Hidrojen brom akış pillerinde broma dayanıklı hidrojen yükseltgenme ve indirgenme katalizörleri geliştirilmesi
Development of broma-resistant hydrogen oxidation and reduction catalysts in hydrogen brom flow batteries
Yazar: BURCU YILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. BERKER FIÇICILAR
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Yenilenebilir enerji kaynakları, güneş ve rüzgâr gibi dalgalı ve değişken bir doğaya sahiptir. Bu kaynaklardan elde edilen enerjiyi elektriksel enerji depolama sistemlerinden biri olan redoks akış pillerini kullanarak depolamak, enerji talebinin düşük olduğu zamanlarda kullanılmasını sağlar ve enerji arzını dengelemeye yardımcı olur. Hidrojen-Brom akış pili enerji depolama ve dönüşümü için kullanılan bir akış pili türüdür. Bu pil türünde hidrojen ve brom elektrolitleri kullanılarak enerji depolanır ve geri dönüştürülür. H2-Br2 akış pilinde kullanılan brom elektroliti toksit yapısı nedeniyle elektrot yüzeylerinde birikerek elektrokimyasal reaksiyonları yavaşlatmaktadır. Bu durum pilin performansının düşmesine neden olmaktadır. Bu çalışma kapsamında bromun neden olduğu performans düşüklüğünü gidermek amacıyla broma dayanıklı hidrojen indirgenme ve yükseltgenme reaksiyonlarını katalizleyebilecek iki farklı oranda (%15 ve %20) IrNi/C katalizörü sentezlenmiştir. %20 ve %15 toplam metal yüklemelere sahip IrNi/C katalizörünün performans etkilerini ve reaksiyon kataliz edebilme becerilerini görmek amacıyla H2-Br2 akış pilinin şarj-deşarj performans testleri gerçekleştirilmiştir. H2-Br2 akış pil testleri anot ve katot elektrotlarına yüzey modifikasyonu (asidik, asidik+termal modifikasyon) gerçekleştirilerek %20 IrNi/C katalizöründe gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen H2-Br2 akış pili performans testleri %67 Pt/C (Tanaka) katalizörü ile karşılaştırılmıştır. Sentezlenen katalizörün H2-Br2 akış pili deşarj performans testleri sonucunda %20'lik IrNi/C katalizörünün 0,034 W/cm2 güç yoğunluğu elde edilerek %15'lik IrNi/C katalizörüne oranla daha yüksek performans elde ettiği belirlenmiştir. Elektrotlara uygulanan yüzey modifikasyonlar sonucunda asidik+termal modifikasyon uygulanmış IrNi/C katalizörü yüklü anot katalizörü 0,129 A/cm2 akım yoğunluğu ve 0,088 W/cm2 güç yoğunluğu elde edilmiştir ve bu değerler %67 Pt/C katalizör yüklü saf elektrottan daha yüksektir. H2-Br2 şarj testinde asidik+termal elektrota sahip IrNi/C katalizörü ile 1.23 V devre potansiyeline ulaşılmış ve elektrolitler arasında renk değişimi gerçekleşmiştir. Sentezlenen katalizörün yapısal karakterizasyonları incelendiğinde ise IrNi/C yapısının oluşturulduğu, yapıya farklı oranlarda metal yüklemesinin başarılı bir şekilde gerçekleştirildiği, destek maddesi olarak kullanılan Vulcan-XC72 karbon yapısının iridyum ve nikel metal yapısına bağlandığı gözlemlenmiştir.

Abstract:
Renewable energy sources have a volatile and variable nature, such as solar and wind. Storing the energy obtained from these sources using redox flow batteries, which is one of the electrical energy storage systems, enables it to be used when the energy demand is low and helps to balance the energy supply. Hydrogen-Bromine flow cell is a type of flow cell used for energy storage and conversion. In this type of battery, energy is stored and recycled using hydrogen and bromine electrolytes. The bromine electrolyte used in the H2-Br2 flow cell accumulates on the electrode surfaces due to its toxic nature and slows down the electrochemical reactions. This causes the performance of the battery to decrease. Within the scope of this study, two different ratios (15 and 20%) IrNi/C catalysts that can catalyze bromine resistant hydrogen reduction and oxidation reactions were synthesized in order to eliminate the performance degradation caused by bromine. Charge-discharge performance tests of the H2-Br2 flow cell were carried out in order to see the performance effects and reaction catalysis capabilities of the IrNi/C catalyst with 20% and 15% total metal loadings. H2-Br2 flow cell tests were carried out on 20% IrNi/C catalyst by performing surface modification (acidic, acidic+thermal modification) to the anode and cathode electrodes. Performed H2-Br2 flow cell performance tests were compared with 67% Pt/C (Tanaka) catalyst. As a result of the H2-Br2 flow cell discharge performance tests of the synthesized catalyst, it was determined that the 20% IrNi/C catalyst achieved a power density of 0.034 W/cm2 and achieved higher performance than the 15% IrNi/C catalyst. As a result of the surface modifications applied to the electrodes, a current density of 0.129 A/cm2 and a power density of 0.088 W/cm2 were obtained for the anode catalyst loaded with acidic+thermal modified IrNi/C catalyst, and these values are higher than the pure electrode with 67% Pt/C catalyst. In the H2-Br2 charge test, a circuit potential of 1.22 V was reached with the IrNi/C catalyst with an acidic + thermal electrode and a color change was observed between the electrolytes. When the structural characterizations of the synthesized catalyst were examined, it was observed that the IrNi/C structure was formed, the metal loading was successfully carried out at different rates, and the Vulcan-XC72 carbon structure used as the support material was bonded to the iridium and nickel metal structures.