Bakteriyel selüloz sentezi ve enerji uygulamalarında kullanımı
Bacterial cellulose synthesis and its use in energy applications
Yazar: BERNA ALEMDAĞ
Danışman: PROF. DR. CEM BÜLENT ÜSTÜNDAĞ ; PROF. DR. ÜNAL ŞEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı / Biyomühendislik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering

Özet:
Küresel olarak artan enerji talebinin karşılanması için verimli ve dayanıklı katalizörler geliştirmek, sürdürülebilir enerji teknolojilerini ilerletmek ve fosil yakıtlara bağımlılığı azaltmak oldukça önemlidir.
Belirli bakteri türleri tarafından üretilen benzersiz bir biyopolimer olan bakteriyel selüloz, enerji uygulamaları için umut vaat etmektedir. Yüksek yüzey alanı, gözenekliliği ve benzersiz yapısı, onu elektrokimyasal cihazların performansını artırmak için ilgi çekici bir aday haline getirerek daha sürdürülebilir ve verimli enerji dönüştürme sistemlerinin geliştirilmesini sağlar.
Metal-organik çerçeveler (MOF'lar), oksijen İndirgeme Reaksiyonlarını katalize etmek için umut verici bir malzeme sınıfı olarak ortaya çıkmıştır. Bu yüksek gözenekli yapılar, katalitik aktiviteleri üzerinde hassas kontrole izin veren yüksek yüzey alanları ve ayarlanabilir gözenekli yapı sergiler. MOF'lar yakıt hücreleri ve diğer sürdürülebilir enerji teknolojilerinde potansiyel uygulamalar sunarak ORR için verimli katalizörler olarak hizmet edebilme potansiyeline sahiptir.
Bu çalışmada, tipik bir metal organik çerçeve türü olan Zeolitik İmidazol Kafes-8 yerinde sentez yöntemiyle bakteriyel selüloz (BS) iskelet yapısı üzerine sentezlenmiştir. Bakteriyel selüloz yüzeyinde bol miktarda bulunan hidroksil grupları ZIF-8 yapılarının bakteriyel selüloz yüzeyinde kümelenmesini engelleyerek yüzeye homojen bir dağılım görülmüştür. Ayrıca hazırlanan saf BS, BS@ZIF-8, membran yapılarının BET analizi sonucu yüzey alanlarında önemli değişim görülmüştür. Saf BS membranının hesaplanan yüzey alanı 38.4 m2 g−1 iken, BS@ZIF-8 kompozitin yüzey alanı 1084 m2 g−1 yükseldiği gözlemlenmiştir.
Ardından piroliz işlemi ile hazırlanan katalizör ORR performansı incelenmiştir. Geliştirilen katalizör oksijen indirgeme reaksiyonuna (ORR) karşı üstün katalitik performans gösterdiği gözlemlenmiştir. ORR katalizörleri, yakıt hücresi sisteminde ortaya çıkan yakıt geçişi durumunda zehirlenme etkilerinden kaçınmak için metanol gibi yakıtlara karşı güçlü tolerans göstermesi hedeflenmektedir. Yapılan BS@ZIF-8 ve Pt/C'nin metanol tolerans ölçümlerinde metanol eklenmesi üzerine Pt/C katalizörü için ani bir akım düşüşü gözlemlenmiştir. Buna karşılık BS@ZIF-8 katalizörü, metanol ilave edildikten sonra belirgin bir akım bozulması göstermediği, bu sonuç geliştirilen katalizörün önemli ölçüde daha iyi bir zehirlenme önleme özelliği sergileyebileceğini göstermiştir.
Mevcut çalışma, yüksek performanslı, sürdürülebilir ve ucuz MOF türevi katalizörler geliştirmek için umut verici bir yöntem olacağını göstermektedir.

Abstract:
Developing efficient and durable catalysts, advancing sustainable energy technologies and reducing dependency on fossil fuels are essential to meet the increasing global energy demand.
Bacterial cellulose, a unique biopolymer produced by certain bacterial species, shows promise for energy applications. Its high surface area, porosity and unique structure make it an attractive candidate for improving the performance of electrochemical devices, enabling the development of more sustainable and efficient energy conversion systems.
Metal-organic frameworks (MOFs) have emerged as a promising class of materials for catalyzing Oxygen Reduction Reactions (ORR). These highly porous structures exhibit high surface areas and tunable porosity, allowing precise control over their catalytic activity. MOFs could serve as efficient catalysts for ORR, offering potential applications in fuel cells and other sustainable energy technologies.
In this study, Zeolitic Imidazole Framework-8 (ZIF-8), a typical metal organic framework type, was synthesized on bacterial cellulose (BC) skeleton structure by in situ synthesis method. The hydroxyl groups, which are abundant on the bacterial cellulose surface, prevent the ZIF-8 structures from clustering on the bacterial cellulose surface and provide a homogeneous distribution on the surface. It was observed that the calculated surface area of the pure BC membrane was 38.4 m2 g−1, while the surface area of the BC@ZIF-8 composite increased by 1084 m2 g−1.
Then, the ORR performance of the catalyst prepared by the pyrolysis process was examined. The developed catalyst showed superior catalytic performance against ORR. ORR catalysts are targeted to have strong tolerance to fuels such as methanol to avoid poisoning effects in the case of fuel pass through in the fuel cell system. The methanol tolerance measurements of BC@ZIF-8 and Pt/C made show a sudden current drop for the Pt/C catalyst upon addition of methanol. In contrast, the BC@ZIF-8 catalyst shows no significant current degradation after the addition of methanol, resulting in a significantly better antipoisoning property of the developed catalyst.
The current work sheds light on a promising way to develop high-performance, sustainable and inexpensive MOF-derived catalysts.