Geri Dön

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

  1. Tez No: 843649
  2. Yazar: EBRAHIM SADEGHI
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT AYDEMIR
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Mühendislik Bilimleri, Çevre Mühendisliği, Engineering Sciences, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Koç Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 244

Özet

Dünya, büyüyen çevresel zorluklarla ve sürekli artan nüfusla başa çıkarken, fosil ‎yakıtlara alternatif sürdürülebilir bir enerji kaynağı sağlamak benzersiz bir zorluk ‎haline gelmiştir. Sürdürülebilir enerji üretim stratejilerinin arayışı, yenilenebilir enerji ‎kaynaklarıyla entegre elektrokatalitik su bölünme sürecinde birleşmiştir. Bu sürecin ‎başarılı bir şekilde gerçekleştirilmesi, aynı elektrolit içinde hem oksijen çıkış ‎reaksiyonu (OER) hem de hidrojen çıkış reaksiyonu (HER) için verimli, maliyet etkili ‎ve yeryüzünde bol bulunan elektrokatalizörlerin geliştirilmesine bağlıdır.‎ Dört yıl süren bir araştırma süreci boyunca bu doktora tezi, belirtilen zorluğu ele ‎almak için yeni elektrokatalizörleri bulmak içim büyük çaba harcamıştır. Şu belirtilen ‎alanlarda ana katkılar sağlanmıştır. 1) Yenilikçi Elektrokatalizörler: Mg1−xTMxB2 ‎‎(x = 0.025, 0.05, ve 0.1; TM = Fe ve Co) formal kompozisyonuna sahip yeni ‎elektrokatalizörlerin sentezi, karakterizasyonu ve elektrokimyasal değerlendirmesi. ‎Çalışma, bu katalizörlerin HER ve OER performansına odaklanmış ve ‎Mg0.95Co0.05B2'nin 10 mA cm−2 akımda 470 mV'lik aşırı gerilimle olağanüstü HER ‎performansı sergilediğini göstermiştir. Bulgular, yüksek verimli ve düşük maliyetli ‎elektrokatalizörlerin geliştirilmesinde umut verici bir yöne işaret etmektedir. 2) ‎Dönüşümsel Malzemeler: Oksijen çıkış reaksiyonunda kullanılmak üzere V1–xCoxB2 ‎‎(x = 0, 0.05, 0.1 ve 0.2) formal kompozisyonlu elektrokatalizörlerin geliştirilmesi. ‎Co'nun VB2 yapısına eklenmesi, morfolojide dramatik bir değişikliğe neden olmuş, 10 ‎mA cm−2'de 200 mV'lik aşırı gerilimi azaltmıştır. Bu performans, RuO2 (290 mV) ile ‎rekabet ederken 1 M KOH koşullarında dikkate değer dayanıklılık göstermiştir. 3) ‎Metal Organik Çerçeveler (MOF'lar): Nikel köpük üzerine doğrudan geliştirilen ‎NCM/Ni-BDC@NF tabanlı nanokompozitlerin keşfi, benzersiz elektronik yapı ‎modülasyonunu açığa çıkarmıştır. Özellikle NCF/Ni-BDC katalizörü, 10 mA cm–2 ‎akım yoğunluğunu elde etmek için bir geri dönüşümlü hidrojen elektroduna karşı ‎yalnızca 1.35 V'lik aşırı gerilim gerektiren olağanüstü OER performansı sergilemiştir. ‎Bu araştırma, etkili su ayrıştırma için çok yönlü malzemeler olarak 2D MOF'ların ‎potansiyelini sergilemektedir. 4) Heteroyapılar: Nikel köpük üzerine iki aşamalı ‎yerinde (in situ) büyüme stratejisi ile oluşturulan yüksek performanslı ve dayanıklı bir ‎NiMo/CoMoO4 heteroyapısının oluşturulması. Heteroyapı, 10 mA cm–2'de 102 mV'lik ‎aşırı gerilimi ve yüksek Faraday verimliliğini sergilemektedir. Bu, karbon nötral ‎hidrojen üretimi için su elektrolizinin kritik bir unsuru olan HER'de üstün performansın ‎metalik ve oksit bileşiklerin sinerjisi ile elde edilebileceğini vurgulamaktadır. 5) MOF ‎Kökenli Katalizörler: Alkali ortamda verimli bir HER elektrokatalizörü olarak Cu-‎MOF'tan türetilmiş NiMo/CuO@C arasında nano yapıda bir arayüzün tasarlanması ve ‎geliştirilmesi. Bu katalizör, 10 mA cm−2'de 85 mV'lik aşırı gerilimiyle Pt/C ile rekabet ‎ederken uzun bir süre boyunca kayda değer dayanıklılık göstermiştir.‎ Bu dört yıllık araştırma, sürdürülebilir su ayrıştırma reaksiyonları için verimli ‎elektrokatalizörlerin geliştirilmesine odaklanmıştır. Tez, temiz ve verimli hidrojen ‎üretiminin küresel ihtiyaç haline gelişini ve daha sürdürülebilir ve çevre dostu bir ‎enerji geleceğine yol açmak için bu malzemelerin önemini vurgulamaktadır.‎

Özet (Çeviri)

As the world grapples with growing environmental challenges and an ever-‎expanding population, the need for a sustainable alternative to fossil fuels has become ‎an unprecedented challenge. The quest for sustainable energy production strategies has ‎converged on the electrocatalytic water splitting process integrated with renewable ‎energy resources. The successful realization of this process hinges on the development ‎of competent, cost-effective, and earth-abundant electrocatalysts capable of driving ‎both the oxygen evolution reaction (OER) and the hydrogen evolution reaction (HER) ‎efficiently within the same electrolyte.‎ Over the course of four years of research, this PhD thesis has dedicated extensive ‎efforts to address this challenge by investigating novel electrocatalysts. The following ‎key contributions have been made. 1) Novel Electrocatalysts: Synthesis, ‎characterization, and electrochemical evaluation of newfangled electrocatalysts with ‎the formal composition of Mg1−xTMxB2 (x = 0.025, 0.05, and 0.1; TM = Fe and Co). The ‎study primarily focuses on their performance in both HER and OER under 1.0 M KOH ‎medium. Among these catalysts, Mg0.95Co0.05B2 has demonstrated exceptional HER ‎performance, boasting an overpotential of 470 mV at 10 mA cm−2. The findings ‎suggest a promising direction in the development of highly competent and low-cost ‎electrocatalysts. 2) Transformative Materials: Development of electrocatalysts with a ‎formal composition of V1–xCoxB2 (x = 0, 0.05, 0.1, and 0.2) for use in the oxygen-‎evolving reaction. The incorporation of Co into the VB2 structure has led to a dramatic ‎transformation in morphology, reducing the overpotential to 200 mV at 10 mA cm−2. ‎This performance rivals that of the noble-metal catalyst RuO2 (290 mV) and ‎demonstrates notable durability under 1.0 M KOH conditions. 3) Metal Organic ‎Frameworks (MOFs): Exploration of nanocomposites based on NCM [N = Ni, C = ‎Co, M = Fe, Cu, Zn]/Ni-BDC@NF, directly developed on nickel foam (NF), revealing ‎unique electronic structure modulation. Notably, the NCF/Ni-BDC catalyst ‎demonstrates outstanding OER performance, requiring only 1.35 V versus a reversible ‎hydrogen electrode (RHE) to achieve 10 mA cm–2 current density. This research ‎showcases the potential of 2D MOFs as versatile materials for efficient water splitting. ‎‎4) Heterostructures: Presentation of a high-performance and durable heterostructure ‎of NiMo/CoMoO4 for the alkaline HER, constructed via a two-pot in situ growth ‎strategy on a NF. The heterostructure exhibits low overpotential (102 mV at 10 mA ‎cm–2) and high Faradaic efficiency. It highlights the synergy of metallic and oxide ‎components, demonstrating superior performance in the HER, a crucial element of ‎water electrolysis for carbon-neutral hydrogen production. 5) MOF-Derived ‎Catalysts: Introduction of a nanostructured interface between NiMo/CuO@C derived ‎from Cu-MOF, designed and developed on NF, as a competent HER electrocatalyst in ‎alkaline media. This catalyst shows a low overpotential of 85 mV at 10 mA cm−2, ‎rivalling Pt/C, and exhibits remarkable durability over an extended period of 50 h.‎ This four-year research endeavor culminates in a comprehensive understanding of ‎advanced electrocatalysts for sustainable water splitting. The thesis underscores the ‎significance of these materials in addressing the global need for clean and efficient ‎hydrogen production, offering a pathway towards a more sustainable and eco-friendly ‎energy future.‎

Benzer Tezler

  1. Doğrudan sodyum borhidrürlü yakıt pili anot ve katot elekrokatalizörünün sentezi ve karakterizasyonu

    Synthesis and characterization of cathode and anode electrocatalysts for direct sodium borohyride fuel cell

    OSMAN OKUR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Kimya MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. ERDOĞAN ALPER

  2. Synthesis and characterization of some gold-based nano electrocatalysts for use in isomeric alcoholic fuel cells

    Başlık çevirisi yok

    FARAZ MOHAMMAD VALİPOUR

    Yüksek Lisans

    Arapça

    Arapça

    2019

    Urmia University

    DR. ESMAEİL HABİBİ

  3. 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

  4. Tungsten oksit ve katkılı tungsten oksit ince filmlerin hazırlanması ve karakterizasyonu

    Preparation and characterization of tungsten oxide and doped tungsten oxide thin films

    ESRA ÖZKAN ZAYİM

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2002

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATMA Z. TEPEHAN

  5. Boya hassasiyetli güneş pilleri için D-π-D türevli ftalosiyaninlerin sentezlenmesi, spektroskopik ve elektriksel özelliklerinin incelenmesi

    The synthesis of D-π-D derivated phthalocyanines for dye-sensitized solar cell, investigation of spectroscopic and electrical properties

    KAAN ÇAKTI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    KimyaYıldız Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. İBRAHİM ERDEN