İki-boyutlu MoSe2/polipirol nanokompozitlerine dayalı katalizörlerin geliştirilmesi ve elektrokimyasal su ayrıştırma reaksiyonlarında uygulanması
Preparation of two-dimensional MoSe2/polypyrrole nanocomposites-based catalysts and their application in electrochemical water splitting reactions
Yazar: DENİZ ÇOBAN
Danışman: DOÇ. DR. SADIK ÇOĞAL
Burdur Mehmet Akif Ersoy Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Teknolojileri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya = Chemistry ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Elektrokatalizör = Electrocatalyst

Özet:
Hidrojen üretmek için kullanılan yöntemler içerisinde elektrokimyasal su ayrıştırma reaksiyonları önemli bir yere sahiptir. Elektrokimyasal su ayrıştırma reaksiyonlarında verimli bir şekilde hidrojen üretmek için katalizör olarak genellikle değerli metaller kullanılmaktadır. Bu durum, elektrokimyasal su ayrıştırma reaksiyonlarının pratikteki uygulanabilirliğini olumsuz yönde etkilemektedir. Bundan dolayı, değerli metal içermeyen elektrokatalizörlerin geliştirilmesi ve elektrokimyasal su ayrıştırma prosesinde kullanılması oldukça önemlidir. Bu tez çalışmasında, molibden diselenür (MoSe2) ve polipirol (PPy)-bazlı elektrokatalizörler hidrotermal yöntem ile sentezlenmiş ve elektrokimyasal su ayrıştırma reaksiyonlarındaki elektrokatalitik performansları incelenmiştir. Sentezlenen malzemelerin yapısal ve morfolojik karakterizasyonları Fouirer dönüşümlü infrared spepktroskopisi (FTIR), X-ışını difraksiyonu (XRD) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) analizleri ile gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçları MoSe2'nin iki-boyutlu nanokatmanlı formda oluştuğunu ve hibrit yapılarda PPy'nin varlığını desteklemiştir. Üretilen elektrokatalizörler içerisinde hidrojen değerlendirme reaksiyonu (HER) için Co-MoSe2@PPy/NF 10 mA/cm2 akım yoğunluğunda 203 mV/dec ve oksijen değerlendirme reaksiyonu (OER) için MoSe2@PPy/NF 310 mV/dec aşırı potansiyel değerleriyle diğer katalizörlere göre daha iyi elektrokatalitik performans sergilediği bulunmuştur.  Geliştirilen katalizörlerin Tafel eğimleri, yük transfer dirençleri (Rct) ve elektrokimyasal aktif yüzey alanları (ECSA) gibi önemli performans parametreleri de belirlenmiştir. Son olarak, HER ve OER'da en iyi katalitik performansı sergileyen elektrokatalizörlerin kararlılık ölçümleri gerçekleştirilmiş ve döngüsel voltametri ile 1000 döngüden sonra aktivitelerinde önemli bir kayıp olmadığı bulunmuştur.

Abstract:
Electrochemical water splitting process is one of the most promising methods for hydrogen production. In electrochemical water splitting reactions, noble metals-based materials have been generally used as catalysts to efficiently produce hydrogen, whihc limit their practical application. Therefore, it is highly important to develop nonnoble metal-based electrocatalysts and apply them in electrochemical water splitting processes. In this thesis, molybdenum diselenide (MoSe2) and polypyrrole (PPy)-based electrocatalysts were prepared by hydrothermal method and their electrocatalytic performances in electrochemical water splitting reactions were investigated. Structural and morphological characterizations of as-synthesized materials were performed by Fouirer transform infrared spectroscopy (FTIR), X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) analysis. Analysis results revealed the formation of MoSe2 in two-dimensional nanosheet structures and also confirmed the presence of PPy in hybrid structures. The fabricated electrocatalysts were applied in hydrogen evolution reaction (HER) and oxygen evolution reaction (OER) and it was found that in the HER Co-MoSe2@PPy/NF showed better electrocatalytic performance than other catalysts with over potential values of 203 mV/dec at 10 mA/cm2 current density, while MoSe2@PPy/NF exhibited the lowest overpotential of 310 mV at 10 mA/cm2 for the OER. In addition, important performance parameters such as Tafel slopes, charge transfer resistances (Rct) and electrochemical active surface areas (ECSA) of the developed catalysts were also determined. Finally, stability tests of the best-performing electrocatalysts were performed and it was found that Co-MoSe2@PPy/NF in the HER and MoSe2@PPy/NF in the OER electrocatalysts displayed negligible loss in their activities after 1000 continuous cycles by cyclic voltammetry.