Designing metal-substituted WB2 and MoB2 asefficient bifunctional electrocatalysts for hydrogenand oxygen evolution reactions
Hidrojen ve oksijen oluşum reaksiyonları için verimli ve iki fonksiyonlumetal katkılı WB2 ve MoB2 elektrokatalizörlerin dizaynı
- Tez No: 764996
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT AYDEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 103
Özet
Son yıllarda, enerjiye olan ihtiyacın artması, çevresel problemler ve iklim değişiklikleri sebebiyle araştırmacılar yeni ekonomik katalizörler araştırmaya başlamıştır. Elde edilecek yeni işlevsel katalizörler sayesinde yenilenebilir enerji kaynaklarından saf enerji üretimi sağlanması amaçlanmaktadır. Geçiş metalleri temelli borürler, dikkate değer özellikleri sayesinde hem hidrojen hem de oksijen oluşum reaksiyonları (HER ve OER, sırasıyla) için iki işlevli ve çok iyi kararlılıkları sayesinde göz önünde bulunmaktadır. Önde gelen elektronik iletkenlikleri ve yüksek yoğunlukta bulunan aktif bölgeleri gibi özelliklerinin başlıca sebebi 3 boyutlu sistemlerinde bulunan 2 boyutlu katmanlı yapıyı sağlayan bor alt kümeleridir. Bu tez çalışmasında, farklı geçiş metalleri (Ni ve Co) ve konsantrasyon oranlarıyla (x = 0, 0.1, 0.2, ve 0.3 hatta MoB2 için daha fazla) katkılanmış, farklı iki alternatif yöntem ile sentezlenmiş (erimiş tuz ile asiste edilmiş ve karbotermal indirgeme yöntemi) metal katkılı WB2 ve MoB2 incelenmiştir. Amaç, kristal yapının ve morfolojinin kontrol edilerek, yüzeydeki elektronik yapının uygun hale getirilmesi ve yüzeye tutunma ve ayrılma özelliklerinin optimize edilmesidir. Sonuçlar göstermiştir ki erimiş tuz yardımıyla sentezlenen elektrokatalizörler hem OER hem HER için daha iyi özellik göstermiştir. Özellikle W0.8Co0.2B2/ms örneği, OER için 340 mV aşırıgerilimi ile 10 mA cm-2 akım yoğunluğuna ulaşırken, HER için 363 mV ile ulaşmıştır. Benzer olarak, Mo0.8Co0.2B2/ms elektrokatalizörü de 340 mV aşırıgerilimi ile OER ulaşırken, Mo0.9Ni0.1B2/ms örneği daha da iyi bir ilerleme göstererek sadece 220 mV ile HER performansı vermiştir. Bu incelemelere ek olarak, W0.8Co0.2B2/ms hem OER hem HER için 12 saat boyunca çok iyi bir kararlılık göstermiştir. Ancak, Mo0.9Ni0.1B2/ms elektrokimyasal performansını diğerlerine göre en az kaybederek 12 saat boyunca mükemmel bir HER kararlılığı göstermiştir. Sonuç olarak, nano boyuttaki tanecikler kontrol edilerek, örneklerdeki homojen dağılım sağlanarak ve metal diborürlerdeki katmanlı yap korunarak, erimiş tuz yardımıyla sentezlenen elektrokatalizörler; mikron yapıda bulunan ve farklı faz yapılarının oluşmasına olanak tanıyan karbotermal indirgeme yöntemi ile sentezlenenlere kıyasla gözle görülür şekilde iyi performans göstermiştir. Bu sonuçlara göre, katmanlı metal diborürler, verimli elektrokatalizörler olarak hidrojen ve oksijen oluşum reaksiyonları için kullanılma potansiyeline sahiptir.
Özet (Çeviri)
Over the past few years, the ever-increasing global energy demand, environmental problems, and climate change have fostered researchers to focus on designing economic and competent catalysts to produce pure energy originating from renewable energy sources. Transition metal diborides (TMDbs) have recently attracted the scientific community's attention because of their remarkable attributes as bifunctional catalysts for both oxygen and hydrogen evolution reactions (OER/HER) with excellent durability in alkaline media. The prominent features, such as superior electronic conductivity and a high density of active sites, are dominated in the 3D framework of MDbs due to the presence of due to the presence of borophene subunits as. In this thesis, metal substituted WB2 and MoB2 were investigated under the alkaline medium as promising electrocatalysts for OER/HER by comparing different substitution transition metals (Ni and Co), variety for concentration in the structure (x = 0, 0.1, 0.2, and 0.3 even higher for MoB2), and two alternative synthesis techniques (molten salt-assisted (ms) and carbothermal reduction (ct)). The aim was to control the crystal structure and morphology, and tailor the electronic structure to optimize adsorption-desorption features on the surface. The results unraveled a general fact that materials synthesized by the molten-salt technique turned to be relatively better catalysts toward OER/HER. In particular, W0.8Co0.2B2/ms demanded the lowest respective overpotentials of 340 and 363 mV to generate a current density of 10 mA cm-2 for OER/HER. While Mo0.8Co0.2B2/ms provided 340 mV to reach 10 mA cm-2 for OER, Mo0.9Ni0.1B2/ms ensured 220 mV overpotential for HER as a further improvement. Besides enhancement in overpotentials, W0.8Co0.2B2/ms displayed durability of 12 h against OER/HER. For MoB2 electrocatalysts, Mo0.9Ni0.1B2/ms showed excellent HER stability for 12 h. Thanks to controlling the nano-size of the particles, their homogeneous distribution throughout the samples, and keeping the layered structure for both metal diborides, the molten saltassisted technique led to electrocatalysts with better electrocatalytic activity compared to the carbothermal reduction. These results demonstrate that layered metal diborides possess great potential as electrocatalyst toward hydrogen and oxygen evolution reactions.
Benzer Tezler
- Synthesis and characterization of metal functional polybenzoxazines
Metal fonksiyonlu polibenzoksazinlerin sentezi ve karakterizasyonu
TUĞBA LEKESİZ ORHAN
Doktora
İngilizce
2014
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. JALE HACALOĞLU
PROF. DR. CEYHAN KAYRAN
- Tetra (2-naftiloksi) sübstitüe ftalosiyaninler
Novel (2-naphthyloxy) substituted phthalocyanines
İBRAHİM ÖZÇEŞMECİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2003
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ İHSAN OKUR
- Yeni ferrosenil naftokinon bileşiklerinin çoklu sensör özelliklerinin incelenmesi: Organik solventlerde su tayini ve seçici katyon bağlama
Investigation of multisensor applications of new ferrocenyl naphthoquione compounds: Determination of water in organic solvents and selective cation binding
METİN DAĞDEVREN
- Perovskit temelli güneş hücrelerinde kullanılacak ftalosiyanin türevlerinin sentezi ve fotovoltaik uygulamaları
Synthesis and photovoltaic applications of phthalocyanine derivatives in perovskite based solar cells
GİZEM GÜMÜŞGÖZ ÇELİK
- Doğal fenolik maddeler katılarak esterler ile kürleşen alkali fenolik reçinelerin sentezleri
Synthesis of ester curable alkali phenolic resins with the addition of natural phenolic substances
ALPER EMRE GÜVENDİK