Kendi kendine biriken tek tabakalı iletken polimer film/metal kompozit elektrokatalizörler: Elektroliz ve doğrudan metanollü yakıt pili uygulamaları
Self-assembled monolayer conducting polymer film/metal composite electrocatalysts: Electrolysis and direct methanol fuel cell applications
Yazar: RAMAZAN SOLMAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DURSUN ÖZTÜRK
Bingöl Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Yenilenebilir Enerji Sistemleri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Malzeme bilimi = Material science ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy ; İletken polimerler = Conducting polymers

Özet:
Bu çalışmada, hem elektroliz sisteminde katot hem de yakıt pillerinde anot olarak kullanılabilecek çok fonksiyonlu, katalitik etkisi yüksek, zamanla kararlı ve maliyeti düşük yeni bir organik-metal kompozit ince filminin hazırlanması amaçlanmıştır. Bu amaçla, iletken bir polimer olan polirodaninin (pRd), Pt ve Cu üzerinde iki farklı şekilde filmleri hazırlanarak karakterize edilmiş ve elektrokatalitik etkileri incelenmiştir. Öncelikle, Pt yüzeyine elektrokimyasal yöntemle ince bir pRd filmi sentezlenmiştir. Sentezlenen film, mekanik olarak yüzeyden sökülerek etanol içerisinde çözülmüştür. Cu elektrot hazırlanan bu çözeltide 24 saat bekletilerek literatürde ilk defa bir metal yüzeyine iletken bir polimerin kendi kendine biriken tek tabakalı filmi (SAM) oluşturulmuştur (Cu/pRd-SAM). Geliştirilen yöntem herhangi bir ön pasifleştirme işlemi gerektirmediğinden, uygulanması pratik olduğundan, metal yüzeyine sıkı tutunmuş ince filmler hazırlandığından diğer tekniklere önemli üstünlükler sağlamaktadır.  Çalışmanın son aşamasında Pt/pRd ve Cu/pRd-SAM filmlerin yüzeyine çok az miktarda Pd çöktürülerek (Pt/pRd/Pd ve Cu/pRd-SAM/Pd) elektrokatalitik etkileri daha da arttırılmıştır. Hazırlanan Cu/pRd-SAM ve Cu/ pRd-SAM/Pd elektrotlar 6 M KOH çözeltisinde, Pt/pRd ve Pt/pRd/Pd elektrotlar ise 0,5 M H2SO4 çözeltisinde katot olarak kullanılmış ve hidrojen gazı oluşumuna katalitik etkileri polarizasyon, elektrokimyasal impedans spektroskopisi (EIS) ve kronoamperometri teknikleri ile incelenmiştir. Cu/pRd-SAM ve Cu/ pRd-SAM/Pd elektrotlar 1 M CH3OH içeren 0,1 M KOH çözeltisinde,  Pt/pRd ve Pt/pRd/Pd elektrotlar 1 M CH3OH içeren 0,5 M H2SO4 çözeltisinde anot olarak kullanılmış ve doğrudan metanollü yakıt pillerinde anot olarak kullanılabilirlikleri dönüşümlü voltametri (CV), EIS ve kronoamperometri teknikleri ile incelenmiştir. Filmler taramalı elektron mikroskopu (SEM), atomik kuvvet mikroskopu (AFM), enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX) ve CV teknikleri ile karakterize edilmiştir. Pt yüzeyinde homojen, yüzeye sıkı tutunmuş ve farklı kalınlıklarda farklı renklerde pRd sentezlenmiştir. Önerilen yeni yöntemle Cu yüzeyinde mor renkli, son derece homojen ve yüzeye oldukça sıkı bir şekilde tutunmuş pRd-SAM filmler oluşturulmuştur. pRd ve pRd-SAM üzerine homojen dağılımlı Pd çöktürülmüştür. Pd çöktürülmemiş ve çöktürülmüş pRd ve pRd-SAM modifiye edilmiş elektrotlar elektroliz ve doğrudan metanollü yakıt pili sistemlerinde zamanla oldukça yüksek kararlılık göstermiştir. Bu elektrotlar her iki reaksiyonun da hızını katalizlemiştir. Bu filmlerin yüzeyine çok az miktarda Pd çöktürülmesi elektrotların katalitik performanslarını daha da arttırmıştır. Dolayısı ile Pt/pRd/Pd ve Cu/pRd-SAM/Pd elektrotların elektroliz sistemlerinde katot ve yakıt pillerinde anot olarak kullanılabileceği önerilmiştir.

Abstract:
In this study, the aim was to prepare a multifunctional, highly catalytic, stable over time, and cost-effective new organic-metal composite thin film that can be used as both a cathode in electrolysis systems and an anode in fuel cells. To achieve this goal, films of the conductive polymer polyrhodanine (pRd) were prepared in two different ways on Pt and Cu surfaces and their electrocatalytic effects were investigated. Initially, a thin pRd film was synthesized on Pt using an electrochemical method. The synthesized film was mechanically removed from the surface, dissolved in ethanol, and Cu substrate was immersed in this solution for 24 hours to form a self-assembled monolayer (SAM) of a conductive polymer (Cu/pRd-SAM). Such a polymer SAM film on a metal surface was reported for the first time in the literature. Since it does not require any pre-passivation process, practical to apply, and the films are tightly adhered to the metal surface, the developed method offers significant advantages over other techniques. In the final stage of the study, a small amount of Pd was deposited on the surfaces of Pt/pRd and Cu/pRd-SAM (Pt/pRd/Pd and Cu/pRd-SAM/Pd) to further enhance their electrocatalytic effects. The prepared Cu/pRd-SAM and Cu/pRd-SAM/Pd electrodes were used as cathodes in a 6 M KOH solution, while Pt/pRd and Pt/pRd/Pd electrodes were used as cathodes in a 0.5 M H2SO4 solution, and their catalytic effects on hydrogen gas production were investigated using polarization, electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and chronoamperometry techniques. Cu/pRd-SAM and Cu/pRd-SAM/Pd electrodes were used as anodes in a 1 M CH3OH containing 0.1 M KOH solution, while Pt/pRd and Pt/pRd/Pd electrodes were used as anodes in a 1 M CH3OH containing 0.5 M H2SO4 solution, and their suitability as anodes in direct methanol fuel cells was investigated using cyclic voltammetry (CV), EIS, and chronoamperometry techniques. The films were characterized using scanning electron microscopy (SEM), atomic force microscopy (AFM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and CV techniques.  Homogeneous, tightly adhered pRd film with different colors at different thicknesses were synthesized on Pt surface. Using the proposed new method, purple-colored, highly homogeneous and tightly adhered pRd-SAM films were formed on the Cu surface. Pd was deposited homogeneously on pRd and pRd-SAM. Both non-deposited and deposited pRd and pRd-SAM modified electrodes showed excellent stability over time in electrolysis and direct methanol fuel cell systems. The electrodes catalyzed the rate of two reactions. The deposition of a small amount of Pd on the films further enhanced their catalytic performance. Therefore, it is suggested that Pt/pRd/Pd and Cu/pRd-SAM/Pd electrodes can be used as cathodes in electrolysis systems and as anodes in fuel cells.