Designing multi-component oxides as air cathode for rechargeable aqueous zn-air batteries
Şarj edilebilir sulu çinko-hava pilleri için çok bileşenli oksitlerin hava katodu olarak tasarlanması
- Tez No: 891753
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ÇİĞDEM TOPARLI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 138
Özet
Çevre kirliliği endişelerini gidermek ve artan enerji talebini karşılamak için yenilenebilir enerji sistemlerinin ve uygun maliyetli elektrokimyasal enerji depolama çözümlerinin geliştirilmesi esastır. Şarj edilebilir çinko-hava pilleri, yüksek özgül enerjileri, uygun maliyetli olmaları ve çevre dostu olmaları sebebiyle çeşitli enerji depolama cihazları arasında öne çıkmaktadır. Ancak, deşarj ve şarj işlemi sırasında hava katodunda gerçekleşen oksijen indirgenme reaksiyonunun (ORR) ve oksijen yükseltgenme reaksiyonunun (OER) yavaş kinetiği, büyük ölçekli uygulamayı engellemektedir. Bu nedenle, sağlam ve ekonomik bifonksiyonel oksijen elektro katalizörleri tasarlamak, Zn-hava pillerinin ticarileştirilmesi için çok önemlidir. Bu tezde, Zn-hava pilleri için çok bileşenli oksit bifonksiyonel elektro katalizörler (yüksek entropili oksitler (HEO'lar) ve çift perovskit oksitler) kapsamlı bir şekilde incelenmiştir. Oksijen boşluğunun, gözenekliliğin ve dopingin elektro katalitik OER/ORR aktivitesi ve Zn-hava pil performansı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Öncelikle, kristal yapıya oksijen boşlukları dahil etmeyi amaçlayan vakum atmosferinde (FeCrCoMnZn)3O4-δ yüksek entropili spinel oksit üretmek için yeni bir sentez yöntemi sunuyoruz. Havada sentezlenen muadiliyle karşılaştırıldığında, bol oksijen boşluğuna sahip HEO, oksijen reaksiyonlarında elektrokimyasal aktiviteyi gösteren 0.89 V'luk bifonksiyonel indeksiyle daha iyi performans sergiliyor. Zn-hava pillerinin hava katodunda elektrokimyasal katalizör olarak kullanıldığında, vakumda sentezlenen HEO katalizörleri havada işlenen HEO'dan daha iyi performans göstererek üstün tepe güç yoğunluğu, özgül kapasite ve çevrim kararlılığı gösteriyor. Daha sonra, nano gözenekli (FeCrCoMnZn)3O4-δ tozlarını sentezlemek için düşük sıcaklıklı sol-jel yöntemini uyguladık. Gözenek boyutunun elektrokimyasal aktivite üzerindeki etkisini anlamak için çeşitli sıcaklıklarda kalsinasyon uygulanır. 600°C'de işlenen HEO tozu, 500°C ve 700°C'de kalsine edilen diğer elektro katalizörlere kıyasla daha büyük gözenek boyutu ve daha yüksek oksijen boşlukları konsantrasyonu sergiler. Bir Zn-hava pilinde hava katodu olarak kullanıldığında, 600°C'de işlenen HEO daha büyük kapasite ve tepe güç yoğunluğuna ulaşır. Özellikle, 600°C'de işlenen nanogözenekli HEO'lu Zn-hava pili, 1000 saatlik döngüsel şarj-deşarjdan sonra bile kararlılığını koruyarak olağanüstü kararlılık ve dayanıklılık gösterir. Son olarak, kobalt ve demir miktarının çift perovskit oksitlerin B-bölgesindeki etkisini anlamak için B-bölgesi katkılı NdBaCoaFe2-aO5+δ (a= 1.0, 1.4, 1.6, 1.8) elektro katalizörleri sentezledik. X-ışını fotoelektron spektroskopisi analizi, demir indirgemesi ile artan oksijen boşluğu içeriği arasında bir korelasyon olduğunu ortaya koydu; bu, elektrokatalistin işlevini düşürerek çift işlevliliğini etkiler. En yüksek kobalt içeriğine sahip elektrokatalizör, NdBaCo1.8Fe0.2O5+δ, 0.95 V'luk bir çift işlevlilik değeri sergileyerek diğer sentezlenen elektrokatalizörlerden daha iyi performans gösterdi. Bir Zn-hava pilinde hava katodu olarak NdBaCo1.8Fe0.2O5+δ, yükseltilmiş kapasite, en yüksek tepe güç yoğunluğu ve geliştirilmiş dayanıklılık ve kararlılık dahil olmak üzere üstün performans özellikleri gösterdi. Bulgularımız, oksijen boşluklarının miktarını, gözenekliliği ve çok bileşenli oksitlerin katkılanmasını ayarlamanın, elektrokimyasal OER/ORR performansını özelleştirmek için yeni bir yaklaşım sunduğunu güçlü bir şekilde önermektedir.
Özet (Çeviri)
To address environmental pollution concerns and meet the increasing energy demand, the development of renewable energy systems and cost-effective electrochemical energy storage solutions is essential. Rechargeable zinc-air batteries have gathered significant attention among various energy storage devices due to their high specific energy, cost-effectiveness, and environmental friendliness. However, the sluggish kinetics of the oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER) during the discharge and recharge process of the air cathode hinder large-scale application. Thus, designing robust and economically viable bifunctional oxygen electrocatalysts is crucial for the commercialization of Zn-air batteries. In this thesis, multicomponent oxide bifunctional electrocatalysts namely high entropy oxides (HEOs) and double perovskite oxides for Zn-air batteries are thoroughly investigated. The effect of oxygen vacancy, porosity, and doping on the electrocatalytic OER/ORR activity and Zn-air battery performance are explored. Firstly, we introduce a novel synthesis method to produce (FeCrCoMnZn)3O4-δ high entropy spinel oxide in a vacuum atmosphere, primarily aimed at incorporating oxygen vacancies into the crystal structure. Compared to its air-synthesized counterpart, the resulting HEO with abundant oxygen vacancies exhibits a better bifunctional index of 0.89 V, indicating enhanced electrocatalytic activity for oxygen reactions. When used as electrocatalysts in the air cathode of Zn-air batteries, the vacuum-synthesized HEO catalysts outperform HEO treated in air, demonstrating superior peak power density, specific capacity, and cycling stability. Then, we applied a low-temperature sol-gel method to synthesize nano-porous (FeCrCoMnZn)3O4-δ powders. To understand the effect of pore size on the electrocatalytic activity, calcination is applied at various temperatures. The HEO powder treated at 600°C exhibits larger pore size and a higher concentration of oxygen vacancies compared to other electrocatalysts calcined at 500°C and 700°C. When used as an air cathode in a Zn-air battery, the HEO treated at 600°C achieves greater capacity and peak power density. Notably, the Zn-air battery with nanoporous HEO treated at 600°C maintains its stability even after 1000 hours of cyclic charge-discharge, demonstrating exceptional stability and durability. Finally, we synthesized B-site doped NdBaCoaFe2-aO5+δ (a= 1.0, 1.4, 1.6, 1.8) electrocatalysts to understand the effect of cobalt and iron amount on the B-site of double perovskite oxides. X-ray photoelectron spectroscopy analysis revealed a correlation between iron reduction and increased oxygen vacancy content, which influences the electrocatalyst's bifunctionality by lowering the work function. The electrocatalyst with the highest cobalt content, NdBaCo1.8Fe0.2O5+δ, exhibited a bifunctionality value of 0.95 V, outperforming the other synthesized electrocatalysts. As an air cathode in a Zn-air battery, NdBaCo1.8Fe0.2O5+δ demonstrated superior performance characteristics, including elevated capacity, the highest peak power density, and enhanced durability and stability. Our findings strongly suggest that adjusting the quantity of oxygen vacancies, porosity, and doping of multi-component oxides offers a novel approach to customize electrochemical OER/ORR performance.
Benzer Tezler
- Aircraft trajectory optimization under wind effect by using optimal control: Environmental impact assessment
Optimal kontrol ile rüzgar etkisi altında uçak rota optimizasyonu: Havacılığın çevresel etkisinin değerlendirilmesi
FULİN SEZENOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM OZKOL
- Uçak yolcu koltuklarında magnezyum alaşımlı dizaynla ağırlık tasarrufu ve çoklu bileşenli alaşım geliştirme
Weight reduction in aircraft passenger seats by designing magnesium alloys and designing multi-component alloys
ALİCAN ATAMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Metalurji MühendisliğiAnadolu ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ ARSLAN KAYA
- Novel design-based complex nanostructures in hybrid core-shell architectures for high-efficiency light generation
Yüksek verimli ışık üretimi için melez çekirdek-kabuk mimarili yenilikçi dizayn temelli kompleks nanoyapılar
İLKEM ÖZGE ÖZEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HİLMİ VOLKAN DEMİR
- Akademik çeviri öğretiminde çeviri edinci temelli örnek bir analitik dereceli puanlama anahtarı
A translation competence based analytic scoring rubric sample in translation studies
ALİ ÖLMEZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Mütercim-TercümanlıkMersin ÜniversitesiÇeviribilim Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMRA DURUKAN
- Kent meydanlarının mekân tasarımı niteliklerinin bulanık mantık ile değerlendirilmesi
The evaluation of spatial design parameters of urban square with fuzzy logic method
PINAR ÖZYILMAZ KÜÇÜKYAĞCI
Doktora
Türkçe
2020
Şehircilik ve Bölge Planlamaİstanbul Teknik ÜniversitesiŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET OCAKÇI