Geri Dön

Electrocatalytic water splitting with Prussian blue analogues under external stimuli

Prusya mavisi analoglarıyla dış uyarıcıların desteğinde elektrokatalitik suyun parçalanması

PDF İndir

  1. Tez No: 832712
  2. Yazar: WAQAR AHMAD
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. FERDİ KARADAŞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
  10. Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 106

Özet

Suyun parçalanması için uzun ömürlü ve verimli katalizörlerin geliştirilmesi, karbon emisyonlarından arınmış bir dünyanın ilerlemesi için kritik bir öneme sahiptir. Prusya mavisi analogları olarak bilinen bir bileşik sınıfı (PBAs), yüksek kararlılık, çeşitlilik ve sürdürülebilir su bölünme cihazlarının geliştirilmesi için basit sentez gibi birçok avantaja sahiptir. Bu tez, dış uyarıcılar ile desteklenen PBA tabanlı genel su bölünme elektrolitik hücrelerinin inşasını araştırmaktadır. Alsac ve iş arkadaşları, çeşitli PBAs'ın oksijen evrim reaksiyonu (OER) verimliliğini inceledi ve Co-Co'nun Co-M PBAs içinde en iyi performansı sergilediğini göstediler. Ahmad ve iş arkadaşları, çeşitli PBAs'ın hidrojen evrim reaksiyonu (HER) performansını incelemiş ve CoNi'nin performansta öne çıktığını gözlemlemişdiler. Ayrıca, Chalil Oglou ve iş arkadaşları, FTO yüzeyine elektrodepozite edilen Co-Fe PBA'nın OER katalitik aktivitesi üzerinde manyetik alanın etkisini açıklamaya çalıştılar. Bulguları, manyetik alan etkisi altında artan bir katalitik aktiviteyi öne sürmüştür. Bu fenomeni daha iyi anlayabilmek için, bu çalışmada manyetik alan ve güneş ışığı ışınımının etkisi altında tam su bölünme (OWS) olayını araştırmayı amaçlıyoruz. Bu tezde, [Co-Co] OER reaksiyonu için kullanılmıştır, [Co-Ni] ise HER reaksiyonu için kullanılmıştır. Her iki elektrot da iki aşamalı bir elektro-depo yöntemi kullanılarak hazırlanmış ve SEM, EDAX, P-XRD, XPS ve ATR-FTIR ile kapsamlı olarak karakterize edilmiştir. SEM görüntüleri, [Co-Co] ve [Co-Ni] için sırasıyla florlu kalay oksit (FTO) elektrot üzerinde oluşan tehdit benzeri ve iğne benzeri büyüyen partiküllerin homojen boyutlarını ortaya koymaktadır. Pratik ve post-katalitik elektrotların oksidasyon durumları ve elektro-katalitik süreç sırasındaki kararlılıkları XPS ve FTIR çalışmaları ile doğrulanmıştır. Bu katalizörlerin elektrokimyasal karakterizasyonu lineer tarama voltametrisi (LSV), kronoamperometri (CA) ve dönüşümlü voltametri (CV) profilleri ile ayrıntılı olarak incelenmiştir. Elektrokimyasal performans, OER, HER ve manyetik veya güneş ışığı ışınımı altında tam su bölünmesi olarak üç bölümde incelenmiştir. (i) FTO/[Co-Co] OER performansı LSV ile değerlendirilmiştir ve dış uyarıcıların etkisi altında belirgin artış pikleri gösterilmiştir. Manyetik alan etkisi altında, aşırı gerilim 949 mV ile % 11.9'luk bir artış gösterirken, güneş ışığı varlığında, aşırı gerilim 949 mV ile% 10.7'lik bir artış göstermiştir. Manyetik alan altında kaydedilen CA profilleri, manyetik alanın şiddeti ile akım yoğunluğu artışı arasında doğrudan bir ilişki olduğunu göstermiştir. Tersine, güneş ışığı ışınımı altında kaydedilen CA profillerinde ters bir eğilim gözlemlenmiştir, bu da manyetik alan altında görülen artışın güneş ışığı ışınımı altındakinden farklı olduğunu önermektedir. (ii) OER çalışmalarına benzer şekilde, FTO/[Co-Ni]'nin HER aktivitesi güneş ışığı ışınımı ve manyetik alanın etkisi altında araştırılmıştır. LSV profili, yalnızca güneş ışığının etkisi altında artış göstermiş olup manyetik alan altında ise önemli bir artış göstermemiştir. Önceki çalışmaların aksine HER için CA profilleri, manyetik alan altında küçük bir artış (1.4%) göstermiştir ve aşırı gerilim 300 mV'a ayarlanmıştır. (iii) İki ve üç elektrotlu sistemler, tam su bölünme çalışmalarını yürütmek için kullanılmıştır. Bu çalışmada, iki elektrotlu sistem kullanılmıştır. İş-çalışma duyusu elektrodunda FTO/[CoCo] ve karşı/referans elektrodunda FTO/[Co-Ni] kullanmak ve 1 mA/cm2 'lik bir akım yoğunluğu elde etmek için sisteme yaklaşık olarak 1013 mV'luk bir aşırı gerilim uygulanmıştır. Her elektrodun benzersiz voltaj katkılarının analizi, bu gözlemi açıklamaya yardımcı olmuştur. OER için yaklaşık 1.3 V gözlemlenirken, HER tarafı için bu değer 0.6 V'tur. Öte yandan, üç elektrotlu yapıda çalışma elektrodu FTO/[Co-Co], karşı elektrot FTO/[Co-Ni] ve referans elektrodu Ag/AgCl'dir. Gözlemlenen profil, güneş ışığı ve manyetik alanın varlığında önemli bir iyileşme gösterdi. Genel olarak, bu çalışma, katalizde hala iyileştirme için geniş bir alan bulunduğunu ve dış etkenler gibi reaksiyon koşullarındaki hafif değişikliklerin katalizdeki göstermektedir. Bu tez, katalitik uygulamalarda Prusya mavisi analoglarının kullanımı konusundaki mevcut çabaları temel alarak, çıtayı yükselterek ve zengin bir boyut ekleyerek bu zorluğa yeni bir boyut kazandırmaktadır.

Özet (Çeviri)

The development of long-lasting and efficient catalysts for water splitting is crucial for the advancement of a carbon emission-free world. A well-known class of compounds called Prussian blue analogues (PBAs) offers several advantages such as high stability, diversity, and simple synthesis for the development of sustainable water-splitting devices. This thesis investigates the construction of PBA-based overall water-splitting electrolytic cells assisted with external stimuli. Alsac et al. investigated the oxygen evolution reaction (OER) efficiency of various PBAs and concluded that Co-Co exhibits the best performance as an OER catalyst among the Co-M PBAs. Ahmad et al. studied the hydrogen evolution reaction (HER) performance of various PBAs and observed that Co-Ni stands out in performance. Furthermore, Chalil Oglou et al. elucidated the effect of the magnetic field on the OER catalytic activity of Co-Fe PBA electrodeposited on the surface of the FTO. His findings unveiled an enhanced catalytic activity under the influence of a magnetic field. To further explore these concepts, we aim to move one step ahead and combine all these studies to investigate overall water splitting (OWS) under the influence of magnetic field and solar light irradiation. In this thesis, [Co-Co] was used for the OER reaction, while [Co-Ni] was utilized for the HER reaction. Both electrodes were prepared involving a two-step electrodeposition method and comprehensively characterized with SEM, EDAX, P-XRD, XPS, and ATR-FTIR. SEM images unveiled threat-like and needle-like grown particles with uniform sizes of 1-2 µm for [Co-Co] and [Co-Ni] formed on the fluorine-doped tin oxide (FTO) electrode respectively. The oxidation states of the pristine and post-catalytic electrodes and the stability during the electrocatalytic process were confirmed with XPS and FTIR studies.The electrochemical characterization of these catalysts was thoroughly investigated with linear sweep voltammetry (LSV), chronoamperometry (CA), and cyclic voltammetry (CV) profiles. The electrochemical performance was investigated in three chapters; OER, HER, and overall water splitting under magnetic and solar light irradiation. (i) OER performance of FTO/[Co-Co] was evaluated with LSV, which shows prominent enhancement peaks under the influence of external stimuli. Under the influence of the magnetic field, it illustrated an enhancement of 11.9% with an overpotential of 949 mV, while in the presence of solar light, it showed an augmentation of 10.7% with an overpotential of 949 mV. CA profiles, recorded under magnetic field showed that there is a direct relation between magnetic field strength and the enhancement in the current density. On the contrary, an opposite trend is observed with the CA profiles under solar light irradiation, which suggests that the origin of the enhancement under the magnetic field is different from the one under solar light irradiation. (ii) Similar to OER studies, HER activity of FTO/[Co-Ni] was investigated under the effect of solar light irradiation and magnetic field. The LSV profile showed enhancement only in the case of solar light, while no significant enhancement was observed under the magnetic field, contrary to the previous studies. Similar to OER, the CA profiles of FTO/[Co-Ni] illustrated the opposite trend with respect to overpotential applied. In the case of HER, CA under a magnetic field showed a small enhancement (1.4%) with an overpotential of 300 mV, which was attributed to the magnetohydrodynamic effect. (iii) Two and three-electrode systems were used to conduct the investigation into overall water splitting. To achieve a current density of 1 mA/cm2 in the two-electrode having FTO/[Co-Co] on the working/working sense electrode (W/WS) and FTO/[Co-Ni] on the counter/reference electrode R/C configuration, the system required an overpotential of roughly 1013 mV. The subsequent analysis of each electrode's unique voltage contributions helped explain this observation. OER takes around 1.3 V while it is 0.6 V for the HER side. On the other hand, in the three-electrode configuration, the working electrode was FTO/[Co-Co], the counter electrode was FTO/[Co-Ni], and the reference electrode was Ag/AgCl. The observed profile notably showed significant improvement seen when solar light and magnetic fields were present. Overall, this study indicates that there is still plenty of room for enhancement in catalysis, with slight modification in reaction conditions from another perspective i.e., external stimulus. This thesis takes a progressive step by raising the bar and adding a new dimension to the challenge of using PBAs in catalytic applications, building on earlier efforts.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    476637

    Investigation of electrocatalytic performance of prussian blue analogues for water splitting

    Prusya mavisi türevlerinin suyun ayrışması için elektrokatalitik aktivitelerinin incelenmesi

    ELİF PINAR ALSAÇ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. FERDİ KARADAŞ

  2. Tez No

    843649

    Synthesis and characterization of electrocatalysts based on boron and earth-abundant transition metals for electrochemical water splitting

    Elektrokimyasal su ayrıştırma için bor ve doğada bol bulunan geçiş metallerine dayalı elektrokatalizörlerin sentezi ve karakterizasyonu

    EBRAHIM SADEGHI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Mühendislik BilimleriKoç Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT AYDEMIR

  3. Tez No

    613009

    Synthesis of first row transition metal oxide nanomaterials for electrocatalytic water oxidation reaction

    İlk sıra geçiş metal oksit nanomalzemelerin sentezi ve suyun elektrokatalitik yükseltgenme tepkimesinde kullanımı

    ASUDE ÇETİN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    KimyaOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. EMREN NALBANT ESENTÜRK

  4. Tez No

    687659

    Metal-substituted ZrB2 and HfB2 as low-cost and high-performance bifunctional electrocatalysts for water splitting

    Genel su ayrıştırma fonksiyonlu, ucuz ve yüksek performanslı metal katkılanmış ZrB2 ve HfB2 elektrokatalizörler

    BÜŞRA METE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Bilim ve TeknolojiKoç Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT AYDEMİR

  5. Tez No

    657529

    Application of covalent organic framework based on porphyrin and cucurbit[6]uril as a bifunctional electrocatalyst for hydrogen and oxygen evolution

    Hidrojen ve oksijen evrimi için bifonksiyonel elektrokatalizör olarak porfirin ve kükürbit[6]üril bazlı kovalent organik yapının uygulanması

    YASAMAN SHEIDAEI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DÖNÜŞ TUNCEL

Geri Dön