Experimental investigation and evaluation of various photoelectrodes for hydrogen production through water splitting
Su ayrıştırma yoluyla hidrojen üretimi için çeşitli fotoelektrotların deneysel incelenmesi ve değerlendirilmesi
- Tez No: 954167
- Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM DİNCER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Temiz Enerji Teknolojileri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İleri Enerji Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: İleri Enerji Teknolojileri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 153
Özet
Bu çalışmada, gelişen ve dönüşen enerji denkleminde yenilenebir enerji ve temiz bir yakıt, hammande ve enerji depolama ortamı olarak kullanılabilen hidrojenin üretilmesinde güneş enerjisi ve hidrojenin entegre edildiği sistemlerde umut verici bir alternatif olan fotoelektrokimyasal (PEC) su ayrışımı için yeni bir yarıiletken fotoelektrokatalizör sentezlenmiş, elektrokimyasal özellikleri ve iç yapısı karakterize edilmiş, ek olarak hidrojen üretim hızları da bulunmuştur. Çalışmada TiO2 nanoparçacıklar sol-jel yöntemyle sentezlenmiş ve pirinç ve paslanmaz çelik gibi farklı elektrot malzemeleri üzerine döndürme ve daldırma kaplama yöntemleriyle kaplanmıştır. PEC performansı iyileştirmek adına, katkılama yöntemi seçilmiş ve katkılanacak element olarak iridyum (Ir) ve molibden (Mo) kullanılmıştır. Farklı 1, 3, 5%at katkılama oranları hem Ir-katkılanmış hem Mo-katkılanmış ve ek olarak Ir-Mo-birlikte katkılanmış TiO2 yarı iletken fotokatalizörü geliştirilmiştir. Sentezlenen malzemelerin elektrokimyasal davranışları, yüzey yapıları ve kristal yapıları karakterize edilmiş ve hidrojen üretim oranları belirlenmiştir. Hidrojen üretimi, elektrot boyutlarına uygun olarak özel olarak tasarlanmış bir PEC reaktöründe, solar simülatörün önüne yerleştirilerek test edilmiş ve sistemin termodinamik analizi gerçekleştirilmiştir. Enerji verimi, ekserji verimi ve uygulanan ön voltaja karşılık gelen foton-akım verimi (ABPE) hesaplanmıştır. Hidrojen gelişim reaksiyonu (HER), doplanmış TiO2 ince filmleri kaplanmış pirinç elektrotlar üzerinde; oksijen gelişim reaksiyonu (OER) ise paslanmaz çelik elektrotlar üzerinde test edilmiştir. Sonuç olarak, en yüksek hidrojen üretim hızı olan 81.78 μmol/cm2saat, döndürme ile kaplama yöntemiyle paslanmaz çelik üzerine kaplanmış %5 Ir/Mo eş-katkılı TiO2 numunesinde elde edilmiştir ve bu numune sırasıyla %5.50 enerji, %5.65 ekserji ve %1.68 ABPE verimliliği göstermiştir. Daldırma çekme kaplama yöntemiyle hazırlanmış numuneler arasında ise en iyi performans, %1 Ir/Mo eş-katkılı TiO2 numunesinde gözlemlenmiş; bu numune 76.33 μmol/cm2saat hidrojen üretimi ile %5.13 enerji, %5.27 ekserji ve %1.57 ABPE verimliliği göstermiştir. Genel olarak, daldırma çekme ile kaplanmış numuneler daha yüksek performans sergilemiş; ayrıca, eş-katkılı TiO2 fotokatalizörler, yalnızca Ir veya Mo katkılanmış numunelere kıyasla daha yüksek hidrojen üretimi sağlamıştır.
Özet (Çeviri)
In this study, a novel semiconductor photoelectrocatalyst was synthesized for photoelectrochemical (PEC) water splitting, which is considered a promising alternative for solar-to-hydrogen systems in the evolving and transforming energy equation where hydrogen plays a critical role as a renewable, clean fuel, feedstock, and energy storage medium. TiO2 nanoparticles were synthesized via the sol-gel method and deposited onto different substrates, such as stainless steel and brass, using spin coating and dip coating techniques. The doping strategy was employed to enhance the PEC performance, where Iridium (Ir) and Molybdenum (Mo) were selected as dopant elements. TiO2 photoelectrocatalysts doped with Ir and Mo at different atomic ratios (1%, 3%, and 5%) were developed, including Ir-doped, Mo-doped, and Ir-Mo co-doped variations. The synthesized TiO2 nanoparticles and thin films were characterized through their electrochemical behavior, morphology, and crystal structure, and their hydrogen production rates were determined. FESEM and XRD tests were carried out to analyze the morphology and crystal structure. Hydrogen production was tested in a specifically designed PEC reactor adapted for the dimensions of the photoelectrodes, placed in front of a solar simulator as the light source, and a thermodynamic analysis of the system was performed. The energy efficiency, exergy efficiency, and applied bias photon-to-current efficiency (ABPE) were determined. The hydrogen evolution reaction (HER) was tested on brass electrodes coated with doped TiO2 thin films, while the oxygen evolution reaction (OER) was evaluated on stainless steel photoelectrodes. As a result, the highest hydrogen production rate of 81.78 μmol/cm2h was achieved with 5% Ir/Mo co-doped TiO2 deposited on stainless steel via spin coating, corresponding to energy, exergy, and ABPE efficiencies of 5.50%, 5.65%, and 1.68%, respectively. Among the dip-coated photoelectrodes, the best performance was observed for 1% Ir/Mo co-doped TiO2, reaching 76.33 μmol/cm2h, with respective efficiencies of 5.13% energy, 5.27% exergy, and 1.57% ABPE. Overall, the dip-coated samples exhibited higher performance, and the co-doped TiO2 catalysts led to greater hydrogen production than their individually Ir- or Mo-doped counterparts.
Benzer Tezler
- Kompaksiyon enerjisi ve geofiber katkı malzemesinin taş ocağı artık malzemesinin mekanik davranışı üzerindeki etkisi
Effects of compaction energy and geofiber reinforcement on mechanical behavior of quarry residuals
BEYZA ÖZULU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BERRAK TEYMÜR
DR. GÖKHAN ÇEVİKBİLEN
- Aktif çamurda çoklu substrat gideriminin modellenmesi
Modelling of multiple substrate removal in activated suludge process
GÜLEN EREMEKTAR
Doktora
Türkçe
1997
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OLCAY TÜNAY
- Nonazeotropik soğutkan karışımları kullanan ısı pompalarının deneysel ve teorik olarak incelenmesi
The Theoretical and experimental investigation of heat pump systems in which nonazeotropic refrigerant mixtures are used
SADIK ERDOĞAN
Doktora
Türkçe
2003
Makine MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER ÇOMAKLI
- Nanoparçacık takviyeli epoksi malzemelerin teorik ve deneysel incelemesi
Theoretical and experimental investigation of nanoparticle reinforced epoxy materials
CAN DİKİCİOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKREM TÜFEKCİ
- Characterization and utilization of calcined Turkish kaolins for improving strength and durability aspects of concrete
Türkiye kökenli kalsine kaolenin betonun dayanım ve dayanıklılık özelliklerini iyileştirilmede kullanımının araştırılması
KASIM MERMERDAŞ
Doktora
İngilizce
2013
İnşaat MühendisliğiGaziantep Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERHAN GÜNEYİSİ