Nanofiber temelli fotokatotların hazırlanması ve yapay fotosentez uygulamalarında kullanımı
Preparation of nanofiber-based photocathodes and using in artificial photosynthesis applications
- Tez No: 976135
- Danışmanlar: DOÇ. DR. EMRE ASLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Biyokimya, Energy, Biochemistry
- Anahtar Kelimeler: Fotoelektrokimyasal yöntemler, Fotoindirgenme, Fotosentez, Photoelectrochemical methods, 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
Karbondioksit (CO2) atmosferimizde doğal olarak oluşan bir gazdır, ancak insan faaliyetleri onun konsantrasyonunu önemli ölçüde arttırmıştır. Bu bağlamda, CO2'in kimyasal yakıtlara dönüştürülmesi, sürdürülebilir bir enerji geleceğine ulaşmak için alternatif bir yoldur. Doğada var olan bitkiler güneş ışığı enerjisini kullanarak CO2'yi indirgeyip kendi besinlerini doğal fotosentez yoluyla üretirler. Doğal fotosentez taklit edilerek güneş ışığı enerjisi kullanılarak yarı iletken malzemeler fotokimyasal olarak uyarılır ve CO2 indirgenmesi gerçekleştirilir. Yapay güneş ışığı enerjisi kullanılarak CO2 indirgenmesi yapılan yöntemlerden biri fotoelektrokimyasal (PEC) yöntemdir. Bugüne kadar PEC CO2 indirgemesi üzerine yapılan birçok çalışmada platin (Pt), altın (Au) ve paladyum (Pd) gibi değerli metaller kullanılmış olup, bu metaller etkili olmakla birlikte oldukça pahalıdır. Bu nedenle, uygun maliyetli ve bol miktarda bulunan yarı iletken katalizörlerin geliştirilmesi, bu alanın ilerletilmesi için kritik öneme sahiptir. Nikel oksit (NiO) katalizörleri, kendilerini PEC uygulamaları için uygun hale getiren benzersiz özellikleri nedeniyle bu durumda özellikle dikkat çekicidir. Bununla birlikte, NiO umut veren bir p-tipi yarı iletken malzeme olsa da ana dezavantajı, güneş ışığının yalnızca %4'ünü oluşturan UV ışık bölgesinde kullanımını sınırlayan 3,6-4 eV aralığındaki geniş band aralığına sahip olmasıdır. Bu zorluğun üstesinden gelmek için, bu çalışma doğal fotosentetik sistemlerde klorofilin biyomimetik analogları olarak işlev görmek üzere tasarlanmış yeni ftalosiyanin türevlerinin sentezine ve karakterizasyonuna odaklanmaktadır. Özellikle, n-tipi karakteristiğinde simetrik tetra oktilsulfonil grupları ile konumlandırılımış ve demir (Fe) veya kobalt (Co) merkezi metal atomları ile koordine edilmiş ftalosiyaninler, nikel oksit elektrotları hassaslaştırmak için kullanılmıştır. Bu yaklaşım, ışık absorpsiyonu, yük ayrımını ve katalitik aktiviteyi artırmayı ve böylece NiO'nun CO2 indirgeme ve su ayrıştırmadaki geniş band aralığıyla ilişkili sınırlamaları gidermeyi amaçlamaktadır. Bu tez çalışmasında, NiO nanofiber ve nanokristal yapıların farklı kaplama oranları ve iki ftalosiyanin türevi (S227 ve S221) ile hassaslaştırılması yoluyla, hem alkali (1 M KOH) hem de asidik (0.5 M H2SO4) ortamlarda fotoelektrokimyasal hidrojen üretimi ve CO₂ indirgenme performansı incelenmiştir. Deneyler, 3 katmanlı NiO nanofiber kaplı elektrotların hem LSV hem de EIS ölçümlerinde en yüksek katalitik aktiviteyi sergilediğini göstermiştir. Nanofiber yapılar, nanokristal yapılara kıyasla daha düşük aşırı potansiyel ve yük transfer direnci ile üstün performans sağlamıştır. Ftalosiyanin türevleri ile duyarlılaştırılmış elektrotlar hem karanlık hem de ışık altında yalın NiO elektrotlara göre daha iyi performans göstermiş; özellikle S227 türevi, S221'e kıyasla hidrojen üretiminde ve CO₂ indirgenmesinde daha yüksek akım yoğunluğu, düşük aşırı potansiyel ve çok elektronlu indirgenme yollarına uygunluk açısından daha etkili bulunmuştur. GC-MS analizleri, ftalosiyaninler ile modifiye edilmiş NiO nanofiber elektrotlarda temel indirgenme ürünlerinin CO ve sınırlı miktarda C2H5OH olduğunu göstermiştir. S227 ile duyarlılaştırılmış sistemde etanol oluşumunun belirgin şekilde artması, bu türevin çok elektronlu indirgenme süreçlerini etkin bir şekilde desteklediğini ortaya koymaktadır. Bu sonuçlar, 3 katmanlı NiO nanofiber elektrotların S227 ftalosiyanin türevi ile alkali ortamda ışık altında kullanılmasının hem hidrojen üretimi hem de CO₂ indirgenmesi açısından en uygun koşulları sağladığını göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Carbon dioxide (CO2) is a naturally occurring gas in our atmosphere, but human activities have significantly increased its concentration. In this context, the conversion of CO2 into chemical fuels is an alternative way to achieve a sustainable energy future. Plants in nature use the energy of sunlight to reduce CO2 and produce their own nutrients through natural photosynthesis. By mimicking natural photosynthesis and using sunlight energy, semiconductor materials are photochemically stimulated and CO2 reduction is achieved. One of the methods of CO2 reduction using artificial sunlight energy is the photoelectrochemical (PEC) method. To date, many studies on PEC CO2 reduction have used precious metals such as platinum (Pt), gold (Au) and palladium (Pd), which are effective but quite expensive. Therefore, the development of cost-effective and abundant semiconductor catalysts is critical for advancing this field. Nickel oxide (NiO) catalysts are particularly noteworthy in this case due to their unique properties that make them suitable for PEC applications. However, while NiO is a promising p-type semiconductor material, its main drawback is its wide bandgap in the 3.6-4 eV range, which limits its use in the UV light region, which accounts for only 4% of sunlight. To overcome this challenge, this work focuses on the synthesis and characterisation of novel phthalocyanine derivatives designed to function as biomimetic analogues of chlorophyll in natural photosynthetic systems. In particular, phthalocyanines positioned with symmetric tetra-octylsulfonyl groups with n-type characteristic and coordinated with iron (Fe) or cobalt (Co) central metal atoms will be used to sensitise nickel oxide electrodes. This approach aims to enhance light absorption, charge separation and catalytic activity and thus overcome the limitations associated with the wide bandgap of NiO in CO2 reduction and water splitting. In this thesis study, the photoelectrochemical hydrogen production and CO₂ reduction performance of NiO nanofibers and nanocrystals was investigated by sensitizing them with two phthalocyanine derivatives (S227 and S221) at different coating ratios in both alkaline (1 M KOH) and acidic (0.5 M H₂SO₄) environments. The experiments showed that the three-layer NiO nanofiber-coated electrodes exhibited the highest catalytic activity in both LSV and EIS measurements. Nanofiber structures provided superior performance compared to nanocrystalline structures with lower overpotential and charge transfer resistance. Electrodes sensitized with phthalocyanine derivatives showed better performance than bare NiO electrodes under both dark and light conditions; specifically, the S227 derivative was found to be more effective than S221 in terms of higher current density, lower overpotential, and suitability for multi-electron reduction pathways in hydrogen production and CO₂ reduction. GC-MS analyses revealed that the main reduction products in phthalocyanine-modified NiO nanofiber electrodes were CO and limited amounts of C₂H₅OH. The significant increase in ethanol formation in the S227-sensitized system indicates that this derivative effectively supports multi-electron reduction processes. These results indicate that the use of three-layered NiO nanofiber electrodes with S227 phthalocyanine derivative under light in an alkaline environment provides the most suitable conditions for both hydrogen production and CO₂ reduction.
Benzer Tezler
- Adherent tip hücre kültürleri için nanofiber temelli 3D hücre taşıyıcı ve kriyoprezervasyon sistemleri
Nanofiber-based 3D cell carrier and cryopreservation systems for adherent cells
DUA ÖZSOYLU
Doktora
Türkçe
2020
BiyomühendislikDokuz Eylül ÜniversitesiTıbbi Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEFA KIZILDAĞ
PROF. DR. TORSTEN WAGNER
- Karbon nanofiber temelli kompozitlere dayalı elektrokimyasal aptasensörlerin geliştirilmesi ve uygulamaları
Development and applications of electrochemical aptasensors based on carbon nanofiber composites
MELTEM MARAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Mühendislik BilimleriEge ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADRİYE ARZUM ERDEM GÜRSAN
- Karbon nanofiber ve karbon nanotoplar temelli bir modifiye elektrot ile kafeik asitin saptanması
Determination of caffeic acid using a modified electrode based oncarbon nanofibers and carbon nanoballs
İMEN ELSELLUM
- Karbon nanofiber ve gadalonyum oksit nanoparçacık temelli bir voltametrik sensor ile gün batımı sarısının saptanması
Determination of sunset yellow using a voltammetric sensor based on carbon nanofibers and gadolonium oxide nanoparticles
EYNAS HÜSEYİN
- Karbon nanofiber ve yitriyum oksit nanoparçacık temelli bir kompozit elektrot ile kafeik asitin saptanması
Determination of caffeic acid using a composite electrode based on carbon nanofibers and yttrium oxide nanoparticles
NUR ELHUDA EL AKREP