PEM yakıt pilleri için 3D grafen ve azot katkılı karbon destekli Pt nanoparçacıkların sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of 3D graphene and nitrogen-doped carbon supported Pt nanoparticles for PEM fuel cells
Yazar: EMİNE TEKE ÖNER
Danışman: PROF. DR. AYŞE BAYRAKÇEKEN YURTCAN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Grafen aerojel = Graphene aerogel ; Heteroatom = Heteroatom ; Katalizörler = Catalysts ; Piroliz = Pyrolysis ; Yakıt pili = Fuel cell

Özet:
Amaç: PEM yakıt pillerinde maliyetin düşürülmesi, korozyon direnci, katalitik aktivite ve pil performansının iyileştirilmesi için farklı destek ve katalizör malzemelerinin sentezi ve karakterizasyonu.
Yöntem: Bu tez çalışmasında, destek malzeme ve katalizörler iki ana grupta değerlendirilmiştir. Grafen aerojel sentezi ve grafen aerojelin farklı hibritlerinin oluşturulması: bu kapsamda, grafit tozundan Modifiye Hummer's yöntemi ile grafen sentezi yapılmıştır. Elde edilen grafenden hidrotermal yöntem ile grafen aerojel (GA) sentezlenmiştir. Bu aşamada grafen aerojel ile yapılan çalışmalar üç alt başlıkta irdelenmektedir. Bunlar; GA/C Fiziksel hibritlerinin sentezi, GA/Pt/C hidrotermal hibritlerin sentezi ve heteroatom katkılı GA yapılarının sentezi olarak sınıflandırılmaktadır. Pani bazlı azot katkılı karbon siyahının (Vulcan-XC 72) farklı oranlarda sentezi ve farklı sıcaklıklarda pirolizi: bu aşamada, C/N 1:1,1:2, 2:1 olacak şekilde 3 farklı oranda sentez yapılmıştır. Sentezlenen malzemeler 600 ⁰C, 700 ⁰C, 800 ⁰C, 900 ⁰C sıcaklık değerlerinde piroliz edilmiştir. Elde edilen bütün destek malzemeler üzerine, mikrodalga indirgeme yöntemi ile Pt yüklenmiştir. PEM yakıt pillerinde yavaş olan ORR aktivitesini arttırmak için sentezlenen bu katalizörler PEM yakıt pili istasyonunda test edilmiş ve performansları değerlendirilmiştir. 
Bulgular:  Tez kapsamında sentezlenen hibrit yapıların analizlerinde ihtiyaca göre genel olarak, elementel analiz, ICP-MS, XRD, XPS, Raman, SEM, TEM, BET, temas açısı ve topografya ölçümlerinden faydalanılmıştır. Azot katkılı yapılarda elementel analiz sonuçlarına göre yapının başarılı bir şekilde sentezlendiği görülmüş ve piroliz sıcaklığı arttıkça yapıdaki azot miktarı azalmıştır. Sonuçlar XPS analizi ile de doğrulanmıştır.  En yüksek azot katkılama yaklaşık % 7 ile C/N 1:2 600 ⁰C numunesine aittir. SEM analizlerinde sentezlenen malzemelerin morfolojileri değerlendirilmiştir. GA ve hibritlerinin 3D yapısı net olarak gözlenmiştir. TEM analiz sonuçlarında sentezlenen katalizör yapılarında genellikle Pt'nin homojen dağıldığı gözlenmiştir. TEM görüntülerinden Pt katalizörlerin parçacık boyut hesaplamaları yapılmıştır ve 3nm ile 6 nm arasında değişen sonuçlar elde edilmiştir. XRD verilerinden hesaplanan Pt parçacık boyutları ile yakın değerler bulunmuştur. GA ve hibritlerinin PEM yakıt pili performansları değerlendirildiğinde, en iyi yakıt pili performansı 25GA/75Pt/C yapısı ile hazırlanan elektrota ait olup,  0,6 V'da 235,601 mA/cm2 akım yoğunluğu ve 0,196W/cm2 güç yoğunluğu elde edilmiştir. Azot katkılı karbon yapılarda da C/N 1:2 700 ⁰C için 0,6 V'da 692,97 mA/cm2 akım yoğunluğu ve 0,42 W/cm2 güç yoğunluğu ile en iyi yakıt pili performansı elde edilmiştir
Sonuç: PEM yakıt pili performansı için özellikle Pani bazlı azot katkılı karbon yapıların umut vadedici olduğu, GA ve hibritlerinin de geliştirilebileceği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Purpose: Synthesis and characterization of different support and catalyst materials for cost reduction, corrosion resistance, catalytic activity and battery performance improvement in PEM fuel cells 
Method: In this thesis, support materials and catalysts were evaluated in two main groups. First of all, Synthesis of graphene aerogel and creation of different hybrids of graphene aerogel: In this context, graphene synthesis was made from graphite powder using the Modified Hummer's method. Graphene aerogel (GA) was synthesized from the obtained graphene by hydrothermal method. At this stage, studies with graphene aerogel are discussed under three sub-titles. The synthesis of GA/C Physical hybrids is classified as the synthesis of GA/Pt/C hydrothermal hybrids and synthesis of heteroatom doped GA structures. Secondly, Pani-based nitrogen-doped carbon black (Vulcan XC 72) was synthesized in 3 different ratios as C/N 1:1, 1:2, 2:1 and pyrolyzed at 600 ⁰C, 700 ⁰C, 800 ⁰C, 900 ⁰C temperature values. Pt was loaded on all the obtained support materials, by microwave irradiation method. In order to increase the slow ORR activity in PEM fuel cells, these synthesized catalysts were tested at the PEM fuel cell station and their performances were evaluated. 
Findings: In the analysis of the hybrid structures synthesized within the scope of the thesis, elemental analysis, ICP-MS, XRD, XPS, Raman, SEM, TEM, BET, contact angle, and topography measurements were generally used. According to the elemental analysis results in nitrogen-doped structures, it was observed that the structure was successfully synthesized and the amount of nitrogen in the structure decreased as the pyrolysis temperature increased. The results were also confirmed by XPS analysis. The highest nitrogen doping, about 7%, belongs to the C/N 1:2 600 ⁰C sample. The morphologies of the synthesized materials were evaluated in SEM analysis. The 3D structure of GA and its hybrids was clearly observed. In the TEM analysis results, it was observed that Pt was generally distributed homogeneously in the synthesized catalyst structures. Particle size calculations of Pt catalysts were made from TEM images and results ranging from 3nm to 6 nm were obtained. Close values were found, with Pt particle sizes calculated from XRD data. When the PEM fuel cell performances of GA and its hybrids are evaluated, the best fuel cell performance belongs to the electrode prepared with 25GA/75Pt/C structure. In the measurements taken at 0,6 V, a current density of 235,601 mA/cm2, and a power density of 0,196 W/cm2 were obtained. In nitrogen-doped carbon structures, the best fuel cell performance was obtained with a current density of 692,97 mA/cm2 and a power density of 0,42 W/cm2, at 0,6 V, for C/N 1:2 700 ⁰C. 
Results: It has been concluded that especially Pani-based nitrogen-doped carbon structures are promising for PEM fuel cell performance, and GA and its hybrids can also be developed.