Geri Dön

Fabrication of mesoporous nickel oxide based thin film electrodes and their electrochemical properties

Mezo-gözenekli nikel oksit yapılı ince film elektrotların üretimi ve elektrokimyasal özellikleri

PDF İndir

  1. Tez No: 918324
  2. Yazar: ASSEL AMIRZHANOVA KATIRCI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ÖMER DAĞ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya, Chemistry
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  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: 193

Özet

Bu tezde, kararlı elektroaktif mezogözenekli Ni1-xMnxO ince film elektrotlar, FTO ve grafit çubukların üzerinde sentezlenmiştir. Bu amaçla, eriyik tuz destekli kendiliğinden-oluşma (MASA) sentez tekniği kullanılmıştır. Sentez süreci, çeşitli mol oranlarında [Mn(H2O)4](NO3)2 ve [Ni(H2O)6](NO3)2 tuzlarının (Ni(II)/Mn(II)) oranı 1.0 ile 0.1 arasında) ve C12H25(OCH2CH2)10OH (C12E10) ve C16H33N(CH3)3Br (CTAB) yüzeyaktif maddelerin etanol içinde çözünmesi ile başlar. Daha sonra bu çözeltiler, iletken yüzeylere kaplanarak sıvı kristal arafazlar elde edilir. Tuz-yüzey aktif sıvı- kristal arafazların yakılması ile FTO ve grafit üzerine kaplı mezogözenekli Ni1-xMnxO ince filmler elde edilir. Bu ince filmler, x değeri 0.7'ye kadar katı-çözelti oluştururken, artan manganez oranı ve tavlama sıcaklığı bunları NiMnO3, Mn3O4 ve Mn2O3 fazlarına dönüştürür. Hazırlanan bu filmler mezo-gözenekli yapıdadır. Dolayısıyla, azot tutma- bırakma tayini ölçümleri, mezogözenekli malzemeleri tanımlayan karakteristik tip IV izoterm eğrilerini verir. Gözenek boyutlarının, nikelce-zengin bileşiklerinden manganca- zengin bileşiklere gidildikçe, 2.8 nm den 17.6 nm'ye kadar arttığı gözlenmiştir. 350°C'de yakılmış Ni0.9Mn0.1O in yüzey alanı 211 m²/g'a kadar ulaşırken saf haldeki NiO'in BET yüzey alanı 165 m2/gr olarak hesaplanmıştır. FTO ve grafit kaplı elektrotlar (FTO-Ni1-xMnxO ve G-Ni1-xMnxO), yüksek yük kapasitesi değerleri sergilemiş olsalar da uzun süreli kullanımda dayanıklı olmadıkları ve parçalandıkları gözlenmiştir. FTO tabanlı elektrotlar ilk birkaç devinimde kapasite artışı gösterirken, uzun süreli devinimlerde kapasitelerinde düşüş gözlemlenmiştir. Buna karşılık, grafit tabanlı elektrotlar daha yüksek dayanıklılığa ve yük kapasitesine (tutma özelliği) sahip olduğu gösterilmiştir. Elektrokimyasal testler, hem saf NiO hem de Ni1-xMnxO'nun yapısal olarak NiO (çekirdek)/Ni(OH)2 (kabuk) veya Ni1-xMnxO (çekirdek)/Ni(OH)2 (kabuk) yapılarına dönüştüğünü ortaya koymuştur. Bu durumlarda, kabuk kalınlıkları 350°C'de saf NiO için 2.0 nm, Ni0.9Mn0.1O için 1.1 nm arasında değişmektedir. Kabuk kalınlıkları ve yük kapasitesi, tavlama sıcaklığı ile artan gözenek duvar kalınlığından etkilenir. Bu değişikliklere rağmen, mangan eklenmesi elektrotların dayanıklılığını artırmıştır. Ancak, bu ekleme elektrotların ek potansiyeline bir katkı sağlamamıştır. Ayrıca, tavlama sıcaklığı yük kapasitesini etkilerken, oksijen çıkma tepkimesine (OER) davranışı aynı kalmıştır. Ayrıca, MASA yöntemi kullanılarak, [Ni(H2O)6](NO3)2 ve tetrametil ortosilikat (TMOS) ile CTAB ve C12E10 yüzey aktif maddeleri kullanılarak farklı nikel/silika oranlarında m-NiO-SiO2 elektrotları sentezlenmiştir. Silika maddesi, NiO için bir sert- kalıp görevi görmüş ve sonuç olarak yüksek kalitede gözenekli yapılar elde edilmiştir. Silika gözenek boyutları yaklaşık 2.6 nm dir. 350°C'de yakılarak elde edilmiş malzemeler de gözlenen ikincil mezogözenekler yaklaşık 15 nm dir. Bu boyut özelliği elektrokimyasal tepkimelerde elektrolit çözeltilerinin daha iyi nüfuz etmesini sağlamıştır. Analiz sırasında, silika, alkali elektrolit içerisinde çözülerek uzaklaşır. Dolayısıyla grafit üzerinde hazırlanmış elektrotların da yüzey alanları 130 m2/gr olarak hesaplanmıştır. Bu elektrotlar 10 mA/cm2 akım yoğunluğunda gerçekleştirilen CP deneylerinde 381 mV ek potansiyel değeri gösterir.

Özet (Çeviri)

n this thesis, robust electroactive mesoporous Ni1-xMnxO thin-film electrodes were synthesized on FTO and graphite rod substrates. Molten salt-assisted self- assembly (MASA) synthesis method was employed to produce uniform thin films. The synthesis started with preparing ethanol solutions, containing various molar ratios of [Mn(H2O)4](NO3)2 and [Ni(H2O)6](NO3)2 (between 1.0 to 0.1 Ni(II)/Mn(II) ratio ) and surfactants (C12H25(OCH2CH2)10OH, C12E10 and C16H33N(CH3)3Br, CTAB). Then, these solutions are coated over conductive substrates to obtain the salt-surfactant lyotropic liquid crystalline (LLC) mesophase. The thin mesophase is calcined in order to produce mesoporous Ni1-xMnxO thin-films on the FTO or graphite. The thin-films form solid solutions with the x value of up to 0.7. The Ni1-xMnxO thin-films transform to NiMnO3, Mn3O4, and Mn2O3 phases at increased Mn ratios and annealing temperatures. The films are mesoporous and were confirmed by N2 adsorption- desorption analysis and typical type IV isotherms characteristic for mesoporous materials. Pore sizes varied from 2.8 to 17.6 nm from Ni-rich to Mn-rich oxides. The surface area reaches to 211 m2/g in Ni0.9Mn1O, while the pure NiO has a BET surface area of 164 m2/g at 350 oC calcination temperature. The FTO and graphite-coated electrodes (FTO-Ni1-xMnxO and G-Ni1-xMnxO) display high charge capacities, but the FTO coated electrodes are unstable and undergo to degradation over extended time of usage. In the first few CV cycles of the FTO-based electrodes, they show an increased capacity, however, decline in further cycles. On the other hand, graphite-based electrodes show better stability and high charge capacity. Origin for increasing charge capacity with cycling is attributed to a transformation of the metal oxides to metal hydroxides. Thus, the electrochemical CV cycling of both pure NiO and Ni1-xMnxO electrodes results in a structural change into a NiO(core)/Ni(OH)2(shell) or Ni1-xMnxO(core)/Ni(OH)2(shell) configurations. The shell thickness is ranged from 2.0 nm (pure NiO) to 1.1 nm (Ni0.9Mn0.1O) at 350°C. Moreover, the shell thicknesses and charge capacities are affected by the pore-wall thicknesses, which increases with increasing annealing temperature. Despite these changes, the manganese addition improves the stability of the electrodes, but there is no improvements on the overpotential on oxygen evolution reaction (OER). Moreover, the annealing temperature reduces the charge capacity, whereas the OER performance remains the same. By using the same MASA method, m-NiO-SiO2 electrodes were synthesized using [Ni(H2O)6](NO3)2 and tetramethyl orthosilicate (TMOS) with CTAB and C12E10 surfactants at different Ni to TMOS ratios. Silica acts as hard template support for NiO, and the film is formed in good quality with bimodal pore size distribution. The sample pore size that was observed is 2.6 nm, which originates from the m-SiO2 domains. The second pore system had also mesopores; the average pore size is 15 nm, calcined at 350 oC. That property helps better infiltration of electrolytes, which is advantageous during electrochemistry. During electrochemical analysis, silica is etched out in basic electrolyte. These electrodes, prepared on graphite substrate have specific surface area of around 130 m2/g. The electrodes show an overpotential 381 mV in the CP experiment at 10 mA/cm2 current density.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    872814

    Synthesis, characterization, and electrochemical properties of mesoporous spinel LiMn2-xMxO4 (M = Mn, Fe, Co, Ni, and Cu) thin films

    Mezogözenekli spinel LiMn2-xMxO4 (M = Mn, Fe, Co, Ni, and Cu) ince filmlerin sentezi, karakterizasyonu ve elektrokimyasal özellikleri

    IRMAK KARAKAYA DURUKAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖMER DAĞ

  2. Tez No

    752052

    Mesoporous materials for electrochemical energy conversion

    Elektrokimyasal enerji dönüşümü için mezo gözenekli malzemeler

    CÜNEYT KARAKAYA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    KimyaKoç Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. SARP KAYA

  3. Tez No

    476640

    Molten salt assisted self-assembly process: Synthesis of mesoporous transition metal oxide thin films and cdse sensitized tio2 photoanodes

    Eriyik tuz yardımlı kendiliğinden oluşma (Eyko) yöntemi: Mezogözenekli geçiş metal oksit ince filmlerin ve cdse duyarlı tio2 foto-anotların sentezi

    MUAMMER YUSUF YAMAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖMER DAĞ

  4. Tez No

    666628

    Preparation of novel scaffold systems reinforced with mesoporous silica nanoparticles for BMP-2 delivery and in vitro investigations

    BMP-2 iletiminde kullanılmak üzere mezoporöz silika nanoparçacıklar ile güçlendirilmiş yenilikçi doku iskelesi sistemlerinin hazırlanması ve in vitro incelenmeleri

    AYŞENUR PAMUKÇU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Biyoteknolojiİzmir Katip Çelebi Üniversitesi

    Biyomedikal Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. DİDEM ŞEN KARAMAN

    DOÇ. DR. OZAN KARAMAN

  5. Tez No

    499532

    Yeni nesil perovskit güneş hücrelerinde iskelet yapıların desenlenmesi

    Patterning of scaffold structures on new generation perovskite solar cells

    KORAY KARA

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Fizik ve Fizik MühendisliğiSelçuk Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MAHMUT KUŞ

Geri Dön