Metal organik çerçeve tabanlı azot katkılı yapıların PEM yakıt pillerinde kullanımı
Utilization of metal-organic frameworks based nitrogen-doped structures in PEM fuel cells
Yazar: MOHAMED ALI MOHAMUD
Danışman: PROF. DR. AYŞE BAYRAKÇEKEN YURTCAN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Katalizörler = Catalysts ; Metal organik kafesler = Metal–organic frameworks ; Yakıt hücreleri = Fuel cells ; Yeşil enerji = Green energy

Özet:
Amaç: Bu çalışmanın amacı, PEM yakıt pillerinin performansını artırmak için katot elektrot olarak iki farklı zeolitik imidazolat çerçeveden (ZIF) piroliz yöntemiyle elde edilen azot katkılı karbon yapıların platin (Pt) katalizör desteği olarak sentezlenmesi, fiziksel ve eletrokimyasal karakterizasyonlarının yapılmasıdır.
Yöntem: Bu çalışma dört aşamadan oluşmaktadır. Birinci aşamada ZIF-8 ve ZIF-67 kristal yapıları sentezlenmiştir. İkinci aşamada farklı sıcaklıklarda farklı azot katkılama yüzdelerine sahip destek malzemeleri elde etmek için piroliz işlemi yapılmış ve bu malzemeler fiziksel olarak SEM/EDS, XRD, FTIR, XRD, XPS, elementel analiz ve Raman analizleri ile karakterize edilmiştir. Üçüncü aşamada elde edilen destek malzemeleri üzerine Pt yüklenmesi mikrodalga ısıtma yöntemi kullanılarak yapılmış ve sentezlenen Pt katalizörlerin karakterizyonu XPS, TEM ve XRD ile gerçekleştirilmiştir.  Dördüncü aşamada, sentezlenen destekli katalizörlerin elektrokimyasal karakterizasyonları PEM yakıt pili testleri ile incelenmiştir.
Bulguları: SEM/EDS, XRD, FTIR, XRD, XPS, elementel analiz ve Raman analizleri, sentezlenen ZIF-8 ve ZIF-67 yapıları ile farklı piroliz sıcaklıklarında elde edilen azot katkılı karbon yapılarının (NC-t) başarı ile sentezlendiğini göstermiştir. SEM/EDS analizleri ZIF malzemelerinin ZIF kristal yapısında yaygın olarak gözlenen eşkenar dörtgen şekline benzer bir morfolojide olduğunu göstermiştir. ZIF-67'den elde edilen destek malzemeleri ile sentezlenen katalizörler PEM yakıt pili testlerinde daha yüksek performans göstermiştir. ZIF-67'den 1000 ⷪC piroliz sıcaklığında sentezlenen katalizör 0,6 V ta 380 mA/cm2 akım yoğunluğuna ve 0,32 W/cm2 güç yoğunluğuna sahiptir. ZIF-8 bazlı katalizörlerde ise en yüksek performans 800 ⷪC piroliz sıcaklığında sentezlenen katalizörden elde edilmiştir.
Sonuç: Bu çalışma ZIF-8 ve ZIF-67'den elde edilen azot katkılı karbon malzemelerin destek olarak kullanıldığı Pt bazlı katalizörlerin fiziksel ve elektrokimyasal özelliklerinin piroliz sıcaklıklarından oldukça fazla etkilendiğini göstermiştir. 

Anahtar kelimeler: Temiz enerji, PEM yakıt pili, destekli katalizör, MOF, ZIF-8, ZIF-67, azot katkılama

Abstract:
Purpose: The aim of this study is to synthesize nitrogen-doped carbon structures obtained by pyrolysis method as platinum (Pt) catalyst support for cathode electrodes to improve the performance of PEM fuel cells by using two different zeolitic imidazole frameworks (ZIF) and carry out physical and electrochemical characterizations.
Method: This study consists of four steps. In the first step, ZIF-8 and ZIF-67 crystal structures were synthesized. In the second step, pyrolysis was performed to obtain support materials with different nitrogen doping percentages at different temperatures and these materials were physically characterized by SEM/EDS, XRD, FTIR, XRD, XPS, elemental analysis and Raman analysis. Pt loading on the support materials obtained in the third step was made using microwave irradiation method and the characterization of the synthesized Pt catalysts was carried out with XPS, TEM and XRD. In the fourth step, the electrochemical characterizations of the synthesized supported catalysts were investigated by PEM fuel cell tests.
Findings: SEM/EDS, XRD, FTIR, XRD, XPS, elemental analysis and Raman analysis showed that the synthesized ZIF-8 and ZIF-67 structures and nitrogen-doped carbon structures (NC-t) obtained at different pyrolysis temperatures were successfully synthesized. SEM/EDS analyzes showed that ZIF materials have a morphology similar to the rhombic shape commonly observed in the ZIF crystal structure. Catalysts synthesized with support materials obtained from ZIF-67 showed higher performance in PEM fuel cell tests. The catalyst synthesized from ZIF-67 at 1000 ⷪC pyrolysis temperature has a current density of 380 mA/cm2 at 0.6 V and a power density of 0.32 W/cm2. In ZIF-8 based catalysts, the highest performance was obtained from the catalyst synthesized at 800 ⷪC pyrolysis temperature.
Results: This study showed that the physical and electrochemical properties of Pt-based catalysts, in which nitrogen-doped carbon materials obtained from ZIF-8 and ZIF-67 are used as support, are highly affected by pyrolysis temperatures.

Keywords: Clean energy, PEM fuel cell, supported catalyst, MOF, ZIF-8, ZIF-67, nitrogen doping