Suyun elektrolizi ile hidrojen üretimi için karbon destekli metal sülfür katalizörlerin hazırlanması
Preparing carbon supported metal sulfur catalysts for hydrogen production via water electrolysis
Yazar: VEYSEL ÖZCAN
Danışman: DOÇ. DR. HACI MEHMET TAŞDEMİR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Yüksek enerji yoğunluğuna sahip hidrojen herhangi bir zehirli gaz salınımı olmadan suyun elektrolizi ile elde edilebilmektedir. Suyun elektrolizinde katotta gerçekleşen hidrojen evrim reaksiyonu (HER) ile yeşil hidrojen üretilebilmektedir. Bu çalışmada HER'da kullanılmak üzere aktif karbon destekli demir, molibden, demir sülfür ve molibden sülfür içerikli katalizörler ıslak emdirme ve sülfonasyon yöntemleriyle hazırlanmış ve elektrokatalizör olarak aktiviteleri belirlenmiştir. Çalışmada katalizör desteği aktif karbon atık kahve kullanılarak hazırlanmış ve sentez esnasında farklı parametrelerin (Atık kahve/aktivasyon kimyasalı oranı, sentez esnasındaki yıkama prosedürü, karbonizasyon sıcaklığı) aktiviteye etkileri incelenmiştir. Sentezlenen katalizörlerin karakterizasyonu N2 adsorpsiyon-desorpsiyon, XRD, FTIR ve SEM-EDS ile gerçekleştirilmiştir. Katalizörlerin aktiviteleri asidik ortamda (0,5 M H2SO4) doğrusal tarama voltametrisi (LSV) ve döngülü voltametri (CV) yöntemleri kullanılarak belirlenmiştir. N2 adsorpsiyon-desorpsiyon analizleri AC1-3 dışındaki desteklerin yüksek yüzey alanına (> 900 m²/g) sahip olduklarını göstermiştir. Standart prosedürle sentezlenen destek malzemelerinin (AC1-1, AC1-2 ve AC1-3) kristal yapısının amorf grafit karbon ve ZnO bileşiklerinden oluştuğu, asit ve bazla yapılan yıkamalar sonucunda yapıda sadece amorf grafit karbonun kaldığı belirlenmiştir. AC1-2 desteği 867 mV aşırı potansiyel değeri sergilerken yıkama prosedürünün değiştirilmesiyle hazırlanan BA-AC1-2-1000-A desteğinde bu değer 448 mV olmuştur. En iyi aktiviteye sahip katalizörün 15Fe-15Mo-S@BA-AC1-2-1000-A (η10 = 365 mV, b = 159 mV/dec) olduğu tespit edilmiştir. Aynı katalizörün 500 döngü sonrasında başlangıç aktivitesini önemli ölçüde koruduğu görülmüştür.

Abstract:
High energy density hydrogen can be obtained by electrolysis of water without any toxic gas emission. Green hydrogen can be produced by hydrogen evolution reaction (HER) occurring at the cathode in the electrolysis of water. In this study, activated carbon supported iron, molybdenum, iron sulfide and molybdenum sulfide containing catalysts to be used in HER were prepared by wet impregnation and sulfonation methods and their activities as electrocatalysts were determined. In this study, activated carbon as catalyst support was prepared using waste coffee ground and the effects of different parameters (waste coffee/activation chemical ratio, washing procedure during synthesis, carbonization temperature) on the activity were investigated during the synthesis. The characterization of the synthesized catalysts was carried out by N2 adsorption-desorption, XRD, FTIR and SEM-EDS. The activities of the catalysts were determined in acidic medium (0.5 M H2SO4) by using linear sweep voltammetry (LSV) and cyclic voltammetry (CV) methods. N2 adsorption-desorption analyses showed that supports except AC1-3 had high surface areas (> 900 m²/g). It was determined that the crystal structure of the support materials (AC1-1, AC1-2 and AC1-3) synthesized by the standard procedure consisted of amorphous graphitic carbon and ZnO compounds and only amorphous graphitic carbon remained in the structure as a result of washing with acid and base. While the AC1-2 support exhibited an overpotential value of 867 mV, this value was 448 mV in the BA-AC1-2-1000-A support prepared by changing the washing procedure. The catalyst with the best activity was found to be 15Fe-15Mo-S@BA-AC1-2-1000-A (η10 = 365 mV, b = 159 mV/dec). It was observed that the same catalyst preserved its initial activity significantly after 500 cycles.