Demir krom akış pilleri için elektrotların geliştirilmesi
Development of electrodes for iron chromium flow batteries
Yazar: MUKADDES CANDAN KARAEYVAZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BERKER FIÇICILAR
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Karbon elektrot = Carbon electrode ; Kimyasal işlem = Chemical treatment

Özet:
Enerji ihtiyacının karşılanması için fosil yakıtların kullanılmasından çok güneş enerjisi, rüzgar enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynakları üzerine yapılan çalışmalar oldukça önemlidir. Fakat bu enerji kaynaklarından elde edilen enerjinin düzenli ve sürekli olmaması bir sorun teşkil etmektedir. Dalgalanmaların ve kesintilerin önüne geçmek için üretilen enerjinin depolanması gerekmektedir. Özel arazi gereksinimi olmayan, kurulum maliyetinin az olduğu yüksek enerji yoğunluğuna sahip akış pilleri yenilenebilir enerji kaynaklarına entegre olabilecek sistemlerdir. Demir (Fe) ve krom (Cr) elementlerinin aktif bileşen olduğu Fe/Cr akış pilleri ekonomik uygulanabilirlik yönünden iyi bir aday olarak görülmektedir. Fakat bu akış pilinde Cr tarafı kinetiğinin yavaş olması ve şarj aşamasında H2 gazı oluşumu problemleri söz konusudur.
Grafit keçe elektrotlar düşük maliyeti ve yüksek elektriksel iletkenliğe sahip olması gibi avantajları ile akış pili elektrotu olarak tercih edilmektedir. Buna karşın bu elektrotların hidrofobik özellikte olması elektrot-elektrolit temasına olanak tanımamaktadır. Keçe yapısına hidrofilik özellik kazandırmak için ise çeşitli modifikasyon işlemleri uygulanmaktadır. Akış pillerinde elektrot modifikasyonuna ek olarak hidrojen çıkışını engellemesi ve indirgenme yükseltgenme reaksiyonu için aktivite göstermesi özelliği ile Bizmut katalizörü tercih edilmektedir. Fakat katalizör yüklemesi genellikle pil çalışırken yapılmaktadır. Pil içinde yapılan yüklemelerde, katalizör, elektrotun akış kanalına bakan yüzeyinde yığınlar oluşturmakta, katalizörün membrandan uzakta kalması gibi sorunlar oluşmaktadır. 
Tez çalışması kapsamında, Fe/Cr akış pilinde kullanılacak grafit keçe elektrotun hidrofilik özellik kazanması ve katalizörün elektrota etkin bir şekilde yüklenebilmesi için iki farklı yol ile grafit keçe elektrota modifikasyon işlemi uygulanmıştır. Bu yaklaşımlardan ilki HF ve H2O2 ile kimyasal işlem olup, elde edilen elektrota Bizmut katalizörü elektrokimyasal indirgeme ile pil dışında yüklenmiştir. Diğer modifikasyon işleminde ise Bi yüklü mezogözenekli karbon yapı, termal işlem görmüş grafit keçe elektrot üzerine yüklenmiştir. Bi içeren karbon yapıların elde edilmesi için içi boş çekirdek dışı gözenekli kabuk (HCMS) karbon yapıları sentezlendikten sonra, emdirme yöntemi kullanılarak Bizmut katalizörü bu karbon yapı üzerine yüklenmiştir. Elde edilen HCMS karbon ve elektrotlar taramalı elektron mikroskopu (SEM), geçirimli elektron mikroskopu (TEM) görüntüleri ile, X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), N2 adsorpsiyonu, dönüşümlü voltametri (CV) ve doğrusal taramalı voltametri (LSV) teknikleri ile karakterize edilmiştir. Kimyasal işlem ile keçe elektrotun hidrofilik özelliği artmış ve katalizör dağılımı daha etkin hale gelmiştir. Küresel yapıdaki HCMS karbon yapısı 1000 m2/g yüzey alanı ve 3 nm'nin üzerinde mezogözenek çapına sahiptir. Kimyasal işlem görmüş keçe üzerinde Cr iyonlarının difüzyon sabiti iki kat artmış olup, keçe yüzeyinde Cr iyonlarının konsantrasyonu daha yüksektir. Kimyasal işlem görmüş elektrot ve Bi/HCMS yapıları üzerinde hidrojen gazı oluşumu azalmıştır. Katalizör pil dışında yüklendiğinde pil performansında artış görülmüş, maksimum güç yoğunluğu değeri 15 mW/cm2 kadar artış göstermiştir.

Abstract:
The studies related with sustainable energy sources such as solar and wind power are significant instead of fossil fuels to supply energy demand. However, the irregularity and discontinuity of energy produced from these energy sources constitutes problems. Produced energy must be stored to prevent fluctiations. Flow batteries are the systems which may integrate to the renewable energy sources, with the help of their high energy density, low installation cost and no requirement for special land.  Fe/Cr flow batteries are seen as a good candidate in terms of economic feasibility. For the Fe/Cr flow batteries, kinetics of the Cr side redox reaction is slow and H2 evolution occurs.  
Graphite felt electrodes are preferred as flow battery electrode due to the low cost and high electrical conductivity. Nevertheless, this electrodes have hydrophobic character and it disenables electrode-electrolyte contact. Several modification methods are applied to electrodes gain hydrophilicity. In addition to modification methods, Bismuth catalyst is used for flow batteries because of its catalytic activity for oxidation/reduction reaction and inhibitive property for hydrogen evolution. Loading of catalysts to the electrodes are doing usually by in-situ method. As a result of this loading method, catalyst clusters occur at the flow field side of the electrode and catalyst stays far from membrane. 
In the extent of thesis, modification methods applied to the graphite felt electrode with two different approach to gain hydrophilic character and effective catalyst loading. The first approach is modification of electrodes by HF and H2O2 and loading of Bismuth to the modified electrode by electrochemical deposition method. The other approach is loading of Bismuth loaded mesoporous carbon to the thermally treated electrode. For the second approach hollow core mesoporous shell (HCMS) carbon was synthesized and impregnation method was used for Bismuth loading to the HCMS carbon. Obtained HCMS carbon and electrodes were characterized by scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM) images, X-ray photo electron spectroscopy (XPS), N2 adsorption, cyclic voltammetry (CV) and linear sweeping voltammetry (LSV) techniques. Graphite felt was gained hydrophilic property and shows uniform catalyst distribution on it as a result of chemical modificaiton. Spherical carbon structures were obtained with the surface area and mesoporous radius up to 1000 m2/g and 3 nm respectively. Cr ion's diffusion coefficient was doubled on the chemicaly modified electrode and concentration of Cr ions are higher. Chemically treated and Bi/HCMS loaded electodes prevent hydrogen evolution. Flow battery performance was increased when catalyst was loaded by exsitu method, maximum power density increased up to 15 mW/cm2 increments.