Azot katkılı karbon yapılarının PEM yakıt pili katalizör destek malzemesi olarak sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of nitrogen doped carbon structures as a PEM fuel cell catalyst support material
Yazar: MERVE HURŞİT
Danışman: DOÇ. DR. AYŞE BAYRAKÇEKEN YURTCAN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Yakıt pili, uygun bir yakıt ve oksitleyicinin elektrokimyasal reaksiyonu ile yakıtın kimyasal enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren bir sistemdir. Proton değişim membranlı (PEM) yakıt pili, tasarım ve işletim bakımından oldukça kullanışlı bir yakıt pilidir. Diğer yakıt pillerine göre daha fazla güç yoğunluğu, düşük hacim ve düşük ağırlığa sahiptir. Fakat uzun süreli çalışma sonrasında dayanıklılığın azalması ve katalizör olarak kullanılan Pt'nin yüksek maliyeti PEM yakıt pillerinin ticarileşememesinin önünde engel oluşturmaktadır. Bu çalışmada PEM yakıt pili katalizörleri için karbon destek malzemesi olarak azot katkılı karbon yapıları sentezlenmiştir. Bu yapılar Karbon siyahı (Vulcan XC72) üzerine azot kaynağı olarak pirol eklenmesi ile farklı C/N oranları ve farklı piroliz sıcaklıkları için elde edilmiştir. Azot katkılı karbon desteklerinin üzerine mikrodalga ısıtma yöntemi ile Pt nanoparçacıkları yüklenmiştir. Sonuçlara göre C/N 1:1 ve 700⁰C piroliz sıcaklığında  sentezlenen yapı en yüksek BET yüzey alanına  sahiptir. Elementel analize göre C/N 1:2 600⁰C 'de sentezlenen yapı en yüksek azot miktarına sahiptir ve sıcaklık arttıkça azot miktarının azaldığı gözlenmiştir. XPS analizine göre sentezlenen yapılarda en çok Piridinik-N azot türünün varlığı bulunmuştur. Sıcaklık arttıkça Piridinik-N miktarının azaldığı gözlenmiştir. Elde edilen katalizörlerin fizikokimyasal karakterizasyonları yapılarak azot katkılamanın yapılardaki özellikler üzerine etkilerinin ortaya konması hedeflenmiştir.

Abstract:
The fuel cell is a system that converts the chemical energy of the fuel into electrical energy by means of a suitable fuel and electrochemical reaction of the oxidizer. The proton exchange membrane (PEM) fuel cell is a very useful fuel cell for design and operation. It has more power density, lower volume and lower weight than other fuel cells. However, after a long period of operation, the decrease in durability and the high cost of Pt, which is used as a catalyst, prevent the commercialization of PEM fuel cells. In this study, nitrogen doped carbon materials are synthesized as carbon support material for PEM fuel cell catalysts. These structures were obtained for different C/N ratios and different pyrolysis temperatures by addition of pyrrole as a nitrogen source on Carbon black (Vulcan XC72). Pt nanoparticles were loaded with microwave irradiation method on the nitrogen doped supports. According to the results, the structure synthesized at C/N 1: 1 and 700⁰C pyrolysis temperature has the highest BET surface area. According to the elemental analysis, the structure synthesized at C/N 1:2 600⁰C had the highest nitrogen content and it was observed that the amount of nitrogen decreased as the temperature increased. According to XPS analysis, the presence of Pyridinic-N nitrogen species was found. Pyridinic-N content decreased with increasing temperature. It is aimed to reveal the effects of nitrogen doping on the properties of the structure by making physicochemical characterization of the obtained catalysts