Geri Dön

PEM yakıt pilleri için grafen aerojel sentezi ve karakterizasyonu

Synthesis and characterization of graphene aerogel for PEM fuel cells

PDF İndir

  1. Tez No: 830734
  2. Yazar: MERYEM SAMANCI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. AYŞE BAYRAKÇEKEN YURTCAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: PEM yakıt pili, sol-jel, süperkritik kurutma, grafen, grafen oksit, indirgenmiş grafen oksit, grafen aerojel, süperkritik depozisyon, Pt elektrokatalizör, PEM fuel cell, sol-gel, supercritical drying, reduced graphene oxide, graphene aerogel, supercritical deposition, Pt electrocatalyst
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Atatürk Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 244

Özet

Amaç: PEM yakıt pillerinde maliyetin düşürülmesi ve performansın geliştirilmesi amacıyla, katalizör destek malzemesi olarak 2D grafen bazlı öncü malzemelerin, birbirinden farklı 3D grafen aerojellerin ve bunlardan elde edilen Pt katalizörlerinin sentezi ve karakterizasyonu. Yöntem: Bu tez çalışmasında, ilk olarak, grafen bazlı öncü malzeme olarak sentezlenen grafen oksit (GO) Hummer yöntemiyle, indirgenmiş grafen oksitlerin (RGO) sentezleri kimyasal (C-RGO) ve termal indirgeme (T-RGO) metodlarıyla sentezlenmiştir. Daha sonra, herbir grafen bazlı öncü malzemenin farklı oranları (kütlece % 0,25-0,5-1) kullanılarak, sol-jel, süperkritik kurutma ve piroliz işlemleri ile farklı yüzey alanları ve por çaplarına sahip grafen aerojeller (GRA, GOA, C-RGOA, T-RGOA) sentezlenmiştir. Bu şekilde grafen bazlı malzemeler ile aerojellerin üstün özellikleri biraraya getirilmiştir. Daha sonra Pt katalizör sentezi için süperkritik depozisyon yöntemi kullanılarak Pt nanoparçacıklar destek malzeme yüzeyine indirgenmiştir. Bulgular: Tez kapsamında, sentezlenen destek malzemelere BET, SEM, EDX, RAMAN, XRD ve FTIR analizleri yapılarak fiziksel özellikleri incelenmiştir. Yapılan BET analizleri sonucunda, T-RGO'nun yüzey alanı 213,37 m2/g iken, % 1 T-RGO eklenen T-RGOA-3'ün yüzey alanı 923,43 m2/g olarak ölçülmüştür. Ayrıca destek malzemelerin elektrokimyasal analizleride (CV, EIS) yapılarak yüzeylerin korozyona karşı davranışı incelenmiştir. Hazırlanan Pt katalizörlerin ICP-MS, TEM, XRD, temas açısı, topografya ve pürüzlülük analizleri yapılmıştır. TEM görüntülerine göre Pt nanopartiküllerin desteklerin yüzeyine homojen olarak dağılmıştır. Pt ortalama parçaçık boyutları ile XRD analizinden elde edilen Pt ortalama kristal boyutları birbiri ile uyum içerisindedir. Genel olarak katalizör yüzeyleri hidrofobiktir. Pt katalizörlere ait elektrokimyasal analizler (CV, LSV (ORR, Tafel analizi), kronoamperometre, EIS ve tekli yakıt pili testleri) gerçekletirilmiştir. Pt katalizörlerin tekli PEM yakıt pili test sonuçlarına göre, Pt/GRA katalizörleri içerisinde 0.6 V'da en yüksek akım ve güç yoğunluğu değerleri sırasıyla 531 mA/cm2 ve 318 mW/cm2 ile Pt2/GRA-1 katalizörüne aittir. Pt2/GRA-1 katalizörünün maksimim güç yoğunluğu 0.5 V'da 352 mW/cm2 olarak ölçülmüştür. Pt/GOA, Pt/C-RGOA ve Pt/T-RGOA katalizör gruplarında ise 0,6 V'ta en yüksek akım ve güç yoğunluğu değerleri, sırasıyla 250 mA/cm2 ve 150 mW/cm2 ile Pt/T-RGOA-3 katalizörüne aittir. Sonuç: Destek malzemesi olarak sentezlenen grafen bazlı öncü malzemelerin yapısal farklılıkları ve ekleme miktarları aerojellerin nihai yapısını değiştirmiştir. Bu değişiklikler birbirinden oldukça farklı Pt katalizörlerin sentezi ile sonuçlanmıştır. PEM yakıt pilinde en iyi sonucu veren katalizöre ulaşılmaya çalışılmıştır.

Özet (Çeviri)

Purpose: Synthesis and characterization of 2D graphene-based precursor materials, different 3D graphene aerogels, and Pt catalysts obtained from them as catalyst support materials, in order to reduce costs and improve performance in PEM fuel cells. Method: In this thesis, firstly, as a graphene-based precursor material, the synthesized graphene oxide (GO) was synthesized by the Hummer method, and the syntheses of reduced graphene oxides (RGO) were synthesized by chemical (C-RGO) and thermal reduction (T-RGO) methods. Then, using different proportions of each graphene-based precursor (0.25-0.5-1% by mass), graphene aerogels with different surface areas and pore diameters (GRA, GOA, C-RGOA, T-RGOA) were synthesized by sol-gel, supercritical drying, and pyrolysis processes. In this way, the superior properties of graphene-based materials and aerogels are brought together. Then, Pt nanoparticles were reduced to the support material surface by using the supercritical deposition method for Pt catalyst synthesis. Findings: Within the scope of the thesis, BET, SEM, EDX, RAMAN, XRD, and FTIR analyses were performed on the synthesized support materials and their physical properties were examined. As a result of the BET analysis, the surface area of T-RGO was 213.37 m2/g, while the surface area of T-RGOA-3 with 1% T-RGO added was 923.43 m2/g. In addition, electrochemical analyses (CV, EIS) of the support materials were made and the behavior of the surfaces against corrosion was investigated. ICP-MS, TEM, XRD, contact angle, topography, and roughness analyses of the prepared Pt catalysts were performed. According to the TEM images, Pt nanoparticles were homogeneously distributed on the surface of the supports. Pt means particle sizes and Pt means crystal sizes obtained from XRD analysis are in good agreement with each other. In general, catalyst surfaces are hydrophobic. Electrochemical analyses of Pt catalysts (CV, LSV (ORR, Tafel analysis), chronoamperometry, EIS, and single fuel cell tests) were carried out. According to single PEM fuel cell test results of aerogels, the highest current and power density values at 0.6 V belong to Pt2/GRA-1 catalyst with 531 mA/cm2 and 318 mW/cm2, respectively, among Pt/GRA catalysts. The maximum power density of the Pt2/GRA-1 catalyst was measured as 352 mW/cm2 at 0.5 V. In Pt/GOA, Pt/C-RGOA and Pt/T-RGOA catalysts groups the highest current and power density values at 0.6 V belong to the Pt/T-RGOA-3 catalyst with 250 mA/cm2 and 150 mW/cm2, respectively. Results: Structural differences and additional amounts of graphene-based precursor materials synthesized as support material changed the final structure of aerogels. These changes resulted in the synthesis of quite different Pt catalysts. It has been tried to reach the catalyst that gives the best results in the PEM fuel cell.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    755811

    PEM yakıt pilleri için 3D grafen ve azot katkılı karbon destekli Pt nanoparçacıkların sentezi ve karakterizasyonu

    Synthesis and characterization of 3D graphene and nitrogen-doped carbon supported Pt nanoparticles for PEM fuel cells

    EMİNE TEKE ÖNER

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Kimya MühendisliğiAtatürk Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞE BAYRAKÇEKEN YURTCAN

  2. Tez No

    720695

    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

    NAVID HAGHMORADI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    EnerjiSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    Prof. Dr. SELMİYE ALKAN GÜRSEL

    DR. BEGÜM YARAR KAPLAN

  3. Tez No

    420273

    Development of graphene supported catalyst nanoparticles for polymer electrolyte membrane (pem) fuel cells

    Polimer elektrolit membranlı yakıt pilleri için grafen destekli nanoparçacık katalizörlerin geliştirilmesi

    VİLDAN BAYRAM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    EnerjiSabancı Üniversitesi

    Enerji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SELMİYE ALKAN GÜRSEL

  4. Tez No

    470650

    Gas diffusion electrodes based on carbon and graphene for PEM fuel cell

    PEM yakıt pilleri için karbon ve grafen esaslı gaz difüzyon elektrotlarının geliştirilmesi

    BEGÜM YARAR KAPLAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Mühendislik BilimleriSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SELMİYE ALKAN GÜRSEL

  5. Tez No

    676204

    Synthesis and characterisation of pbi membranes for HT-PEM fuel cells

    HT-PEM yakıt hücreleri için pbı membran sentezi ve karakterizasyonu

    MEHMET TURAN GÖRÜRYILMAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİLGÜN YAVUZ

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SİBEL ÖZENLER

Geri Dön