PEM yakıt pilleri için grafen aerojel sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of graphene aerogel for PEM fuel cells
Yazar: MERYEM SAMANCI
Danışman: PROF. DR. AYŞE BAYRAKÇEKEN YURTCAN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Amaç: PEM yakıt pillerinde maliyetin düşürülmesi ve performansın geliştirilmesi amacıyla, katalizör destek malzemesi olarak 2D grafen bazlı öncü malzemelerin, birbirinden farklı 3D grafen aerojellerin ve bunlardan elde edilen Pt katalizörlerinin sentezi ve karakterizasyonu.
Yöntem: Bu tez çalışmasında, ilk olarak, grafen bazlı öncü malzeme olarak sentezlenen grafen oksit (GO) Hummer yöntemiyle, indirgenmiş grafen oksitlerin (RGO) sentezleri kimyasal (C-RGO) ve termal indirgeme (T-RGO) metodlarıyla sentezlenmiştir. Daha sonra, herbir grafen bazlı öncü malzemenin farklı oranları (kütlece % 0,25-0,5-1) kullanılarak, sol-jel, süperkritik kurutma ve piroliz işlemleri ile farklı yüzey alanları ve por çaplarına sahip grafen aerojeller (GRA, GOA, C-RGOA, T-RGOA) sentezlenmiştir. Bu şekilde grafen bazlı malzemeler ile aerojellerin üstün özellikleri biraraya getirilmiştir. Daha sonra Pt katalizör sentezi için süperkritik depozisyon yöntemi kullanılarak Pt nanoparçacıklar destek malzeme yüzeyine indirgenmiştir. 
Bulgular: Tez kapsamında, sentezlenen destek malzemelere BET, SEM, EDX, RAMAN, XRD ve FTIR analizleri yapılarak fiziksel özellikleri incelenmiştir. Yapılan BET analizleri sonucunda, T-RGO'nun yüzey alanı 213,37 m2/g iken, % 1 T-RGO eklenen T-RGOA-3'ün yüzey alanı 923,43 m2/g olarak ölçülmüştür. Ayrıca destek malzemelerin elektrokimyasal analizleride (CV, EIS) yapılarak yüzeylerin korozyona karşı davranışı incelenmiştir. Hazırlanan Pt katalizörlerin ICP-MS, TEM, XRD, temas açısı, topografya ve pürüzlülük analizleri yapılmıştır. TEM görüntülerine göre Pt nanopartiküllerin desteklerin yüzeyine homojen olarak dağılmıştır. Pt ortalama parçaçık boyutları ile XRD analizinden elde edilen Pt ortalama kristal boyutları birbiri ile uyum içerisindedir. Genel olarak katalizör yüzeyleri hidrofobiktir. Pt katalizörlere ait elektrokimyasal analizler (CV, LSV (ORR, Tafel analizi), kronoamperometre, EIS ve tekli yakıt pili testleri) gerçekletirilmiştir. Pt katalizörlerin tekli PEM yakıt pili test sonuçlarına göre, Pt/GRA katalizörleri içerisinde 0.6 V'da en yüksek akım ve güç yoğunluğu değerleri sırasıyla 531 mA/cm2 ve 318 mW/cm2 ile Pt2/GRA-1 katalizörüne aittir. Pt2/GRA-1 katalizörünün maksimim güç yoğunluğu 0.5 V'da 352 mW/cm2 olarak ölçülmüştür. Pt/GOA, Pt/C-RGOA ve Pt/T-RGOA katalizör gruplarında ise 0,6 V'ta en yüksek akım ve güç yoğunluğu değerleri, sırasıyla 250 mA/cm2 ve 150 mW/cm2 ile Pt/T-RGOA-3 katalizörüne aittir.
Sonuç: Destek malzemesi olarak sentezlenen grafen bazlı öncü malzemelerin yapısal farklılıkları ve ekleme miktarları aerojellerin nihai yapısını değiştirmiştir. Bu değişiklikler birbirinden oldukça farklı Pt katalizörlerin sentezi ile sonuçlanmıştır. PEM yakıt pilinde en iyi sonucu veren katalizöre ulaşılmaya çalışılmıştır.
Anahtar Kelimeler: PEM yakıt pili, sol-jel, süperkritik kurutma, grafen, grafen oksit, indirgenmiş grafen oksit, grafen aerojel, süperkritik depozisyon, Pt elektrokatalizör

Abstract:
Purpose: Synthesis and characterization of 2D graphene-based precursor materials, different 3D graphene aerogels, and Pt catalysts obtained from them as catalyst support materials, in order to reduce costs and improve performance in PEM fuel cells.
Method: In this thesis, firstly, as a graphene-based precursor material, the synthesized graphene oxide (GO) was synthesized by the Hummer method, and the syntheses of reduced graphene oxides (RGO) were synthesized by chemical (C-RGO) and thermal reduction (T-RGO) methods. Then, using different proportions of each graphene-based precursor (0.25-0.5-1% by mass), graphene aerogels with different surface areas and pore diameters (GRA, GOA, C-RGOA, T-RGOA) were synthesized by sol-gel, supercritical drying, and pyrolysis processes. In this way, the superior properties of graphene-based materials and aerogels are brought together. Then, Pt nanoparticles were reduced to the support material surface by using the supercritical deposition method for Pt catalyst synthesis.
Findings: Within the scope of the thesis, BET, SEM, EDX, RAMAN, XRD, and FTIR analyses were performed on the synthesized support materials and their physical properties were examined. As a result of the BET analysis, the surface area of T-RGO was 213.37 m2/g, while the surface area of T-RGOA-3 with 1% T-RGO added was 923.43 m2/g. In addition, electrochemical analyses (CV, EIS) of the support materials were made and the behavior of the surfaces against corrosion was investigated. ICP-MS, TEM, XRD, contact angle, topography, and roughness analyses of the prepared Pt catalysts were performed. According to the TEM images, Pt nanoparticles were homogeneously distributed on the surface of the supports. Pt means particle sizes and Pt means crystal sizes obtained from XRD analysis are in good agreement with each other. In general, catalyst surfaces are hydrophobic. Electrochemical analyses of Pt catalysts (CV, LSV (ORR, Tafel analysis), chronoamperometry, EIS, and single fuel cell tests) were carried out. According to single PEM fuel cell test results of aerogels, the highest current and power density values at 0.6 V belong to Pt2/GRA-1 catalyst with 531 mA/cm2 and 318 mW/cm2, respectively, among Pt/GRA catalysts. The maximum power density of the Pt2/GRA-1 catalyst was measured as 352 mW/cm2 at 0.5 V. In Pt/GOA, Pt/C-RGOA and Pt/T-RGOA catalysts groups the highest current and power density values at 0.6 V belong to the Pt/T-RGOA-3 catalyst with 250 mA/cm2 and 150 mW/cm2, respectively.
Results: Structural differences and additional amounts of graphene-based precursor materials synthesized as support material changed the final structure of aerogels. These changes resulted in the synthesis of quite different Pt catalysts. It has been tried to reach the catalyst that gives the best results in the PEM fuel cell.
Keywords: PEM fuel cell, sol-gel, supercritical drying, reduced graphene oxide, graphene aerogel, supercritical deposition, Pt electrocatalyst