Alkali doğrudan etanol yakıt pilleri için MoO2 Mo2C destekli nikel içeren anot katalizörü geliştirilmesi
Development of MoO2 Mo2C supported nickel-containing anode catalyst for alkaline direct ethanol fuel cells
Yazar: EMİNE SENA KAZAN
Danışman: PROF. DR. MAHMUT RAHİM BAYRAMOĞLU
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Temiz, çevre dostu ve ekonomik bir yakıt olan etanol aynı zamanda çok yüksek bir teorik enerji yoğunluğuna sahiptir. Gelecek vaadeden bir alternatif enerji üretim sistemi olan Doğrudan Etanol Yakıt Pilleri ise etanolden elektrik enerjisi üretmek için önem arz eder. Yenilenebilir ve sürdürülebilir bu enerji üretim sistemindeki asıl sorun, yakıt olarak kullanılan etanoldeki C-C bağlarının etkin bir şekilde kırılamamasıdır. Etanoldeki C-C bağlarının etkin bir şekilde kırılabilmesi için uygun bir anot katalizörüne ihtiyaç vardır. Uygun anot katalizörü, ekonomik, iletken, katalitik zehirlenmelere karşı dayanıklı, çevre dostu, kolay elde edilebilen ve en önemlisi de etanolün oksidasyon reaksiyonu kinetiğini hızlandıracak şekilde olmalıdır. Bu bağlamda tez kapsamında saf Ni, Ni/C, Ni-MoO2/C, Ni-Mo2C/C ve Ni-MoS2/C anot katalizörlerinin, elektro katalitik aktiviteleri Döngülü Voltametri (CV) ile incelenmiştir. CV deneylerinde bileşik kap sistemi kullanılmıştır. Bu sistemde karşıt elektrot ve çalışma elektrodu bileşik kabın iki ayrı kısmında bulunmakta ve bu iki kısmı bir anyon değiştiricim membran ayırmaktadır. Bu sistem, üçlü elektrot sistemi ile kıyaslandığında yakıt piline daha çok benzemektedir. Döngülü Voltametri denemeleri sonucu, katalizörlerin alkali ortamdaki etanol oksidasyon reaksiyonu performansları sırasıyla; Ni (17.5 mA/cm2), Ni-MoS2/C (95-5) (22 mA/cm2), Ni/C (70-30) (27 mA/cm2), Ni-MoS2/C (80-20) (56 mA/cm2),  Ni-Mo2C/C (75-25) (62 mA/cm2) şeklindedir. Destek olarak kullanılan Mo bileşikleri ile saf Ni ve Ni/C katalizörlerine göre çok daha yüksek performanslar elde edilmiştir. Yüksek performans gösteren bu katalizörler ile Membran Elektrot Bileşkeleri hazırlanmış ve anodik polarizasyon denemeleri yapılmıştır. Bu denemelerde sentezlenmiş katalizörler ile ticari Pt Black karşılaştırılmış ve her bir denemede üç ayrı ticari membran denenmiştir.

Abstract:
Ethanol is a clean, eco-friendly, economical fuel, and has a very high theoretical energy density. One of the promising alternative energy generation system Direct Ethanol Fuel Cells are important for generating electrical energy from ethanol. The main problem with this renewable and sustainable energy generation system is that the C-C bonds in ethanol used as fuel cannot be effectively broken. In order to break the C-C bonds in ethanol effectively, an appropriate anode catalyst is required. The suitable anode catalyst should be economical, conductive, resistant to catalytic poisoning, environmentally friendly, easily obtainable and most importantly, to accelerate the oxidation reaction kinetics of ethanol.  In this context, electro catalytic activities of piristine Ni, Ni/C, Ni-MoO2/C, Ni-Mo2C/C and Ni-MoS2/C anode catalysts have been investigated by Cyclic Voltammetry (CV) in the scope of the thesis. In the CV experiments, compound vessel system was used.  In this system, the counter electrode and the working electrode are located in two separate compartments of the compound vessel and these two compartments are separated by an anion exchange membrane.  This system is more similar to the fuel cells compared to the three-electrode system. As a result of CV experiments, catalysts' ethanol oxidation reaction performances in alkaline media were piristine Ni (17.5 mA/cm2) < Ni-MoS2/C (95-5) (22 mA/cm2) < Ni/C (70-30) (27 mA/cm2) < Ni-MoS2/C (80-20) (56 mA/cm2) < Ni-Mo2C/C (75-25) (62 mA/cm2) respectively. Much higher performance was achieved with the Mo compounds used as support than the pure Ni and Ni/C catalysts. Membrane Electrode Assemblies were prepared and anodic polarization experiments were performed with these high performance catalysts. In these experiments, commercial Pt Black was compared with catalysts synthesized and three commercial membranes were tested in each experiment.