Synthesis and characterization of electrocatalysts based on boron and earth-abundant transition metals for electrochemical water splitting
Elektrokimyasal su ayrıştırma için bor ve doğada bol bulunan geçiş metallerine dayalı elektrokatalizörlerin sentezi ve karakterizasyonu
- Tez No: 843649
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ UMUT AYDEMIR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Çevre Mühendisliği, Engineering Sciences, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Dünya, büyüyen çevresel zorluklarla ve sürekli artan nüfusla başa çıkarken, fosil yakıtlara alternatif sürdürülebilir bir enerji kaynağı sağlamak benzersiz bir zorluk haline gelmiştir. Sürdürülebilir enerji üretim stratejilerinin arayışı, yenilenebilir enerji kaynaklarıyla entegre elektrokatalitik su bölünme sürecinde birleşmiştir. Bu sürecin başarılı bir şekilde gerçekleştirilmesi, aynı elektrolit içinde hem oksijen çıkış reaksiyonu (OER) hem de hidrojen çıkış reaksiyonu (HER) için verimli, maliyet etkili ve yeryüzünde bol bulunan elektrokatalizörlerin geliştirilmesine bağlıdır. Dört yıl süren bir araştırma süreci boyunca bu doktora tezi, belirtilen zorluğu ele almak için yeni elektrokatalizörleri bulmak içim büyük çaba harcamıştır. Şu belirtilen alanlarda ana katkılar sağlanmıştır. 1) Yenilikçi Elektrokatalizörler: Mg1−xTMxB2 (x = 0.025, 0.05, ve 0.1; TM = Fe ve Co) formal kompozisyonuna sahip yeni elektrokatalizörlerin sentezi, karakterizasyonu ve elektrokimyasal değerlendirmesi. Çalışma, bu katalizörlerin HER ve OER performansına odaklanmış ve Mg0.95Co0.05B2'nin 10 mA cm−2 akımda 470 mV'lik aşırı gerilimle olağanüstü HER performansı sergilediğini göstermiştir. Bulgular, yüksek verimli ve düşük maliyetli elektrokatalizörlerin geliştirilmesinde umut verici bir yöne işaret etmektedir. 2) Dönüşümsel Malzemeler: Oksijen çıkış reaksiyonunda kullanılmak üzere V1–xCoxB2 (x = 0, 0.05, 0.1 ve 0.2) formal kompozisyonlu elektrokatalizörlerin geliştirilmesi. Co'nun VB2 yapısına eklenmesi, morfolojide dramatik bir değişikliğe neden olmuş, 10 mA cm−2'de 200 mV'lik aşırı gerilimi azaltmıştır. Bu performans, RuO2 (290 mV) ile rekabet ederken 1 M KOH koşullarında dikkate değer dayanıklılık göstermiştir. 3) Metal Organik Çerçeveler (MOF'lar): Nikel köpük üzerine doğrudan geliştirilen NCM/Ni-BDC@NF tabanlı nanokompozitlerin keşfi, benzersiz elektronik yapı modülasyonunu açığa çıkarmıştır. Özellikle NCF/Ni-BDC katalizörü, 10 mA cm–2 akım yoğunluğunu elde etmek için bir geri dönüşümlü hidrojen elektroduna karşı yalnızca 1.35 V'lik aşırı gerilim gerektiren olağanüstü OER performansı sergilemiştir. Bu araştırma, etkili su ayrıştırma için çok yönlü malzemeler olarak 2D MOF'ların potansiyelini sergilemektedir. 4) Heteroyapılar: Nikel köpük üzerine iki aşamalı yerinde (in situ) büyüme stratejisi ile oluşturulan yüksek performanslı ve dayanıklı bir NiMo/CoMoO4 heteroyapısının oluşturulması. Heteroyapı, 10 mA cm–2'de 102 mV'lik aşırı gerilimi ve yüksek Faraday verimliliğini sergilemektedir. Bu, karbon nötral hidrojen üretimi için su elektrolizinin kritik bir unsuru olan HER'de üstün performansın metalik ve oksit bileşiklerin sinerjisi ile elde edilebileceğini vurgulamaktadır. 5) MOF Kökenli Katalizörler: Alkali ortamda verimli bir HER elektrokatalizörü olarak Cu-MOF'tan türetilmiş NiMo/CuO@C arasında nano yapıda bir arayüzün tasarlanması ve geliştirilmesi. Bu katalizör, 10 mA cm−2'de 85 mV'lik aşırı gerilimiyle Pt/C ile rekabet ederken uzun bir süre boyunca kayda değer dayanıklılık göstermiştir. Bu dört yıllık araştırma, sürdürülebilir su ayrıştırma reaksiyonları için verimli elektrokatalizörlerin geliştirilmesine odaklanmıştır. Tez, temiz ve verimli hidrojen üretiminin küresel ihtiyaç haline gelişini ve daha sürdürülebilir ve çevre dostu bir enerji geleceğine yol açmak için bu malzemelerin önemini vurgulamaktadır.
Özet (Çeviri)
As the world grapples with growing environmental challenges and an ever-expanding population, the need for a sustainable alternative to fossil fuels has become an unprecedented challenge. The quest for sustainable energy production strategies has converged on the electrocatalytic water splitting process integrated with renewable energy resources. The successful realization of this process hinges on the development of competent, cost-effective, and earth-abundant electrocatalysts capable of driving both the oxygen evolution reaction (OER) and the hydrogen evolution reaction (HER) efficiently within the same electrolyte. Over the course of four years of research, this PhD thesis has dedicated extensive efforts to address this challenge by investigating novel electrocatalysts. The following key contributions have been made. 1) Novel Electrocatalysts: Synthesis, characterization, and electrochemical evaluation of newfangled electrocatalysts with the formal composition of Mg1−xTMxB2 (x = 0.025, 0.05, and 0.1; TM = Fe and Co). The study primarily focuses on their performance in both HER and OER under 1.0 M KOH medium. Among these catalysts, Mg0.95Co0.05B2 has demonstrated exceptional HER performance, boasting an overpotential of 470 mV at 10 mA cm−2. The findings suggest a promising direction in the development of highly competent and low-cost electrocatalysts. 2) Transformative Materials: Development of electrocatalysts with a formal composition of V1–xCoxB2 (x = 0, 0.05, 0.1, and 0.2) for use in the oxygen-evolving reaction. The incorporation of Co into the VB2 structure has led to a dramatic transformation in morphology, reducing the overpotential to 200 mV at 10 mA cm−2. This performance rivals that of the noble-metal catalyst RuO2 (290 mV) and demonstrates notable durability under 1.0 M KOH conditions. 3) Metal Organic Frameworks (MOFs): Exploration of nanocomposites based on NCM [N = Ni, C = Co, M = Fe, Cu, Zn]/Ni-BDC@NF, directly developed on nickel foam (NF), revealing unique electronic structure modulation. Notably, the NCF/Ni-BDC catalyst demonstrates outstanding OER performance, requiring only 1.35 V versus a reversible hydrogen electrode (RHE) to achieve 10 mA cm–2 current density. This research showcases the potential of 2D MOFs as versatile materials for efficient water splitting. 4) Heterostructures: Presentation of a high-performance and durable heterostructure of NiMo/CoMoO4 for the alkaline HER, constructed via a two-pot in situ growth strategy on a NF. The heterostructure exhibits low overpotential (102 mV at 10 mA cm–2) and high Faradaic efficiency. It highlights the synergy of metallic and oxide components, demonstrating superior performance in the HER, a crucial element of water electrolysis for carbon-neutral hydrogen production. 5) MOF-Derived Catalysts: Introduction of a nanostructured interface between NiMo/CuO@C derived from Cu-MOF, designed and developed on NF, as a competent HER electrocatalyst in alkaline media. This catalyst shows a low overpotential of 85 mV at 10 mA cm−2, rivalling Pt/C, and exhibits remarkable durability over an extended period of 50 h. This four-year research endeavor culminates in a comprehensive understanding of advanced electrocatalysts for sustainable water splitting. The thesis underscores the significance of these materials in addressing the global need for clean and efficient hydrogen production, offering a pathway towards a more sustainable and eco-friendly energy future.
Benzer Tezler
- Synthesis, development and characterization of some W-based compounds, composites and hybrid materials
Volfram esaslı bileşiklerin, kompozitlerin ve de hibrid malzemelerin üretimi, geliştirilmesi ve karakterizasyonu
SELİM COŞKUN
Doktora
İngilizce
2011
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. M. LÜTFİ ÖVEÇOĞLU
- Pem yakıt hücresi katotunda kullanılmak üzere platinin ikili alaşımlarının farklı yöntemlerle sentezi, karakterizasyonu ve elektrokatalitik özelliklerinin incelenmesi
Characterization and investigation of electocatalytical properties of different methods synthesis, platinum binary catalysts in order to be used at the cathode of a pem fuel cell
NİDA ARAS
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
KimyaGazi Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. F.ÇİĞDEM GÜLDÜR
- سنتز و بررسی خواص برخی از نانوالکتروکاتالیستهای برپایه طال جهت استفاده در پیلهای سوختیالکلی ایزومری (Synthesis and characterization of some gold-based nano electrocatalysts for use in isomeric alcoholic fuel cells)
Yakıt hücrelerinde kullanılmak üzere altın bazlı bazı nanokatalizörlerin sentezi ve özelliklerinin incelenmesi
FARAZ MOHAMMAD VALİPOUR
- Doğrudan sodyum borhidrürlü yakıt pili anot ve katot elekrokatalizörünün sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of cathode and anode electrocatalysts for direct sodium borohyride fuel cell
OSMAN OKUR
Doktora
Türkçe
2012
Kimya MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. ERDOĞAN ALPER
- PEM yakıt hücresi katodunda kullanılmak üzere platin bazlı üçlü katalizörlerin sentezi, karakterizasyonu ve elektrokatalitik özelliklerinin incelenmesi
Synthesis, characterization and investigation of electrocatalytical properties of platinum based ternary catalysts in order to be used at the cathode of a PEM fuel cell
SİLVER GÜNEŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
Kimya MühendisliğiGazi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. F. ÇİĞDEM GÜLDÜR
