Yapay fotosentez temelli CO2 indirgenmesi ve hidrojen üretimi için ftalosiyanin temelli fotoelektrotların geliştirilmesi
Development of phthalocyanine-based photoelectrodes for CO2 reduction and hydrogen production based on artificial photosynthesis
- Tez No: 976109
- Danışmanlar: DOÇ. DR. EMRE ASLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyokimya, Enerji, Biochemistry, Energy
- Anahtar Kelimeler: Fotoindirgenme, Fotosentez, Photoreductions, Photosynthesis
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Selçuk Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyokimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Atmosferde artan karbondioksit (CO2) konsantrasyonları, sürdürülebilir enerji kaynaklarına duyulan acil ihtiyaç, küresel çevre ve enerji güvenliği açısından önemli zorluklar ortaya çıkarmaktadır. Doğal fotosentez aracılığıyla CO2 indirgenmesi, yeni yaklaşımlar için önemli bir yol göstermektedir. Bunların arasında foto-elektrokimyasal (PEC) yöntem, CO2'yi güneş ışınımı altında ve standart koşullarda seçici gaz ve sıvı ürünlere (örn. etanol) dönüştürmek için ideal bir yöntemdir. PEC CO2 indirgenmesi için şimdiye kadar yapılan birçok çalışmada yüksek maliyetlere sahip olan değerli metaller (Pt, Pd vb.) sıkça kullanılmaktadır. Bu yüksek maliyete sahip katalizörlere alternatif olarak uygun maliyetli bol bulunan yarı iletken katalizörlerin geliştirilmesi gerekmektedir. Bu bağlamda nikel oksit (NiO) katalizörlerin öne çıkan eşsiz özellikleri bu uygulamalar için kullanılmasını uygun kılmaktadır. Ancak geniş band aralıkları ışıkla çalışılan katalitik uygulamalarda sınırlayıcı bir faktördür. Bu problemin önüne geçmek için doğal fotosentez sistemlerinde klorofilin biyomimetik analogları olarak işlev görmek üzere tasarlanmış yeni ftalosiyanin türevlerinin sentezine ve karakterizasyonuna odaklanılmaktadır. Bu organik boyar maddelerden olan simetrik tetra karboksilik asit sübstitüentleri ve merkezi metal atomu olarak demir veya kobalt içeren ftalosiyaninler, nikel oksit elektrotları ışığa duyarlılaştırılmıştır. Bu yaklaşım, CO2 indirgenmesi ve su ayrıştırılması için ışık absorbsiyonunu, yük ayrımını ve katalitik aktiviteyi artırarak sınırlayıcı etkilerin ortadan kaldırılmasını sağlamıştır. Bu tez çalışmasında, nano boyutta sentezlenen NiO nanofiber (NF) ve nanokristal elektrotların fotoelektrokimyasal CO2 indirgenme performansları ve ürün analizi incelenmiştir. NiO kaplı FTO elektrotlar farklı kaplama sayılarıyla hazırlanmış ve CV, LSV ile EIS ölçümleri yapılmıştır. Sonuçlar, 3 kat NiO kaplamanın optimum performansı sağladığını, ayrıca nanofiber yapıların nanokristallere kıyasla daha yüksek akım yoğunluğu, pozitif indirgenme potansiyeli ve düşük yük transfer direnci (Rct) ile daha etkin elektron taşınımı sağladığını ortaya koymuştur. Ftalosiyanin türevleri (C118, C155) ile duyarlılaştırma, ışık altında katalitik aktiviteyi belirgin şekilde artırmıştır. Özellikle C118 türevi hem karanlık hem de aydınlık koşullarda en yüksek fotoelektrokimyasal performansı sağlamıştır. GC-MS analizleri, yalın NiO-NF elektrotlarda CO ve düşük yoğunlukta etanol pikleri gözlenirken, ftalosiyanin ile fonksiyonlandırılmış elektrotlarda reaksiyon süresi ilerledikçe CO ve etanol sinyallerinde belirgin artışlar kaydedildiğini göstermiştir. C118 ile modifiye edilmiş elektrotlarda CO2 sinyalinde hızlı bir azalma ve CO ile etanol piklerinde güçlü artışlar gözlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Increasing atmospheric carbon dioxide (CO₂) concentrations, the urgent need for sustainable energy sources, and global environmental and energy security challenges have raised significant concerns. CO₂ reduction via natural photosynthesis provides an important route for developing novel approaches. Among these, the photoelectrochemical (PEC) method is an ideal strategy for converting CO₂ into selective gaseous and liquid products (e.g., ethanol) under sunlight and ambient conditions. Many previous PEC CO₂ reduction studies have relied on expensive noble metals (Pt, Pd, etc.) as catalysts. To overcome these cost limitations, the development of affordable and abundant semiconductor catalysts is necessary. In this context, nickel oxide (NiO) catalysts possess unique properties that make them suitable for such applications; however, their wide bandgap remains a limiting factor in light-driven catalytic processes. To address this limitation, novel phthalocyanine derivatives, designed as biomimetic analogues of chlorophyll, were synthesized and characterized. Symmetric tetra-carboxylic acid substituted phthalocyanines containing iron or cobalt as the central metal atom were used to sensitize NiO electrodes. This approach enhanced light absorption, charge separation, and catalytic activity, thereby overcoming the inherent limitations of NiO for CO₂ reduction and water splitting. In this study, the photoelectrochemical CO₂ reduction performance and product analysis of nanoscale NiO nanofiber (NF) and nanocrystal electrodes were investigated. NiO-coated FTO electrodes were prepared with different coating layers, and CV, LSV, and EIS measurements were performed. The results indicated that three-layer NiO coatings provided optimal performance, and nanofiber electrodes exhibited higher current density, more positive reduction potentials, and lower charge transfer resistance (Rct) compared to nanocrystalline electrodes, demonstrating more efficient electron transport. Sensitization with phthalocyanine derivatives (C118 and C155) significantly enhanced catalytic activity under illumination. C118-modified electrodes exhibited the highest photoelectrochemical performance under both dark and light conditions. GC-MS analyses revealed that pristine NiO-NF electrodes showed CO and low-intensity ethanol peaks, while phthalocyanine-functionalized electrodes demonstrated significant increases in CO and ethanol signals over time. Notably, C118-sensitized electrodes displayed a rapid decrease in CO₂ signal alongside strong increases in CO and ethanol peaks, highlighting the effectiveness of phthalocyanine sensitization in promoting CO₂ reduction and selective product formation.
Benzer Tezler
- Nanofiber temelli fotokatotların hazırlanması ve yapay fotosentez uygulamalarında kullanımı
Preparation of nanofiber-based photocathodes and using in artificial photosynthesis applications
ESRA SALKIM
- Investigation of cyanide-based catalysts and hybrid assemblies for artificial photosynthesis
Yapay fotosentez için siyanür bazlı katalizörler ve hibrit düzenlemelerin incelenmesi
SINA SADIGH AKBARI
Doktora
İngilizce
2022
Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. FERDİ KARADAŞ
- Biyopolimer temelli katalizörlerin biyolojik aktivitelerinin incelenmesi ve yapay fotosentez uygulamaları
Investigation of biological activities of biopolymer based catalysts and applications of artificial photosynthesis
MÜNEVVER TUNA GENÇ
Doktora
Türkçe
2025
BiyoteknolojiSelçuk ÜniversitesiBiyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İMREN HATAY PATIR
PROF. DR. CRISTINA POTRICH
- Preparation and characterization of titania based powders and suspensions for photocatalytic applications
Titan bazlı tozlar ve asıltıların fotokatalitik uygulamalara yönelik hazırlanması ve karakterizasyonu
HÜSNÜ ARDA YURTSEVER
Doktora
İngilizce
2015
Kimya Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUHSİN ÇİFTÇİOĞLU
- Nanoparçaçık temelli hidrojen üretimi
Hydrogen production based on nanoparticles
EMRE ASLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
EnerjiSelçuk ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ERSÖZ
DOÇ. DR. İMREN HATAY PATIR