristal arafazlar: Mezogözenekli M2P2O7 ve M2-XM'XP2o7 (M ve M'= MN(II), CO(II) ve NI(II)) tozlarının ve filmlerinin sentezi, karakterizasyonu ve elektrokimyasal davranışları
IŞIL ULU