Electrochemical investigations on functionalized 2D graphene, molybdenum disulfide, and nickel sulfide
2 boyutlu işlevselleştirilmiş grafen, molibden disülfit, ve nikel sülfit üzerinde elektrokimyasal araştırmalar
- Tez No: 767825
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SARP KAYA
- Tez Türü: Doktora
- 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: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 186
Özet
Elektrokimyasal temelli enerji üretimi ve depolama tekniklerinin yaygın olarak uygulanması, fosil yakıtların sürekli kullanımından kaynaklanan sorunları ele almak için vazgeçilmez bir stratejidir. Elektrokimyasal temelli cihazlarda elektrot olarak kullanılacak en iyi adayları on yıllar boyunca aradıktan sonra, elektrokimyacılar, mekanizmalar, reaksiyon bölgesi ve operando koşulları altında elektrot değişiklikleri gibi elektrokimyasal reaksiyonların ayrıntılarını araştırmaya başladılar. Bu konularla ilgili paha biçilmez bulgulara rağmen, hala cevaplanmamış önemli sorular var. 2 boyutlu malzemeler, aktif elektrotlar tasarlamak için benzersiz özellikler sağlar. Bu malzemelerin özel yapısı işlevselleştirme için çok sayıda yer sunar. Bunun neticesinde, yüzey morfolojileri, elektronik yapı, taşıyıcı konsantrasyonu, yük transfer verimliliği vb. gibi elektrokimyasal olarak temel özelliklerin değiştirmesi mümkün hale gelir. Sonuç olarak, geliştirilmiş elektrokimyasal aktivitelere sahip yeni elektrotlar tasarlamak mümkündür. Bu tezde, elektrokimyasal reaksiyonlar sırasında elektrotlarda olan değişiklikleri incelemek için çeşitli fiziksel ve elektrokimyasal karakterizasyon teknikleri ile birleştirilmiş 2 boyutlu malzemelerin benzersiz özelliklerinden yararlanmıştır. Ek olarak, çok sayıda aktif sitenin mevcudiyeti ve bu sitelerin erişilebilirliğinin yüzeye duyarlı karakterizasyon yöntemleriyle birleştirilmesi, elektrokimyasal reaksiyonların ayrıntılı olarak çalışılması için istisnai koşullar sağlar. Bu konu, elektrokimyasal ölçümler sırasında elektrotların yapısal ve bileşimsel değişiklikleri hakkındaki son bulgularla büyük önem kazanmıştır. Bu tezde, elektrokimyasal reaksiyonlar sırasında elektrot malzemelerindeki değişiklikleri incelemek için çeşitli fiziksel ve elektrokimyasal karakterizasyon teknikleri ile birlikte 2D Grafen, MoS2 ve NiSx'in benzersiz özellikleri kullanılmıştır. Çalışmanın ilk kısmı, en basit ve en iyi bilinen 2D malzeme olan grafen üzerine odaklanmıştır. N-katkılaman'ın, grafenin oksijen indirgeme reaksiyonuna (ORR) yönelik elektrokimyasal aktivitesini önemli ölçüde arttırdığı gösterilmiştir. Farklı N konfigürasyonlarının N-katkılı grafenin aktivitesi üzerindeki etkisini inceledikten sonra, piridinik N'nin, tabakalar arasındaki etkileşimi modüle ederek iki tabakalı N-grafenin aktivitesini geliştirdiği gösterilmiştir. Pirrdinik N katkılı grafen içindeki artan π- π etkileşimi, katmanlar arasındaki elektron transfer kinetiğini desteklediği ve N katkılı çift katmanlı grafen için geliştirilmiş bir aktivite ile sonuçlandığı isbat edilmiştir. Farklı N konfigürasyonlarının, ORR esnasında rolünü daha iyi anlamak için, iki katmanlı bozulmamış ve N katkılı grafen, spektroelektrokimyasal Raman (SEC-Raman) tekniği ile araştırıldı. N katkı maddelerinin konfigürasyonuna bağlı olarak, H/OH ve O2 gruplarının adsorpsiyonu arasında bir rekabet olmasının mümkün olduğu gösterilmiştir. O2 (veya O2-) ile H/OH arasındaki olası reaksiyonlar için Raman parmak izlerini gösterdikten sonra, ORR'nin aynı aktarılan elektron sayılarına sahip birden fazla mekanizmaya sahip olabileceği önerilmiştir. MoS2'nin hidrojen evrim reaksiyonu (HER) aktivitesini geliştirmedeki önemli çalışmalara rağmen, farklı fazlarının varlığı ve nispeten karmaşık yapısı, şimdiye kadar yayınlanan raporlarda önemli sayıda tartışmalı sonuçlara yol açmıştır. Ne yazık ki, farklı MoS2 yapılarındaki mekanizma ve HER sırasında yapısal değişiklikler gibi temel soruları cevaplamak için kullanılan operando tekniklerinin çoğu, amorf MoS2'ye odaklanmıştır. Burada, bir sentez parametresini değiştirmenin MoS2'nin fazı, bileşimi, ve kusur yoğunluğu üzerindeki etkisini incelemek için sistematik bir araştırma yapılmıştır. N katkılaman'ın MoS2'nin HER aktivitesini geliştirdiği gösterilmiştir. Ancak, bu gelişmenin olmadığı ve N katkılamanın sonucunda ortaya gelen gerilim ve faz dönüşümünün, N atomlarının MoS2 yapısını terk ettiklerinden sonra aradan gittiği gösterilmiştir. Son olarak, alkali elektrolit içindeki farklı nikel sülfit fazlarının (NiSx) HER aktivitesi araştırılmıştır. NiSx'in 3 boyutlu yapısına rağmen, katman katman yapılı (Ni(OH)2) kullanarak saf 2 boyutlu NiS2 sentezlemenin mümkün olduğu gösterilmiştir. Bu numuneler üzerinde yapılan elektrokimyasal ölçümlerin 3 boyutlu yapılara sahip numunelere göre daha iyi sonuçlar verdiği gösterilmiştir. Numunelerin lineer süpürme voltametri sonuçlarındaki benzer olmayan dinamik davranışları yapısal geçiş sırasında Raman ve XPS incelemeleri yapılarak incelenmiştir. Hidroksillenmiş Ni ve NiSx'in birlikte varlığının elektrotların HER aktivitesini desteklediği gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
Widespread implementation of electrochemical-based energy generation and storage techniques is the indispensable strategy for addressing the issues resulting from the constant use of fossil fuels. After decades of searching for the best candidates to be used as electrodes in the electrochemical-based devices, electrochemists have started to investigate the details of electrochemical reactions, such as mechanisms, reaction site, and electrode alterations under operando conditions. Despite invaluable findings about these issues, there are still unanswered or unclearly answered significant questions. Two dimensional (2D) materials provide unique features to design highly active electrodes and have comprehensive investigations about the details of electrochemical reactions. The distinctive structure of 2D materials delivers a high number of available sites for functionalization. This paves the way to alter the electrochemically essential properties such as surface morphologies, electronic structure, carrier concentration, charge transfer efficiency, etc. As a result, it is possible to design new electrodes with enhanced electrochemical activities. In addition, the combination of the availability of a high number of active sites and accessibility of these sites with the surface-sensitive characterization methods provide exceptional conditions to study the electrochemical reactions in detail. This issue has gained prime importance with recent findings about the structural and compositional alterations of electrodes during electrochemical measurements. In this thesis, the unique features of 2D graphene, MoS2, and NiSx derived from Ni(OH)2 combined with various physical and electrochemical characterization techniques have been used to study the alterations in electrode materials during electrochemical reactions. The initial part of the study has been focused on graphene, which is the simplest and the best-known 2D material. It has been shown that N-doping significantly enhances the electrochemical activity of graphene toward oxygen reduction reaction (ORR). After studying the effect of different N configurations on the activity of N-doped graphene, it has been shown that pyridinic N improves the activity of bilayer N-graphene by modulating the interaction between the layers. The increased π- π interaction in pyridinic N-doped graphene, promotes the electron transfer kinetics between layers and results in an improved activity for the N-doped bilayer graphene. In order to have a better insight into the role of different N configurations, active sites, and ORR mechanisms, bilayer pristine and N-doped graphene were investigated by the spectroelectrochemical Raman technique. It has been shown that based on the configuration of the N dopants, it is possible to have a competition between adsorption of H/OH and O2 groups. After showing Raman fingerprints for the possible reactions between O2 (or O2-) with H/OH, it has been proposed that the ORR could have multiple mechanisms with the same transferred electron numbers. Despite enormous efforts in advancing the hydrogen evolution reaction (HER) activity of MoS2, the presence of different phases and relatively complex structure of MoS2 has resulted in a significant number of controversial results in the published reports so far. Unfortunately, most of the operando techniques which have been used to answer some fundamental questions, such as the active site, the mechanism on different MoS2 structures, and the structural changes of MoS2 during HER, have been focused on amorphous MoS2. Here a systematic investigation has been performed to study the effect of modifying a synthesis parameter on the phase, composition, flake size, and defect density of MoS2. It has been shown that N doping improves the HER activity of MoS2. However, this improvement is not stable, and the strain and phase conversion induced by N dopants fade away when they abandon the MoS2 structure. Finally, the HER activity of different nickel sulfides phases in the alkaline electrolyte was investigated. Despite the 3D structure for NiSx, it has been shown that it is possible to synthesize pure 2D NiS2 using a Ni precursor, which has a layer-by-layer structure (Ni(OH)2). It has been shown that the electrochemical measurements performed on these samples have better results compared to the samples with 3D structures. The non-similar dynamic behavior in linear sweep voltammetry results of the samples was investigated by performing Raman spectroscopy and XPS investigations during the course of structural transition. It has been shown that the co-presence of hydroxylated Ni and NiSx promotes the HER activity of the electrodes.
Benzer Tezler
- Ditiyeno[2,3-b;3',2'-d]Tiyofen ve Tiyeno[2,3-b]Tiyofen temelli organik elektronik ve optoelektronik malzemelerin sentezleri ve özelliklerinin incelenmesi
Preparation and investigation of the properties of electro and optoelectro active materials based on Dithieno[2,3-b;3',2'-d]Thiophene and Thieno[2,3-b]Thiophene
ŞULE TAŞKIRAN ÇANKAYA
- Çeşitli fonksiyonel gruplar içeren yeni tip çözünür porfirazin sentezi, elektrokimyasal özelliklerin incelenmesi
Synthesis and electrochemical investigations on novel porphyrazines with various functional groups
SERAP TUNCER
- Graphene based materials obtained from graphite and polyacrylonitrile based carbon fiber for energy storage and conversion systems
Enerji depolama ve dönüşüm sistemleri için grafit ve poliakrilonitril esaslı karbon fiberden grafen tabanlı malzemelerin üretilmesi
MEHMET GİRAY ERSÖZOĞLU
Doktora
İngilizce
2022
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ
PROF. DR. YÜCEL ŞAHİN
- Electrochemical evaluation of 4-nitrophenol using functionalized graphene oxide/functionalized multiwalled carbon nanotubes hybrid material modified glassy carbon electrode
Fonksiyonel grafen oksit/fonksiyonel çok duvarlı karbon nanotüp hibrit malzeme ile modifiye edilmiş camsı karbon elektrot kullanılarak 4-nitrofenolün elektrokimyasal olarak değerlendirmesi
PASAR NIZAR SAEED
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
BiyokimyaVan Yüzüncü Yıl ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUHAMMET GÜLER
- Synthesis of a new conducting polymer based on functionalized anthracene and its uses as an electrochromic device component
Antrasen türevli yeni bir iletken polimer sentezi ve elektrokromik cihaz bileşeni olarak kullanımı
AYŞE GÜL YILDIRIM
