Investigation of Co decorated N, S doped reduced graphene oxide (Co/NSrGO) catalysts for oxygen reduction reaction (ORR) and nh3 electrosynthesis through nitrate reduction reaction (NO3RR)
Kobalt gömülü azot ve kükürt katkılanmış indirgenmiş grafen oksit(Co/NS-rGO) katalizörlerin oksijen indirgenmesi ve nitrat indirgenmesi reaksiyonları için incelenmesireaksiyonları için incelenmesi
- Tez No: 906561
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SARP KAYA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Kimya, Mühendislik Bilimleri, Energy, Chemistry, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 119
Özet
Çağımızda insanlığın en zorlayıcı problemlerinden birisi sürdürülebilir ve karbon-sıfır enerji, kimyasal ve yakıt üretimini sağlamak ve fosil yakıt kaynaklarının kullanımını azaltarak karbon dioksit salınımını düşürmek ve iklim krizini yavaşlatmaktır. Enerji tüketimini dekarbonize edebilmek için iki önemli yol proton değişim membranı yakıt pillerinin ve çevre dostu amonyak elektrosentezinin yaygın ticarileşmesini sağlamaktır. Katalizörlerin reaksiyon kinetiklerini, bağlanma isteklerini ve akım performanslarını anlamak proton değişim membranı limitleyici kompartmanında olan oksijen indirgenmesi reaksiyonunda kullanılmak için satın alınabilir ve yüksek performanslı katalizörlerin kullanmını sağlamak ve sıfır emisyonlu amonyak elektrosentezini Haber- Bosch sürecini tazmin edebilecek kadar ilerletebilmek adına çok önemlidir. Ucuz ve yaygın kobalt yüksek yüzey alanlı grafen bazlı Co/NS-rGO katalizörlerinin farklı metal kompozisyonlarında ve farklı ısıl işlemlere tabi tutulmuş halleri nitrat indirenmesiyle amonyak elektrosentezi ve oksijen indirgenmesindeki seçicilikleri ve aktiviteleri için test edilmiştir. Tezin ilk bölümünde, kobaltın optimum kompozisyonunun oksijen indirgenmesi aktif CoS türlerinin ve kobalt tekli atomlarının homojen dağılmasının katalizörün proton değişim membranı yakıt pilleri için de istenen 4 elektron yönünde seçici olduğunun ve en az aşırıgerilim ve en yüksek akım çıkışına sahip olmasını sağladığı görülmüştür. Katı-transferi limitlerini yok eden dönen disk elektrot ve dönen halka-disk electrot tekniklerinin transfer edilen elektron sayısının Co/NS-rGO için çalışılan potensiyal aralığında endüstriyel katalizörler gibi 4 elektrob olduğu bulunmuştur. Aynı zamanda daha çok kobalt içeren ve kobalt oksit içeriği olan 2Co/NS-rGO katalizörlerinin peroksit formasyonuna yol açtığı bulunmuştur. Sonrasında, katalizörlerin kinetik aktivitelerinin orijinini bulmak için materyallerin elektronik özellikleri elektrokimyasal impedans spektroskopisi teknikleri kullanılarak incelenmiştir. En yüksek performansa sahip Co/NS-rGO katalizörününün Fermi seviyesi etrafında en yüksek durum yoğunluğuna, en fazla yük taşıyıcı yoğunluğuna ve en yüksek düz bant potansiyeline sahip olduğu bulundu. Ayrıca, elektrokimyasal yüzey alanıyla normalize edilen dönen disk elektrot ve dönen halka-disk elektrot deneyleri sonuçlarının normalize edilmeyen halleri gibi yine elektrokimyasal aktif alanlarının maksimum kullanılabilirliğinde olduğu gözlenmiştir. Ayrıca, elektrokimyasal impedans teknikleri Co/NS-rGO katalizörünün kapasitif özelliklerinin en yüksek olduğunu bulmuştur. Tezin ikinci bölümünde, elektrokimyasal nitrattan amonyağa aktivitesi kobaltlı veya kobaltsız; ısıyla eritilmiş veya eritilmemiş kükürt ve azot katkılı indirgenmiş grafen oksit katalizörleri için incelenmiştir. Bulgular kobaltsız katalizörün nitrit üretimini desteklediği ve nitratı amonyağa dönüştürmekte çok etkin olmadığını göstermiştir. Aynı zamanda, ısıl eritmenin hidrojen oluşumu reaksiyonunu desteklediği ve kobalt gömülmesinin de amonyak seçiciliğini ve verimini arttırdığı gözlenmiştir. Mekanizma yaklaşımı XAS, EIS, DRT modeli ve Tafel nalizinin Co/NS-rGO için katı-transferi limitli bir mekanizmaya sahip olduğunu gösterir. Aynı zamanda, ısıyla iretilmiş kobaltlı katalizörün ise yük transferi limitlemelerinin olduğu ve protonlama özelliklerinin düşük olduğu gözlenmiştir. Üstelik, mekanizma çalışmaları nitrit desorpsiyonunun nitrat indirgenmesinde önemli bir rolü olduğunu gösteriyor. Nitriti modüle etmek ve amonyak verimi ve seçiciliğini arttırmak için, kısa aralıklarla elektroliz stratejisi seçilmiştir katı- transferi limitli ve yük transferi limitli rejimlerde. Kısa aralıklı elektroliz sonuçları çok yüksek amonyak verim hızı ve seçiciliğiyle nitrit indirgenmesini gerçekleştiren Co/NS- rGO katalizörünün nitrat indirgenmesi için amonyak seçiciliğini 2 kat ve verimini 3 kat arttırdığı gözlenmiştir. Fakat, ısıyla eritilmiş kobaltlı katalizör hidrojen oluşumu reaksiyonunu takip etmiş ve amonyak üretimi bastırılmıştır.
Özet (Çeviri)
One of humanity's most challenging problems in our century is enabling sustainable and carbon-zero energy, chemical, and fuel production and minimizing the use of fossil fuel sources to reduce CO2 emissions and decelerate climate change. Two crucial routes to decarbonize energy consumption are the widespread commercialization of proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) for transportation and the environment- friendly NH3 electrosynthesis. It is essential to understand reaction kinetics, adsorption tendencies, and current performance of feasible catalysts to actualize the use of affordable and high-performance catalysts for oxygen reduction reaction (ORR) at PEMFCs' limiting cathode compartment and to provide a pathway for zero-emission NH3 electrosynthesis that compensate for NH3 production of carbon-intensive Haber- Bosch process. Comparably cheap and abundant Co and high-surface-area graphene- based Co decorated N, S Doped Reduced Graphene Oxide (Co/NS-rGO) catalysts with different metal compositions and heat treatments are investigated for NH3 electrosynthesis through nitrate reduction reaction (NO3RR) and ORR for their activity and selectivity. In the first part of the thesis, it is unraveled that the optimum composition of Co enables the formation of ORR-active CoS species and homogenous distribution of Co Single Atoms (SAs) steer the selectivity towards 4epathway that is desired for PEMFC and provide the lowest overpotential with the highest current output. With the help of rotating disk electrode (RDE) and rotating ring-disk electrode (RRDE) techniques that eliminate the effect of mass-transfer limitations the number of electrons transferred (ne -) is measured for Co/NS-rGO as 4ethroughout the studied potential range as of industrial PEMFC catalyst of Pt/C while the 2Co/NS-rGO catalyst that has higher Co composition with CoO species, favored more HO2 - production. Furthermore, the origin of the catalysts' kinetic activity and the materials' electronic properties are investigated using electrochemical impedance (EIS) techniques. Co/NS-rGO catalyst that has the highest performance obtained a higher density of states (D(EF)) around the Fermi level for the electroreduction, higher charge carrier density concentration (ND) and the flatband potential. Also, electrochemical surface area (ECSA) normalized RDE and RRDE figures indicate the maximum utilization of electrochemically active sites for the Co/NS-rGO catalyst, which has the highest charge storage properties detected by EIS capacitive measurement. In the second part of the thesis, the electrochemical NO3RR-to-NH3 activity of NS-rGO and its Co incorporated and/or 900 °C pyrolyzed counterparts are investigated. It is observed that NS-rGO is inclined to generate high amounts of NO2 while unable to convert NO3 to NH3 with high efficiency. On the other hand, pyrolysis facilitates hydrogen evolution reaction (HER) for both metal and non-metal catalysts. Co incorporation is claimed to promote NH3 yield rate and Faradaic Efficiency (F.E.) significantly at lower overpotentials with higher current outputs. A mechanistic approach using X-ray Absorption Spectroscopy (XAS), EIS, EIS-driven Distribution of Relaxed Species (DRT), and Tafel analysis enabled us to find that the Co/NS-rGO follows a mass transfer limited mechanism. At the same time, Co/NS-rGO 900 is driven by charge transfer limitations and protonation properties. Furthermore, mechanistic studies show that NO2 desorption plays a significant role in NO3RR. To modulate and increase NH3 yield and F.E., a pulsed electrolysis strategy is inherited at both mass- transfer and charge-transfer limited potential regimes. Pulsed electrolysis results show that Co/NS-rGO catalyst with a very high NH3 yield rate and F.E. for NO2RR can increase its NH3 F.E. by two-fold and yield rate by 3-fold through pulsed electrolysis. In contrast, the pulsed strategy facilitates HER and suppresses NH3 production efficiency for the Co/NS-rGO 900 catalyst.
Benzer Tezler
- Yüzeyi nanopartiküllerle katkılanmış çok duvarlı karbon nanotüplerde hidrojen depolanmasının incelenmesi
Experimental investigation of nanoparticles decorated multi-walled carbon nanotubes for hydrogen storage
SONGÜL KASKUN
Doktora
Türkçe
2018
EnerjiKarabük ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUHAMMET KAYFECİ
- ZnO@BD-g-C3N4 nano yaprak malzemesinin hazırlanması ve antimikrobiyal etkinliğinin incelenmesi
Preparation of ZnO@BD-g-C3N4 nano sheet material and investigation of its antimicrobial effectiveness
AHMET ÖZKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
BiyolojiDicle ÜniversitesiDisiplinlerarası Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FEYYAZ DURAP
- Preparation and performance investigation of high efficient catalyst for high temperature electrochemical hydrogen separation
Yüksek sıcaklıkta elektrokimyasal hidrojen ayrımı için yüksek verimli katalizörün hazırlanması ve performansının incelenmesi
İLAY BİLGE BAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
EnerjiAtılım ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YILSER DEVRİM