Karbondioksitin elektrokimyasal yöntemle formik aside indirgenmesinde kalay ve indirgenmiş grafen oksit bazlı elektrotların geliştirilmesi
Developing tin and reduced graphene oxide-based electrodes for electrochemical reduction of carbon dioxide to formic acid
Yazar: KUMRU RENDE
Danışman: DOÇ. DR. PINAR ERGENEKON ; DOÇ. DR. DİDEM BALUN KAYAN
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya = Chemistry ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
CO2'nin elektrokimyasal indirgenmesi için verimli elektrokatalizörlerin geliştirilmesi; enerji, çevre ve malzeme bilimi gibi alanlarda ilgi çeken bir konudur. Bu tez çalışmasında sürdürülebilir bir çevre için iklim değişikliğinin temel nedeni olan CO2 gazını katma değerli bir ürün olan formik asit/formata dönüştürmek için daha az enerji ve malzeme tüketimi ile daha düşük karbon ayak izine sahip, ekonomik, çevre dostu ve verimli elektrokatalizörler geliştirilmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda yalnızca elektrokimyasal yöntemler kullanılarak iki farklı tip elektrot geliştirilmiştir. Birinci tip, Sn plaka üzerinde SnOx ince-film tabakasının oluşturulduğu Sn/SnOx elektrottur. İkincisi ise Sn yüzeyinin kitosan-indirgenmiş grafen oksit (chi-rGO) tabakası ve SnO2 nanopartikülleriyle modifiye edildiği, daha kararlı bir morfoloji ve yüksek performansa sahip olan Sn/chi-rGO/SnO2 kompozit elektrottur. Elektrot yüzeyleri ve kimyasal kompozisyonları, Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve Enerji Dağılım Spektroskopisi (EDS) teknikleri kullanılarak incelenmiştir. Elektrot yüzeyindeki Sn'nin oksidasyon durumu ise X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) ile incelenmiştir. H-tipi hücrede, farklı sabit potansiyellerde CO2 elektrokimyasal olarak indirgenerek format üretilmiş olup elektrotların katalitik aktiviteleri değerlendirilmiştir. Çalışma bulguları, Sn/SnOx elektrotlar arasında -0,6 V'ta hazırlanan Sn/SnOx ince-film elektrotun en yüksek Faraday verimine sahip olduğunu göstermiştir. Sn/SnOx elektrot üzerinde elde edilen maksimum Faraday verimi -1,8 V'ta % 74,7'dir. Hazırlanan Sn/chi-rGO/SnO2 elektrotlar arasında en iyi performansa sahip elektrot ise, elektrodepozisyon süresi 600 s olan Sn/chi-rGO/SnO2 elektrottur. Format üretimine yönelik maksimum Faraday verimi -1,8 V'ta % 87,9 olup elektroliz sırasında elde edilen ortalama akım yoğunluğu -7,36 mAcm-2 olarak kaydedilmiştir. Elektrokimyasal ölçümler ve stabilite testleri, geliştirilen elektrotlar arasında özellikle Sn/chi-rGO/SnO2 kompozit yapısının CO2'nin formata verimli dönüşümü için potansiyel bir elektrot malzemesi gibi davrandığını ortaya çıkarmıştır.

Abstract:
Developing efficient catalysts for CO2 electroreduction has become a hot topic in many research areas such as energy, environment, and material science. In this thesis, it was aimed to develop new and efficient electrocatalysts for effective CO2 reduction to formate by a simple, low cost method with a low carbon footprint. In this context, two different types of electrodes have been developed via only electrochemical methods. The first one is the Sn/SnOx electrode, on which a SnOx thin-film layer was formed on the Sn metal plate. The second electrode is the Sn/chi-rGO/SnO2 electrode, which was developed by modifying the Sn plate with reduced graphene oxide, chitosan and SnO2 nanoparticles. The catalytic activity of the electrodes was investigated by electrochemically reducing CO2 at different potentials and evaluating the Faraday efficiency. Formate was produced on the Sn/SnOx and Sn/chi-rGO/SnO2 electrodes via electrochemical reduction of CO2 in an H-type cell. The SnOx thin-film electrode which was prepared at -0.6 V was found to have the highest Faradaic efficiency among the other Sn/SnOx electrodes. The maximum Faradaic efficiency of formate obtained on the Sn/SnOx electrode was %74.7 at the applied potential of -1.8 V. Among the other composite electrodes, the best performance was obtained for the Sn/chi-rGO/SnO2 electrode whose electrodeposition period was 600 s. The maximum Faradaic efficiency was recorded as %87.9 towards the production of formate at -1.8 V. Electrochemical measurements and the stability test revealed that the Sn/chi-rGO/SnO2 composite structure behaves as a potential electrode material for efficient CO2 conversion to formate.