Yakıt hücreleri için karbon temelli nanokatalizörlerin üretimi, karakterizasyonu ve performans analizleri
Carbon based nanocatalyst production, characterization and performance analysis for fuel cell
Yazar: SEDA NUR EROL
Danışman: DOÇ. DR. AYTEKİN UZUNOĞLU
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Tez çalışması birbirinden bağımsız iki bölümden oluşmaktadır. İlk kısımda, oksijen indirgenme reaksiyonlarında (OİR) maliyeti Pt/C'e göre daha ucuz ve yüksek verimde elektrokatalizörler geliştirmek esas alınmıştır. Oksijenin indirgenmesi sırasında karbon allotroplarından olan çok duvarlı karbon nanotüp (ÇDKNT) ve modifiye edilmiş çok duvarlı karbon nanotüp katalizörleri kullanılmıştır. Modifiye işlemi, N- katkılama ve bilyeli değirmende öğütme işlemleri ile gerçekleştirilmiştir. N- katkılı çok duvarlı karbon nanotüpler (N-ÇDKNT) bilyeli değirmende farklı dakikalarda öğütülmüştür. Çok duvarlı karbon nanotüplerin N katkılanarak bilyeli değirmende öğütme işlemiyle oksijen indirgeme reaksiyonu performansları araştırılmak istenmiştir. Bu performans analizlerine elektrokimyasal ölçüm yöntemlerinden döngüsel voltametri (CV), doğrusal tarama voltametrisi (LSV), elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ve kronoamperometri (CA) yöntemleri ile bakılmıştır. CV, CA, EIS ve LSV ölçümleri sonucunda N- katkılanmış ve 5 dakika öğütülmüş ÇDKNT katalizörü en iyi oksijen indirgeme reaksiyonu (ORR) aktivitesini göstermiştir. Ayrıca N- katkılanması ile çok duvarlı karbon nanotüp katalizöründe akım piki aktivitesinin arttığı gözlemlenmiştir. Kıyaslama açısından da ticari Pt/C'nin CV, LSV, CA ve EIS deneyleri yapılmıştır. Oksijenin indirgenme reaksiyonu için N-  katkılı ÇDKNT katalizörleri bazik ortam çözeltisinde, döner disk elektrot tekniği ile çalışılmıştır. 5 dakika öğütme işlemi ile elde edilmiş N-ÇDKNT-5dk BM katalizöründen elde edilen OİR pik akımı 1,627 mA/cm2 iken, bu değer ÇDKNT ve N-ÇDKNT katalizörlerinde sırasıyla 0,552 ve 1,257 mA/cm2 olarak bulunmuştur. Sonuç olarak N- katkılama ve 5 dakika öğütme işleminin OİR performansını önemli ölçüde artırdığı görülmüştür.
                Bu tez çalışmasının ikinci kısmında, doğrudan metanol yakıt hücreleri (DMYH) için anot tarafında kullanılacak karbon nanosoğan (CNO) ve modifiye edilmiş karbon nanosoğan (SACo/N-CNO),   kıyaslama amacıyla ticari Pt/C katalizörü hazırlanmıştır. Katalizörlerin metanolün oksidasyonuna karşı performansı bazik ortamda (1M KOH) ve 50 mV-1 tarama hızında döngüsel voltametrisi yapılarak incelenmiştir. Yapılan döngüsel voltametri ölçümü ile CNO katalizörü -0.25V değerinde 0.699 mA/cm2 akım yoğunluğundayken, metanol ilavesiyle bu değer 3.03 mA/cm2 değerine ulaşmıştır. Modifiye edilmiş CNO katalizörü (SACo/N-CNO), başlangıçta -0.25V değerinde 0.659 mA/cm2 iken, metanol eklenmesiyle bu değer 4.61 mA/cm2 değerine ulaşmıştır. CNO ve modifiye edilmiş CNO katalizörlerinin kıyaslanması amacıyla, Pt/C (%10. wt) için aynı elektrokimyasal ölçüm işlemi gerçekleştirilmiştir. Pt/C başlangıçtaki değeri -0.2V değerinde 4.70 mA/cm2 iken, hücreye metanol eklenmesiyle bu akım yoğunluğu değeri 4.87 mA/cm2 değerine ulaştığı kaydedilmiştir. Ayrıca katalizörlerin kararlığı kronoamperometri tekniği ile incelenmiştir. Ölçümler sonucunda SACo/N-CNO katalizörünün yaklaşık 0.163 mA/cm2 değerinde kararlılık oluşturduğu, CNO katalizörünün ise yaklaşık 0.04 mA/cm2 değerinde kararlı olduğu tespit edilmiştir. Pt/C katalizöründe ise 0.034 mA/cm2 değerinde kararlılık sağlanmıştır. Bu doğrultuda SACo/N-CNO katalizörü Pt/C ve CNO katalizörlerine göre yaklaşık dört kat kadar daha kararlı hal sergilediği saptanmıştır.

Abstract:
The thesis work consists of two independent parts. The first part is based on the development of cheaper and more efficient electrocatalysts than Pt/C in oxygen reduction reactions (OIR). Multi-walled carbon nanotube (MWCNT) and modified multi-walled carbon nanotube catalysts with carbon allotropes were used during the reduction of oxygen. The modification process was carried out with N doping and ball mill grinding processes. N-doped multi-walled carbon nanotubes (N-MWCNT) were ground in a ball mill at different minutes. It was desired to investigate the oxygen reduction reaction performances of multi-walled carbon nanotubes by N-doping and grinding in a ball mill. These performance analyzes were analyzed using electrochemical measurement methods such as cyclic voltammetry (CV), linear scanning voltammetry (LSV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and chronoamperometry (CA). The catalyst showed the best oxygen reduction reaction (ORR) activity. In addition, it was observed that the peak activity of the N-doped multi-walled carbon nanotube catalyst increased. CV, LSV, CA and EIS experiments of commercial Pt/C were performed for comparison. For the oxygen reduction reaction, N-doped MWCNT catalysts were studied in basic medium solution and with rotating disk electrode technique. The OIR peak current obtained from N-MWCNT 5min BM catalyst obtained by grinding for 5 minutes is 1.627 mA/cm2, while this value is 0.552 and 1.257 mA/cm2 for MWCNT and N-MWCNT catalysts, respectively. In other words, it has been observed that grinding for 5 minutes significantly improves OIR performance.
In the second part of this thesis, modified carbon nanoonions (SACo/N-CNO), carbon nanoonions (CNO) and commercial Pt/C catalysts for comparison purposes were prepared to be used directly on the anode side for methanol fuel cells (DMFC). The performance of the catalysts against oxidation of methanol was investigated by performing cyclic voltammetry in basic medium (1M KOH) and scanning speed of 50 mV-1. With the cyclic voltammetry measurement, the CNO catalyst reached a current density of 0.699 mA/cm2 at-0.25 V, while this value reached 3.03 mA/cm2 with the addition of methanol. The modified CNO catalyst (SACo/N-CNO) was initially 0.659 mA/cm2 at-0.25V, but with the addition of methanol, this value reached 4.61 mA/cm2. For comparison purposes, the same electrochemical measurement was completed for Pt/C. While the initial value of Pt/C was 4.70 mA/cm2 at-0.2V, it was recorded that this current density value reached 4.87 mA/cm2 with the addition of methanol to the cell. In addition, the stability of the catalysts was investigated by chronoamperometry technique. As a result of the measurements, it was determined that SACo/N-CNO was stable at a value of about 0.163 mA/cm2, while the CNO catalyst was stable at about 0.04 mA/cm2. Pt/C provided stability at 0.034 mA/cm2. In this context, it has been observed that the SACo/N-CNO catalyst is approximately four times more stable than Pt/C and CNO catalysts.