Kırmızı biber sapı ekstraktından üretilen co ve ni bazlı nanoparçacıklarının pem yakıt pili elektrokatalizörleri olarak uygulanması
Application of co and ni based nanoparticles produced in red pepper stalk extract as pem fuel cell electrocatalyst
Yazar: ABDULKADİR AKIN
Danışman: DOÇ. DR. ARZU EKİNCİ
Siirt Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Temiz enerji teknolojileri arasında kimyasal enerjiyi elektrokimyasal olarak elektrik enerjisine dönüştüren PEM yakıt hücreleri yenilenebilir enerji kaynaklarının sürdürülebilirlik problemini ortadan kaldırmak için en güçlü alternatiftir. PEM yakıt hücre teknolojisinin ticarileştirilmesi önündeki engeller arasında yer alan Pt ve Pt bazlı katalizörlerin yüksek maliyetidir. Ayrıca, kullanılan platin ve platin bazlı alaşımların yüksek fiyatı, rezervlerinin azlığı ve zayıf elektrokimyasal kararlılığı nedeniyle PEM yakıt hücrelerinin uygulama alanlarını önemli ölçüde sınırlamıştır.  PEM yakıt hücrelerinde, maliyet etkinliği ve kararlılık sorunları ile birlikte katalitik aktiviteyi iyileştirmek için de önemli optimizasyon gereklidir.  Katot katalizörleri için uygun maliyetli, uzun ömürlü ve yüksek performanslı katalizörlerin geliştirilmesi, PEM yakıt hücrelerinin pratik olarak uygulanması için çok önemlidir. Bu çalışma çevre dostu yeşil sentez yöntemi kullanılarak biber sapı ekstraktından üretilen NiO, CoO ve CoNiO nanoparçacıklarının Pt/C katalizörüne destek malzemesi olarak kullanımlarının aktivitesi PEM yakıt hücresinde farklı hücre sıcaklıklarında (40, 50, 60 ve 70 ⁰C) değerlendirildi. Sentezlenen Pt-NiO/C, Pt-CoO/C ve Pt-CoNiO/C katalizörlerinin yapısal ve morfolojik özelliklerini belirlemek amacıyla XRD, SEM, EDX ve TEM analizleri yapıldı. Ayrıca, sentezlenen katalizörlerin elektrokimyasal özelliklerini belirlemek için CV ölçümleri yapıldı.
Yapılan hesaplamada Pt-NiO/C, Pt-CoO/C ve PtCoNiO/C katalizörleri için elektrokimyasal aktif yüzey alanlarının sırasıyla 107, 83 ve 141 m2/gPt olduğu belirlendi. PEM yakıt pili uygulamalarında artan hücre sıcaklığı ile yakıt pilinin performansının arttığı belirlendi. %50 Pt ve %50 metal oksit oranı ile sentezlenen katalizörlerin daha iyi aktivite gösterdiği ve 70 C hücre sıcaklığında Pt-CoNiO/C>Pt-NiO/C>Pt-CoO/C>Pt/C olduğu belirlendi.

Abstract:
PEM fuel cells are the most potent solution among clean energy technologies for addressing the sustainability challenge of renewable energy sources. These cells transform chemical energy into electrical energy via electrochemical processes. The high expense of Pt and Pt-based catalysts impedes PEM fuel cell technology commercialization. Furthermore, the exorbitant cost of platinum and platinum-based alloys has greatly restricted the potential uses of PEM fuel cells, mostly owing to their limited availability and inadequate electrochemical stability. In PEM fuel cells, significant optimization is also required to improve catalytic activity, along with cost-effectiveness and stability issues. The development of cost-effective, long-life, and high-performance catalysts for cathode catalysts is crucial for the practical application of PEM fuel cells.
This study evaluated the activity of NiO, CoO, and CoNiO nanoparticles produced from pepper stem extract using the environmentally friendly green synthesis method as support material for the Pt/C catalyst at different cell temperatures (40, 50, 60, and 70 °C) in the PEM fuel cell. XRD, SEM, EDX, and TEM analyses were performed to determine the structural and morphological properties of the synthesized Pt-NiO/C, Pt-CoO/C, and Pt-CoNiO/C catalysts. Additionally, CV measurements were performed to determine the electrochemical properties of the synthesized catalysts. The calculation determined the electrochemical active surface areas of Pt-NiO/C, Pt-CoO/C, and PtCoNiO/C catalysts to be 107, 83, and 141 m2/gPt, respectively. It was determined that the performance of the fuel cell increased with increasing cell temperature in PEM fuel cell applications. The catalysts synthesized with a 50% Pt and 50% metal oxide ratio demonstrated better activity, with Pt-CoNiO/C > Pt-NiO/C > Pt-CoO/C > Pt/C at a cell temperature of 70 ⁰C.