PEM yakıt hücresi katot elektrodunda kullanım potansiyallerini incelemek üzere çevrel faz katalizörlerin sentezi, karakterizasyonu ve elektrokatalitik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of synthesis, characterization andelectrocatalytic characteristics of chevrel phasecatalysts to examine the usage potentials in pem fuelcell cathode electrode
Yazar: MERİÇ KARAKIŞ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ GAMZE KARANFİL
Karamanoğlu Mehmetbey Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mühendislik Bilimleri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Proton değişim membran (PEM) yakıt hücreleri yüksek güç yoğunluğu ve enerji dönüşüm verimi, az yer kaplaması, hafiflik ve düşük çalışma sıcaklığı nedeniyle özellikle taşıtlarda ve taşınabilir cihazlarda tercih edilen yakıt hücresi çeşitlerinden bir tanesidir. PEM yakıt hücresinin anot kısmında hidrojen elektron vererek yükseltgenirken, katot kısmında ise oksijen elektron alarak indirgenir. Katalizör tabakası, hidrojen oksidasyon reaksiyonu (HOR) veya oksijen indirgeme reaksiyonunun (ORR) gerçekleştiği yerdir. Katotta meydana gelen ORR anottaki HOR'na göre daha yüksek aktivasyon enerjisine sahip olup eşit şartlar altında daha yavaş yürür. Bu nedenle katotta katalizör olarak kullanılan platin miktarı yakıt hücresinin maliyetini üzerinde belirleyici etkiye sahiptir ve PEM yakıt hücreleri üzerine yapılan çalışmaların büyük bir bölümü katotta kullanılabilecek alternatif katalizörler üzerine yoğunlaşmaktadır. Çevrel fazları, bu bileşiklerin kapsamlı olarak incelenmesine neden olan, sayısız ve bazen şaşırtıcı fiziksel ve kimyasal özellikleri bulunan seçkin bir malzeme ailesini oluştururlar. Bu dikkat çekici özellikler, kristal yapının kimyasal niteliklerinin tüm aralıklarını kapsayan çok sayıda öğeyi barındırması kabiliyetiyle yakından ilişkilidir. Çevrel fazlı bileşiklerin oksijen indirgeme reaksiyonunda dikkat çekici elektrokatalitik etkinlikler sergilediği görülmüş ve bu etkinliklerinin küme içindeki metal iyonların içeriği ve doğasıyla yakından ilişkili olduğu belirlenmiştir. 
Tez çalışması kapsamında, PEM yakıt hücresi maliyetinin büyük bir kısmını oluşturan ve PEM yakıt hücresi katot elektrotunda gerçekleşen oksijen indirgeme reaksiyonunda (ORR) akitvasyon sorunları bulunan platin katalizöre alternatif, daha ekonomik ve daha etkin katalizörler sentezlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda, oksijen indirgeme reaksiyonunda dikkat çekici elektrokatalitik etkinlikler sergileyen çevrel fazları (Cu2Mo6S8 ve Fe2Mo6S8) farklı karbon kaynakları kullanılarak sentezlenmiş ve elektrokatalitik özellikleri incelenmiştir. Cu2Mo6S8; 4,510 mA/mgmetal katalizör kütle aktivitesi, 0,95 V başlangıç potansiyeli (Eonset) ve 0,72 V yarıdalga potansiyeli (E1/2) ile en yüksek elektrokatalitik aktiviteye sahip kombinasyon olarak belirlenmiştir.

Abstract:
Proton exchange membrane (PEM) fuel cells are one of the fuel cell types that are preferred especially in vehicles and portable devices due to their highpower density and energy conversion efficiency, small footprint, lightness and low operating temperature. While hydrogen is oxidized by giving electrons in the anode part of the PEM fuel cell, oxygen is reduced by taking electrons in the cathode part. The catalyst layer is where the hydrogen oxidation reaction (HOR) or oxygen reduction reaction (ORR) takes place. The ORR occurring at the cathode has a higher activation energy than the HOR at the anode and runs slower under equal conditions. Therefore, the amount of platinum used as a catalyst in the cathode has a determining effect on the cost of the fuel cell, and most of the studies on PEM fuel cells focus on alternative catalysts that can be used in the cathode. The chevrel phases are a distinguished family of materials with numerous and sometimes surprising physical and chemical properties that have led to the extensive study of these compounds. These remarkable properties are closely related to the ability of the crystal structure to accommodate a large number of elements covering all ranges of chemical properties. It has been observed that the chevrel phase compounds exhibit remarkable electrocatalytic activities in the oxygen reduction reaction and these activities are closely related to the content and nature of metal ions in the cluster. 
In the thesis, it is aimed to synthesize alternative, more economical and more effective catalysts to platinum catalysts, which constitute a large part of the cost of the PEM fuel cell and have activation problems in the oxygen reduction reaction (ORR). For this purpose, the chevrel phases (Cu2Mo6S8 and Fe2Mo6S8) which exhibit remarkable electrocatalytic activities in the oxygen reduction reaction were synthesized using different carbon sources and their electrocatalytic properties were investigated. The combination with the highest electrocatalytic activity was determined as Cu2Mo6S8, with a mass activity of 4,510 mA/mgmetal catalyst, an initial potential (Eonset) of 0.95 V and a half-wave potential (E1/2) of 0.72 V.