PEM yakıt hücrelerinde Pt temelli elektro katalizöre Ti destek ara yüzeyin etkisi
Effect of Ti support interface on Pt-based electro catalyst in PEM fuel cells
Yazar: SERDAR SÜLEYMAN ALİÇAVUŞOĞLU
Danışman: PROF. DR. OSMAN ÖZTÜRK
Gebze Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Proton Değişimli Yakıt Hücrelerinde (PDYH) kullanılan elektro katalizörün platin tabanlı olması ve yaş kimya yöntemi ile yapılan katalizör çalışmalarında kullanılan platin tuzunun maliyetinin yüksek olması, hücrelerin yaygın kullanımını (otomobil, şehir aydınlatma, portatif cihazlar, askeri cihazlar) sınırlamaktadır. Farklı malzeme ve kalınlıklarda kaplanan nano ölçekli bimetalik katalizörlerin, etkinliğinin arttırılmasında ve dolayısıyla sınırlayıcı maliyet koşullarının giderilmesinde önemli rol oynayacağı tahmin edilmektedir. Nano ölçekli katalizörlerin hazırlanması için ultra yüksek vakum (UHV) ortamında, Magnetron Saçtırma yöntemi ile 22 µ𝑔/cm2 platin yüklemesi altında farklı kalınlıklarda kaplanmış Ti-Pt bimetalik katalizörler hazırlanmıştır. Bu katalizörlerin yüzey bağlanma enerjisinin ve yüzey elektronik yapısının tespiti için X-Işını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) ve katalizörlerin elektro kimyasal karakterizasyonu için ise Döngüsel Voltametri (DV) tekniği kullanılmıştır ve bu yöntemle elektrokimyasal aktif yüzey alanı (EAYA) belirlenmiştir. Platinin katalizör yüzeyinde oluşan topaklanma sorunu, EAYA'ya sınırlayıcı etkiler oluşturmaktadır. Taramalı Elektron Mikroskop ile katalizör yüzeyinde parçacık boyutları tespit edilmiş ve titanyum ara desteğinin platin topaklanma sorununa en verimli katkının 33 Å kalınlıkta olduğu gözlemlenmiştir. 
Deneysel çalışmada farklı kalınlıklarda hazırladığımız örneklerin DV tekniği ile karakterizasyonu yapılmış ve elde edilen sonuçlarda gPlatin başına düşen en yüksek EAYA değeri 19,1 m²/gPlatin ile Ti99Pt (99Å titanyum kaplama üzerine 22µg/cm2 platin kaplama) kodlu bimetalik katalizör olduğu belirlenmiştir. Titanyum kaplaması yapılmamış Ti00Pt kodlu platin katalizörün EAYA değeri 16,7 m2/gPlatin belirlenmiştir. Bu da bizlere titanyum ara destek tabakasının elektrokimyasal aktif yüzey alanının artışında etkilerinin olduğunu göstermektedir.

Abstract:
The fact that the electrocatalyst used in Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) is platinum-based and the high cost of platinum salt used in catalyst studies carried out with the wet chemistry method limits the widespread use of the cells (automobiles, city lighting, portable devices, military devices). It is estimated that nanoscale bimetallic catalysts coated in different materials and thicknesses will play an important role in increasing the efficiency and therefore eliminating the limiting cost conditions. For the preparation of nanoscale catalysts, Ti-Pt bimetallic catalysts coated with different thicknesses were prepared under 22 µ𝑔/cm2 platinum loading by Magnetron Sputtering (MS) method in ultra-high vacuum (UHV) environment. X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) was used to determine the surface binding energy and surface electronic structure of these catalysts, and Cyclic Voltammetry (CV) technique was used for the electrochemical characterization of the catalysts, and the electrochemical active surface area (EASA) was determined with this method. The aggregation problem of platinum on the catalyst surface creates limiting effects on EASA. Particle sizes on the catalyst surface were determined using a Scanning Electron Microscope, and the most efficient contribution of the titanium intermediate support to the platinum aggregation problem was observed at a thickness of 33 Å.
In the experimental study, the samples we prepared at different thicknesses were characterized with the DV technique and in the results obtained, it was determined that the highest EASA ratio per gPlatin was 19,1 m²/gPlatin and the bimetallic catalyst coded Ti99Pt (22µg/cm2 platinum coating on 99Å titanium coating). The EAYA ratio of the platinum Ti00Pt coded platinum catalyst without titanium coating was determined as 16,7 m2/gPlatinum. This shows us that the titanium intermediate support layer has an effect on increasing the electrochemical active surface area.