Hidrojen üretimi için kompozit elektro-katalizör sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of composite electro-catalyst for hydrogen production
Yazar: ARDA ZARRABI
Danışman: PROF. DR. NİYAZİ ALPER TAPAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Enerji = Energy

Özet:
PEM elektrolizörlerinde hidrojen oluşum reaksiyonu (HOR), hidrokarbonlardan bağımsız enerji üretiminde oldukça önemli olan bir elektrokimyasal tepkimedir. Ancak hidrojen oluşum reaksiyonu için kullanılan platin gibi pahalı soy metaller PEM elektrolizörlerin maliyetini yükseltmektedir. Bunun yanısıra PEM elektrolizörlerde kullanılan elektro-katalizörlerin asidik ortamdaki kararlılığı da önemli bir noktadır. Dolayısıyla bu çalışmada PEM elektrolizörlerde hem Pt oranını düşürebilmek hem de asidik ortamda kararlılığı korumak için alternatif olarak kompozit elektro-katalizörlerin geliştirilmesi düşünülmüştür. Bu bağlamda, düşük Pt yüklemeli ve yüksek Fe ve Ni içerikli seryum kompozit.destekli elektro-katalizörler (Pt/FexCeyOz, Pt/NixCeyOz) emdirme-hidrotermal tekniği ile sentezlenerek farklı indirgenme sıcaklıklarında (400 oC, 600 oC ve 800 oC) ısıl işlemden geçirilmiştir. Elde edilen elektro-katalizörlerin.HOR aktiviteleri, kararlılıkları döngülü voltametri (DV), kronoamperometri (KA) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EES) yöntemleri ile analiz edilip kıyaslanmıştır. Döngülü voltametri çalışmalarında.400 oC'de indirgenmiş katalizörler 600 oC ve 800 oC'deki katalizörlere göre daha yüksek elektrokimyasal aktivite sergilemişlerdir. Elektrokimyasal analizler sonunda hidrojen gaz çıkışı açısından en yüksek aktivite ve en düşük faradaik direnç 400 oC'de indirgenmiş Pt/FexCeyOz ile elde edilmiştir. Yapılan elektrokimyasal analizlere genel olarak bakıldığında indirgenme sıcaklığı ve pH düştüğünde yük aktarım direncinin azaldığı gözlenmiş olup indirgenme sıcaklığının yük aktarım direnci üzerinde daha baskın etkisi görülmektedir. Aynı zamanda yapılan fiziksel ve kimyasal analizler sonucunda.FexCeyOz destek yapı üzerinde daha yüksek elektrokimyasal aktivite görülmesinin sebebi, NixCeyOz'ye göre.daha yüksek seryum içeriği ve daha düşük oksijen içeriğine sahip.olmasına ve farklı yüzey morfolojisine bağlanabilir.

Abstract:
Hydrogen Evolution Reaction (HER) in PEM electrolyzers is an important electrochemical reaction which is very important in hydrocarbon-independent energy production. However, expensive noble metals such as platinum used for hydrogen evolution reaction increase the production cost of PEM electrolyzers. In addition, it is also important to maintain the stability of the electrocatalysts in an acidic environment used in these electrolyzers. Therefore in this study, it is aimed to develop alternative composite catalysts in PEM electrolyzers to reduce both the Pt ratio and increase the stability of electrocatalyst in an acidic environment. In this study, low Pt loading and high Fe and Ni content ceria composite supported electrocatalysts (Pt/FexCeyOz, Pt/NixCeyOz) were synthesized by the impregnation-hydrothermal technique and pretreated at different reduction temperatures (400 oC, 600 oC and 800 oC). HER activities of the electrocatalysts were analyzed and compared with cyclic voltammetry (CV), chronoamperometry (CA) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS). During cyclic voltammetry studies, catalysts pretreated at 400 oC showed higher activity than the ones pretreated at 600 oC and 800 oC. Highest HER activity and lowest faradaic resistance were achieved with Pt/FexCeyOz reduced at 400 oC. In general, electrochemical analyses indicate that charge transfer resistance decreases when reduction temperature and pH drop. In addition, reduction temperature has a dominant effect on charge transfer resistance compared to pH. Physical and chemical analyzes also demonstrate that higher electrochemical activity on FexCeyOz support could be related with low oxygen content, high ceria content and surface morphology.