Sıvı beslemeli yakıt pili uygulamaları için katalizör sentezi ve karakterizasyonu
Catalyst synthesis and characterization for liquid feed fuel cell applications
Yazar: MEHMED SELİM ÇÖGENLİ
Danışman: DOÇ. DR. AYŞE BAYRAKÇEKEN YURTCAN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Alternatif yakıtlar = Alternative fuels ; Elektrokatalizör = Electrocatalyst ; Elektrokimyasal oksidasyon = Electrochemical oxidation ; Sıvı yakıtlar = Liquid fuels

Özet:
Bu çalışmada, sıvı beslemeli yakıt pilleri için sıvı yakıt kaynağı olarak kullanılan formik asit ve metanolün oksidasyonu üzerine katalitik aktivitesi ve kararlılığı yüksek katalizörler geliştirmeye odaklanılmıştır. Katalizörün aktivitesini arttırma stratejileri destek malzemelerin seçimi ve kullanılan katalitik metaller olarak iki açıdan ele alınmıştır. Hummers metoduyla elde edilen grafen oksit (GO) yapısı kullanılarak, hidrotermal yöntem ve dondurarak kurutma ile sentezlenen grafen aerojel (GA), azot ve bor elemenetlerinin katkılanmasıyla heteroatom GA (BGA ve NGA) ve Vulcan XC 72 (C) ile bir araya getirilerek oluşturulan hibrit GA (GA-C, NGA-C ve BGA-C) destek malzemeleri sentezlenmiştir. Mikrodalga yöntemiyle doğrudan destek malzeme üzerine Pt nanoparçacıklarının depozisyonu sağlanarak başarılı bir şekilde katalizörler elde edilmiştir. Buna ek olarak, karbon siyahı Vulcan XC 72 üzerine farklı metaller (PtPd, PtRu ve PtSn) bir araya getirilerek destekli bimetalik katalizörler sentezlenmiştir. Hazırlanan katalizörler, SEM, EDS, ICP-MS, TEM, XRD, BET ve XPS ile karakterize edilmiştir. Formik asit ve metanol oksidasyonu için elektrokatalitik aktiviteleri, stabiliteleri ve empedansları, elektrokimyasal ölçümler kullanılarak araştırılmıştır. PtPd/C ve PtRu/C katalizörlerinin sırasıyla formik asit ve metanolün oksidasyonu için katalitik aktiviteleri yüksek ideal katalizörler olduğu ortaya koyulmuştur. BGA heteroatom destekli katalizör metanol oksidasyonu için yüksek katalitik aktivite ve kararlılık gösteriyorken, formik asit oksidasyonu için en iyi aktivite ve kararlılığı gösteren destek malzemenin hibrit BGA-C olduğu bulunmuştur. Pd metalinin doğrudan formik asit oksidasyonu için katalitik aktivitesi çok yüksek olmasına rağmen, doğrudan formik asit yakıt pili (DFAFC) uygulamalarında Pt metali kadar kararlı olmayıp aktivitesini çabuk yitirdiği görülmüştür.  Doğrudan metanol yakıt pilinde (DMFC) Pt siyahı katalizöründen elde edilen en yüksek akım yoğunluğu değeri 12 mA/cm2, DFAFC için elde edilen 172,34 mA/cm2 değerinden yaklaşık 14 kat daha azdır. Pt metalinin Ru metaliyle birlikte kullanılması durumunda DMFC için 65 mA/cm2 akım yoğunluğu değeri elde edilmiştir. Sonuç olarak, DFAFC için BGA-C hibrit destek malzemesi ve PtPd/C bimetalik katalizörünün; DMFC için ise BGA destek malzemesi ve PtRu/C bimetalik katalizörünün aktivitesi ve kararlılığı yüksek gelecek vadeden anot katalizörleri olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, it is focused on developing catalysts with high catalytic activity and stability on oxidation of formic acid and methanol which are used as a liquid fuel sources for liquid feed fuel cells. Strategies to increase the activity of the catalyst have been considered in two aspects as the selection of support materials and the catalytic metals. By using graphene oxide (GO) obtained by the Hummers method, graphene aerogel (GA) and heteroatom GA (BGA and NGA) in which the addition of nitrogen and boron elements, were synthesized with hydrothermal method and freeze drying method. Then, GA, BGA and NGA structures were combined with Vulcan XC 72 (C) to synthesize hybrid GA (GA-C, NGA-C and BGA-C) support materials. By microwave method, catalysts were obtained successfully by deposition of Pt nanoparticles directly on the support material. In addition, supported bimetallic catalysts were synthesized by combining different metals (PtPd, PtRu and PtSn) on Vulcan XC 72. The prepared support materials and catalysts were characterized by SEM, EDS, ICP-MS, TEM, XRD, BET and XPS. Electrochemical measurements showed that the electrocatalytic activities, stability and impedances for the catalysts toward formic acid and methanol oxidation. Supported PtPd and PtRu catalysts have been found to be ideal catalysts with high catalytic activity toward formic acid and methanol oxidation, respectively. The hybrid BGA-C supported catalyst was found to be the best catalyst which shows the high activity for formic acid oxidation while the BGA heteroatom supported catalyst for methanol oxidation was found to be the best. Although the catalytic activity of Pd metal for direct formic acid oxidation is very high, it was observed that it is not as stable as Pt metal in direct formic acid fuel cell (DFAFC) applications and it loses its activity quickly. In the direct methanol fuel cell (DMFC), the maximum value of 12 mA/cm2 was obtained from the Pt black catalyst is about 14 times less than the current density value of 172.34 mA/cm2 for DFAFC. When Pt metal is used together with Ru metal, a current density value of 65 mA/cm2 was obtained for DMFC. As a result, it was determined that BGA-C hybrid support material and PtPd bimetallics are catalysts for DFAFC and BGA support material and PtRu bimetallics are promising anode electrodes for liquid feed fuel cells with high catalytic activity and stability.