Elektrokimyasal hidrojen saflaştırıcı ve kompresör sistemi için nanomalzeme geliştirilmesi
Nanomaterial development for electrochemical hydrogen purifier and compressor system
- Tez No: 977023
- Danışmanlar: PROF. DR. AYŞE BAYRAKÇEKEN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Enerji, Energy
- Anahtar Kelimeler: Elektrokimyasal Hidrojen Sıkıştırma, Hidrojen Oluşum Reaksiyonu, Karbon nanomalzeme, Elektrokatalizör, PBI membran, Electrochemical Hydrogen Compression, Hydrogen Evolution Reaction, Carbon Nanomaterial, Electrocatalyst, PBI Membrane
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Atatürk Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Amaç: Bu tezde, elektrokimyasal hidrojen saflaştırma ve kompresör (EHSK) sistemlerinde katot elektrodu olarak kullanılabilecek sürdürülebilir, yüksek performanslı ve ekonomik Pt ve PtCo katalizörlerin geliştirilmesi hedeflenmiştir. Biyokütle atığı kenevir sapları ve melamin öncülü kullanılarak sentezlenen karbon yapılar, sırasıyla azot ve bor katkısıyla modifiye edilmiş, ardından metal yüklemeleri ile katalizörler hazırlanmıştır. Elde edilen sonuçların, EHSK sistemleri için etkili yeni katalizörlerin geliştirilmesine katkı sağlayacağı öngörülmektedir. Yöntem: Bu çalışmada, farklı karbon nanomalzemeler (aktif karbon, karbon aerojel, sert karbon, karbon nokta, mezogözenekli karbon çerçeve ve grafitik karbon nitrür), mikrodalga indirgeme yöntemiyle Pt ve Co metalleri ile bir araya getirilerek elektrokatalizörler sentezlenmiştir. Orijinal ve azot/bor katkılı karbon nanomalzemeler, elementel analiz, STA, XRD, Raman spektroskopisi, FTIR, BET, XPS ve SEM-EDX ile kapsamlı şekilde karakterize edilmiştir. Sentezlenen katalizörler ise ICP-MS, XRD, XPS ve TEM ile analiz edilmiştir. Elektrokimyasal performans değerlendirmeleri, üç elektrotlu sistemde potansiyostat aracılığıyla ve EHSK hücresinin bağlı olduğu test istasyonunda gerçekleştirilmiştir Bulgular: Farklı karbon yapıların sentezi ve heteroatom katkılanması başarıyla gerçekleştirilmiştir. Aktif karbon en yüksek yüzey alanına sahip olup, azot katkısı arttıkça yüzey alanı azalmış, grafitik karbon nitrürde ise bor katkısıyla yüzey alanında artış gözlemlenmiştir. Katalizörlerin üç elektrotlu asidik ortam ölçümlerinde Pt/AC-20 katalizörü -51,70 mA/cm2 katodik akım yoğunluğu ile yüksek HER aktivitesi göstermiştir. Pt kullanımını azaltmak ve aktiviteyi artırmak amacıyla sentezlenen PtCo katalizörlerden de PtCo/AC-20 (-70 mA/cm2) en yüksek katodik akımı sergilemiştir. Ayrıca bu katalizörler 2000 çevrim dayanıklılık testi sonunda sırasıyla %5,9 ve %1,8'lik akım yoğunluğu kaybı yaşanmıştır. Katalizörlerin sıkıştırma performansları, yüksek sıcaklıkta çalışan tek hücreli EHSK sistemine 0,7 V potansiyel uygulanarak değerlendirilmiştir. Katot tarafında 7 bar'lık bir sıkıştırma değerine Pt/AC-20 1500 s'de, PtCo/AC-20 ise 1200 s'de ulaşarak, hem ticari Pt/C hem de diğer PtCo katalizörlerinden daha iyi performans göstermiştir. Sonuç: Çalışmada sentezlenen heteroatom katkılı karbon destekli Pt ve PtCo katalizörler hem yüksek HER aktivitesi hem de EHSK sisteminde üstün hidrojen sıkıştırma performansı sergilemiştir. Yapılan analizler, karbon yapıların yüzey özelliklerinin ve bu yapılara heteroatom katkılanmasının katalitik aktivite üzerinde doğrudan etkili olduğu ve optimizasyonun hem maliyet hem de verimlilik açısından kritik öneme sahip olduğunu göstermiştir. Sentezlenen katalizörler arasında PtCo/AC-20 katalizörü, düşük Pt içeriği ve yüksek dayanıklılığı ile ticari Pt/C katalizörlerine kıyasla rekabetçi bir performans göstererek, sürdürülebilir ve verimli EHSK katalizör adayı olarak öne çıkmaktadır.
Özet (Çeviri)
Purpose: In this thesis, it was aimed to develop sustainable, high-performance, and economical Pt and PtCo catalysts that can be used as cathode electrodes in electrochemical hydrogen purification and compression (EHPC) systems. Carbon structures synthesized using biomass waste hemp stalks and a melamine precursor were modified with nitrogen and boron additions, respectively, and then catalysts were prepared by metal loading. It is anticipated that the obtained results will contribute to the development of effective new catalysts for theEHPC system. Method: In this study, electrocatalysts were synthesized by combining various carbon nanomaterials (activated carbon, carbon aerogel, hard carbon, carbon dot, mesoporous carbon framework and graphitic carbon nitride) with Pt and Co metals using microwave reduction. The original and nitrogen/boron-doped carbon nanomaterials were comprehensively characterized using elemental analysis, STA, XRD, Raman spectroscopy, FTIR, BET, XPS, and SEM-EDX. The synthesized catalysts were analyzed using ICP-MS, XRD, XPS, and TEM. Electrochemical performance evaluations were conducted using a potentiostat in a three-electrode system and at the test station to which the EHPC cell was connected. Findings: Synthesis and heteroatom doping of different carbon structures were successfully achieved. Activated carbon has the highest surface area, decreasing with increasing nitrogen doping, while graphitic carbon nitride showed an increase in surface area with boron doping. In three-electrode acidic catalyst measurements, the Pt/AC-20 catalyst demonstrated high HER activity with a cathodic current density of -51.70 mA/cm2. Of the PtCo catalysts synthesized to reduce Pt use and increase activity, PtCo/AC-20 (-70 mA/cm2) exhibited the highest cathodic current. Furthermore, these catalysts experienced a current density loss of 5.9% and 1.8%, respectively, after 2000-cycle durability tests. The compression performances of the catalysts were evaluated by applying a 0.7 V potential to a single-cell EHPC system operating at high temperature. A compression value of 7 bars on the cathode side was achieved by Pt/AC-20 in 1500 seconds, while PtCo/AC-20 achieved the same value in 1200 seconds, outperforming both commercial Pt/C and other PtCo catalysts. Results: The heteroatom-doped carbon-supported Pt and PtCo catalysts synthesized in the study exhibited both high HER activity and superior hydrogen compression performance in the EHPC system. Analysis showed that the surface properties of carbon structures and heteroatom doping directly affect catalytic activity, and optimization is critical for both cost and efficiency. Among the synthesized catalysts, the PtCo/AC-20 catalyst stands out as a sustainable and efficient EHPC catalyst candidate, demonstrating competitive performance compared to commercial Pt/C catalysts with its low Pt content and high durability.
Benzer Tezler
- Elektrokimyasal hidrojen kompresörünün performansına etki eden parametrelerin deneysel incelenmesi
Investigation of parameters effecting on the performance of electrochemical hydrogen compressor
MAHMUT CANER ACAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Makine MühendisliğiNiğde ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MAHMUT D. MAT
- Elektrokimyasal hidrojen kompresör yığını geliştirilmesi ve karakterizasyonu
Development and characterization of electrochemical hydrogen compressor stack
NEBİ YELEGEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Mühendislik BilimleriNiğde ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÖMER FARUK SELAMET
- Hidrojen peroksit tayini için modifiye camsı karbon elektrot tasarımı ve elektrokimyasal sensör olarak incelenmesi
Desing of modified glassy carbon electrode for determination of hydrogen peroxide and investigation as an electrochemical sensor
SEDEF KAPLAN
Doktora
Türkçe
2024
KimyaMersin ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELTEM KAHYA DÜDÜKCÜ
PROF. DR. GÜLŞEN AVCI
- Foto elektrokimyasal hidrojen üretimi uygulamaları için elektrot dizaynı ve performans ölçümü
Performance measurement and electrode design for application of photo electrochemical hydrogen production
EMRE KAAN CAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Mühendislik BilimleriTobb Ekonomi ve Teknoloji ÜniversitesiMikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
DOÇ. NURDAN DEMİRCİ SANKIR
PROF. MEHMET SANKIR
- Hidrojen sülfür gazının elektrokimyasal yöntemle giderilmesi
Removal of hydrogen sulfide by electrochemical method
ÖZGÜL EGE GERÇEL
Doktora
Türkçe
2002
Çevre MühendisliğiAnadolu ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÜLKER BAKIR ÖĞÜTVEREN
YRD. DOÇ. DR. A. SAVAŞ KOPARAL