Toward efficient electrochemical reduction of CO2 to CO: Decorating ZnO nanorods with CuxO
CO2'nin CO'ya verimli elektrokimyasal dönüşümü: ZnO nanoçubuklarinin CuxO ile dekorasyonu/modifikasyonu
- Tez No: 836751
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SARP KAYA, DR. TİMUÇİN BALKAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mühendislik Bilimleri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 82
Özet
Bu çalışma, maliyet/etkinlik açısından potansiyeli yüksek CuxO-ZnO elektrokatalizörlerinin CO2'nin CO'ya elektrokimyasal indirgenme (CO2RR) reaksiyonu üzerine elektro-katalitik etkisini incelemektedir. CO2RR reaksiyonu hem enerji kaynağı sağlayabilmesi hem de eş zamanlı atmosferdeki CO2 miktarını azaltabilmesi sebebiyle uygun bir çözüm sunmaktadır. Diğer hedeflenen ürünler arasında, CO2'nin elektrokimyasal yol ile CO'ya dönüştürülmesi ve bu ürünün en yüksek ekonomik görünürlüğe sahip olması nedeniyle ön plana çıkmaktadır. Bu çerçevede, yapılan çalışmada yeryüzünde bol bulunan elementlerden türetilmiş iki set CuxO-ZnO elektrokatalizörleri sentezlenmiş ve incelenmiştir. Bu elektrokatalizörlerin CO için yüksek Faradaik verime (FE) sahip olduğu gösterilmiş ve bu verimlerin %70'i aştığı tespit edilmiştir. Çalışmanın ilk kısmında, elektrodepozisyon tekniği kullanarak farklı miktarlarda CuxO'ya sahip CuxO/ZnO elektrokatalizörleri sentezlenmiştir. Optimize edilmiş CuxO/ZnO elektrodunun, -0.8 V (vs. RHE) düşük aşırı gerilimde %75 faradaik verimlilik (FE) ile yüksek CO seçiciliği göstermiştir. Bu sonuç çıplak ZnO'nun performansı ile kıyaslandığında belirgin bir iyileşmenin olduğunu göstermektedir., Çıplak ZnO'nun aynı koşullar altında CO'ya karşı gösterdiği seçicilik %48 faradik verime sahiptir. İkinci kısımda, elektrokimyasal biriktirme yöntemi yerine atomik katman biriktirme (ALD) kullanılarak CuxO'nun ZnO üzerine kaplanması ile, CO seçiciliğinde daha da belirgin bir artışın olduğu bulunmuştur. Özellikle, 250 ALD döngüsü ile hazırlanan CuxO-250/ZnO elektrodu, aynı potansiyelde (-0.8V vs. RHE) CO seçiciliği %88 faradaik verime ulaşmıştır. Bu sonuçlar ALD yöntemi ile hazırlanan CuxO/ZnO elektrotlarının hem çıplak ZnO hem de elektrokimyasal biriktirme yöntemi ile hazırlanan CuxO/ZnO elektrotlarından üstün performansını göstermiştir. CuxO'nun yapıya eklenmesinin potansiyel altında yeni aktif faz ε-CuZn4'ün oluşumuna neden olduğu ve bununla bağlantılı olarak yük transfer direncindeki (Rct) azalmanın CO seçiciliğini arttırdığı bulunmuştur. Ayrıca, CuxO'nun, CO2RR sonrası CuxO/ZnO elektrotları için belirgin bir yüzey morfolojisine yol açarak, yüzeyin yeniden yapılanması sürecini önemli ölçüde etkilediği tespit edilmiştir. Bu da çıplak ZnO'ya kıyasla artmış bir yüzey alanına yol açmış vedaha iyi CO2RR performansına katkı sunmuştur. Ayrıca, uygulanan potansiyelin yeniden yapılanma sürecini önemli ölçüde katkı sunduğu gösterilmiştir. Bu sürecin yüzeydeki Cu/Zn oranını etkileyerek CO seçiciliğini değiştirebileceği bulunmuştur. CO2RR sonrası aynı elektrot için hesaplanan Cu/Zn atomik oranının -0.8 V'ta -1.2 V'a göre daha yüksek olduğu vebunun da CO seçiciliği üzerindeki bulgularımızla uyuştuğu gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar yüzeyde bulunan Cu'nun CO üretimindeki kritik rolünü vurgulamaktadır. CO2RR sonrası, yüzey kompozisyonunun önemli değişiklikler geçirdiği ve en yüksek Cu/Zn oranının mutlaka en yüksek ilk Cu miktarı ile ilişkili olmadığı da tespit edilmiştir. Bunun yerine, maksimum Cu/Zn oranı, aynı zamanda en yüksek FE değerine de sahip olan CuxO-250/ZnO elektrodunda gözlemlenmiştir. Bu varyasyonun yüzey yeniden yapılanma sürecine ve Cu /Zn atomları arasındaki galvanik etki ile ilgili olduğu düşünülmektedir. Her iki olgunun da de yüzey kompozisyonunu ve dolayısıyla elektrot seçiciliğini etkilediği tespit edilmiştir. Sonuç olarak, bu tez, CO'ya karşı yüksek seçiciliğe sahip ucuz,yeryüzünde bol bulunan elementlerden tasarlanmış alternative bir elektrokatalizör olduğuna inanılan Cu- Zn elektrokatalizörlerinin CO2RR sırasındaki dinamik davranışı ve yüzey kompozisyonu hakkında yeni bilgiler sunmaktadır. Bu bilgiler, daha etkili ve verimli Cu-Zn tabanlı elektrokatalizörler tasarlama hedefindeki gelecek çalışmalara önemli ölçüde katkıda bulunacağı düşünülmektedir.
Özet (Çeviri)
This thesis investigates CuxO-ZnO based electrocatalyst as a potential cost-effective electrocatalyst for electrochemical reduction of CO2 to CO (CO2RR). CO2RR is a viable solution that can offer a potential source of energy while also reducing the amount of CO2 in the atmosphere. CO2RR to CO presents a promising route due to having the highest economical visibility among other targeted products. In response, we have synthesized and examined two sets of CuxO-ZnO electrocatalysts derived from earth-abundant elements that have high Faradic efficiency (FE) for CO, exceeding 70%. We initially synthesized CuxO/ZnO electrocatalysts with different amounts of CuxO, using the electrodeposition technique. The optimized CuxO/ZnO electrode exhibited elevated selectivity towards CO, achieving a Faradaic efficiency (FE) of 75% at a low overpotential of -0.8 V vs. RHE. This, in itself, marked a clear improvement from the performance of bare ZnO, which only achieved a CO selectivity of 48% under identical conditions. However, an even more significant enhancement in CO selectivity was observed when CuxO was introduced using atomic layer deposition (ALD). Specifically, the CuxO-250/ZnO electrode, prepared with 250 ALD cycles, exhibited a remarkable CO selectivity of 88% at the same potential, demonstrating the superior performance of ALD CuxO/ZnO over both bare ZnO and the electrodeposited CuxO/ZnO electrodes. The addition of CuxO was found to enhance CO selectivity through the introduction of the new active phase ε-CuZn4 and a reduction in charge transfer resistance (Rct). Furthermore, the incorporation of CuxO significantly influenced the surface reconstruction process, resulting in a distinct surface morphology for the CuxO/ZnO electrodes after CO2RR. This led to an increased surface area compared to bare ZnO, suggesting a possible contribution to enhanced CO2RR performance. We also demonstrated that the applied potential substantially impacts the reconstruction process, affecting the Cu/Zn ratio at the surface, which in turn influences CO selectivity. We proved that after CO2RR at -0.8 V, the Cu/Zn atomic ratio was higher than that after -1.2 V of the same electrode, aligning with our findings on CO selectivity and highlighting the crucial role of surface Cu in CO production. We further noted that after CO2RR, the surface composition underwent significant changes, and the highest Cu/Zn ratio was not necessarily associated with the greatest initial amount of Cu. Rather, the maximum Cu/Zn ratio was observed in the CuxO- 250/ZnO electrode, which also exhibited the highest FE of CO. We attribute this variation to the surface reconstruction process and the galvanic effect between Cu and Zn atoms, both of which influence the surface composition and, by extension, electrode selectivity. In summary, this thesis presents a new earth-abundant electrocatalyst that is highly selective toward CO and provides new insights into the dynamic behavior and surface composition of Cu-Zn electrocatalysts during CO2RR. These insights will significantly contribute to future studies aiming to design more effective and efficient Cu-Zn based electrocatalysts.
Benzer Tezler
- Investigation of the electrochemical co2 reduction mechanism on tin electrodes
Kalay elektrotlar üzerinde elektrokimyasal co2 redüksiyonu mekanizmasının incelenmesi
TUĞÇE YILMAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- Supercritical CO2 assisted preparation of Pt, PtCu, PtZn, PtCo and PtZnCo nanoparticles on various carbon aerogels as ORR electrocatalysts
Başlık çevirisi yok
ŞANSIM BENGİSU BARIM
Doktora
İngilizce
2022
Kimya MühendisliğiKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CAN ERKEY
- Modifiye polianilin elektrodun metanol ve etilen glikol oksidasyonunda katalitik özelliklerinin incelenmesi
Başlık çevirisi yok
FEHMİ FIÇICIOĞLU
Doktora
Türkçe
1998
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimyagerlik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİGEN KADIRGAN
- Tetrapirol türevlerinin sentezi ve enerji alanındaki uygulamaları
Synthesis of tetrapyrole derivatives and applications in the field of energy
EKREM KAPLAN
- Investigation of the catalytic performance of tin nanowires produced by aluminum anodic oxide template method for electrochemical CO2 reduction
Alüminyum anodik oksit şablon yöntemiyle üretilen kalay nanotellerin elektrokimyasal CO2 redüksiyonuna yönelik katalitik performansinin i̇ncelenmesi
DİLAN ER GÖNÜL
Doktora
İngilizce
2023
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN