Mikrobiyal yakıt hücresi katot katalizörü olarak bor katkılı düzenli mezo gözenekli karbon sentezi
Synthesis of boron doped ordered mesoporous carbons for microbial fuel cell cathode catalyst
Yazar: TANER TÜRKER
Danışman: PROF. DR. FATMA ÇİĞDEM GÜLDÜR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Karbon = Carbon ; Kopolimerler = Copolymers ; Mezo gözenekli karbon = Mesoporous carbon ; İndirgeme = Reduction

Özet:
Mezo gözenekli karbonlar, nispeten üstün kimyasal ve fiziksel özelliklerinden dolayı yakıt pili uygulamalarında son zamanlarda sıklıkla kullanılmaktadır. Özellikle düzenli mezo gözenekli karbonlar (DMK'lar), yakıt hücresi elektrotundaki potansiyel uygulamaları için büyük ilgi görmüştür. Özellikle, metalik olmayan atomlarla katkılı DMK'ların, pahalı metallerle yüklenmeleri gerekmediğinden ve bir yakıt hücresinin maliyetini düşürme potansiyeline sahip olduklarından umut verici olduğu düşünülmektedir. Çalışmanın amacı, oksijen indirgeme reaksiyonunu arttırmak için bor katkılı düzenli mezo gözenekli karbonun sentezidir. Karbon kaynağı olarak resorsinol (Benzen-1,3-diol) ve formaldehitin, bor kaynağı olarak borik asidin ve yapı yönlendirici ajan olarak üç bloklu kopolimer Pluronic F127'nin kullanıldığı üç bileşenli bir kendi kendine montaj yöntemi kullanılmıştır. Son sentezlenen malzeme üzerinde sıcaklığın (T = 17 °C – 77 °C, 20 °C'lik adımlarla) ve bor kaynağının başlangıç miktarının (w = %0,5 - %2,0, %0,5'lik adımlarla) etkisi araştırılmıştır. Sentezlenen malzemelerin DMK düzenliliğine sahip olduğunu gözlemlemek için geçirimli elektron mikroskobu (TEM) ve BET azot adsorpsiyon desorpsiyon yüzey alanı analiz yöntemleri kullanılmıştır. TEM görüntülerindeki düzenli yapı ve BET yüzey alanındaki yüksek değerler sentezlenen malzemenin DMK olduğunu göstermiştir. Bor içeriğinin analizi için endüktif olarak eşleştirilmiş plazma atomik emisyon spektroskopisi (ICP-OES) kullanılmıştır. Sentezlenen karbondaki bor içeriğinin sıcaklık ve bor kaynağı miktarı arttıkça arttığı gözlenmiştir. T = 37°C dışındaki tüm sıcaklıklar için, başlangıç bor kaynağı arttıkça karbondaki bor içeriğinin arttığı gözlemlenmiştir. Sentezlenen bor katkılı karbon malzemelerle oksijen indirgenme performansının incelenmesi için döngülü voltametri analizi yapılmıştır. Döngülü voltametri analizi, en iyi performansın (3,17 mA) ağırlıkça en yüksek bor içeriği (%0,287) ile 77 °C sıcaklık ve %2,0 bor kaynağı başlangıç miktarı için elde edildiğini göstermiştir. Bu sonuçlar bor katkılı DMK'nın mikrobiyal yakıt hücresi katodu katalizörü olarak kullanımı için umut verici bir alternatif olduğunu göstermektedir.

Abstract:
Mesoporous carbons have recently been frequently used in fuel cell applications due to their relatively superior chemical and physical properties. Especially the ordered mesoporous carbons (OMCs) have attracted considerable attention for their potential applications in fuel cell electrode. In particular, OMCs doped with non-metallic atoms are considered to be promising since they do not need to be loaded with costly metals and have the potential to reduce the cost of a fuel cell. Aim of the study is synthesis of boron doped ordered mesoporous carbon with large pores to enhance the oxygen reduction reaction. A triconstituent self-assembly method was employed, where resorcinol (Benzene-1,3-diol) and formaldehyde were used as carbon sources, boric acid was used as a boron source and triblock copolymer Pluronic F127 was used as a structure directing agent. The influence of temperature (T=17 °C – 77 °C, in steps of 20 °C) and the starting quantity of boron source (w= 0.5% - 2.0%, in steps of 0.5%) on the final synthesized material were investigated. Scanning electron microscopy (TEM) and BET surface area analysis methods were used for proving that the final materials were OMC. The regular structure in the SEM images and high values in the BET surface area showed that the synthesized material was OMC. Inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy (ICP-OES) was used for analysis of boron content. It was observed that the boron content in synthesized carbon increased when the temperature and the boron source quantity were increased. For all temperatures except T = 37 °C, it was observed that boron content in carbon increased with higher starting boron source content. Cyclic voltammetry analysis was performed with the synthesized boron doped carbon materials. The cyclic voltammetry analysis indicated that the best performance (3.17 mA) was achieved with highest boron content by weight (0.287%) for a temperature of 77 °C and starting quantity of boron source of 2.0%. These results show that the boron doped OMC is a promising alternative for microbial fuel cell cathode.