Metal organik kafes yapılardan (MOF) elektrokatalizör geliştirilmesi

Abstract

Teknolojik gelişmeler, hidrojenin çevre dostu ve sürdürülebilir bir alternatif enerji kaynağı olarak kullanılmasını mümkün kılmıştır. Enerji dönüşüm sistemleri arasında elektrokimyasal su ayrıştırma, kullanım kolaylığı, düşük maliyeti, yüksek güvenliği ve çevre dostu olmasıyla hidrojen üretiminde ideal bir yöntem olarak bilinir. Ancak, su elektrolizörleri endüstriyel ölçekte bazı zorluklarla karşı karşıyadır. Bu zorlukların başında, elektrotların yüksek aşırı gerilimleri nedeniyle elektrokimyasal hidrojen oluşum reaksiyonlarının (HER) yavaş kinetiği gelmektedir. Mevcut durumda HER için kullanılan ileri teknoloji katalizörler IrO2, RuO2 ve Pt’dir. Ancak, bu katalizörlerin hem ekonomik açıdan maliyetli hem de sınırlı kaynaklara sahip olmaları sürdürülebilir bir çözüm sunmamaktadır. Bu durum, HER enerji bariyerini düşürebilen, ekonomik olarak uygulanabilir ve bol miktarda bulunabilen yeni elektrokatalizörlerin tasarımı ve üretimlerini kaçınılmaz kılar. MOF’lar, gözenekli yapıları, geniş yüzey alanları ve aktif bölgeleri sayesinde ilgi çekicidirler. Bu sebeple bu tez çalışmasında, HER aktivitesinin artırılması amacıyla karbon kumaş (CC) üzerine fonksiyonelleştirilmiş MOF (metal-organik kafes yapıları) elektrokatalizörlerin geliştirilmesi hedeflenmiştir. Bu amaçla M-BTC (M=Fe, Ni, Co; 1,3,5-benzentrikarboksilik asit) ve çift metal içerikli M2-BTC: (M2=FeCo, NiCo, FeNi) MOF yapılarının elektrokimyasal biriktirme sentez yöntemi üzerine odaklanılmış ve suyun elektrolizinde kullanılmıştır. Elde edilen katalizörler gelişmiş analitik tekniklerle incelenerek; üç elektrotlu bir hücre sisteminde 0,50 M H2SO4 çözeltisi içerisinde Pt tel, CC/ MOF çalışma elektrotları ve Ag/ AgCl referans elektrot kullanılarak performansları değerlendirilmiştir. Bu elektrokimyasal ölçümler, LSV, CA ve EIS tekniklerini içermektedir. Sonuç olarak, elde edilen MOF elektrokatalizörlerin HER için 10 mA/ cm2 akım yoğunluğuna ulaşmak için gereken aşırı gerilimleri, CC/ Pt’ne oldukça yakın olduğu ve reaksiyon kinetiklerinin Volmer-Heyrovsky mekanizması ile kontrol edildiği belirlenmiştir. Ayrıca 12 saatlik CA testleri, katalizörlerin yüksek kararlığa sahip olduğunu göstermiştir. Literatüre kıyasla, bu katalizörlerin hidrojen üretimi için umut vaat eden bir alternatif olabilecekleri belirlenmiştir.

Thanks to technological advances, hydrogen has become possible for alternative energy systems of the future because it is an environment-friendly and sustainable manner. Among all energy conversion systems, electrocatalytic water splitting is considered a favorable method of hydrogen production due to its ease of use and operation, potentially low cost, high safety, and non-polluting even if using electrical sources. However, water electrolyzers undergo some critical industrial challenges. The main adversities in these devices are the sluggish kinetics of electrocatalytic hydrogen evolution reactions (HER) in acidic environments due to the high overpotentials of the electrodes used for these reactions. Based on these considerations, well-developed and highly efficient electrocatalysts are required for HER activity. To date, state-of-the-art catalysts to promote HER activity are IrO2, RuO2, and Pt, respectively. But, these catalysts are inadequate and more expensive. Therefore, designing and fabricating an economically viable and abundant electrocatalyst, which is capable of lowering the energy barrier HER is of great importance. So, mainly focused on this project, the electrochemical synthesis of Carbon Cloth functionalized MOF M-BTC (Fe, Co, Ni) and M2-BTC (M2=FeCo, NiCo, FeNi) electrocatalysts towards the enhancement of HER activity. MOF-based electrocatalysts have appeared as fascinating and alternative catalysts due to their morphology, unique porous structure, large surface area, and more exposed active sites. The yielded electrocatalysts were characterized by advanced analytical techniques. Lastly, to implement the electrocatalysts in a water electrolyzer, a homemade electrochemical test cell was designed with a three-electrode configuration, including CC/ MOF catalysts as the working electrode, a Pt wire as the counter electrode, and Ag/ AgCl as the reference electrode in a 0.50 M H₂SO₄ environment. For electrochemical characterization, LCV, CA, and EIS techniques were performed. Consequently, the overpotentials of catalysts to achieve 10 mA/ cm2 current density resulting from LSV curves for HER have been found to nearly approach the Pt/ C electrode and most stable results were obtained via literature.