Tetrapirol türevlerinin sentezi ve enerji alanındaki uygulamaları

Abstract

Günlük yaşantımızın vazgeçilmezlerinden biri de çoğu faaliyetin gerçekleşmesi hususunda gerekli olan enerjidir. Artan enerji talebi ve fosil yakıtların tükenme durumuna gelmesi insanları, alternatif enerji kayanağı bulmak konusunda motive etmektedir. Doğada serbest halde bulunmayan hidrojen, bitkilerin yapısında ve özellikle suda, metanol, metan gibi bileşikleri halinde bulunur. Farklı enerji kaynaklarından elde edilebilen yakıtlara örnek olarak H2 verilebilir. Hidrojenin depolanabilen ve taşınabilen bir kaynak olması, onu çok önemli bir malzeme konumuna getirmektedir. Pozitif özelliklerine rağmen, hidrojenin bazı üretim yöntemlerinin sera gazı etkisine sahip olduğu da bilinmektedir. Bu etkiden kurtulmak için çevreye zararlı olmayan alternatif üretim yöntemlerinin keşfi çok önem taşımaktadır. En çok bilinen yöntem olan suyun elektrolizinin maliyet, verimlilik ve gerilim bakımından çeşitli olumsuzlukları olduğu bilinmektedir. Dünya şu anda birbirine çok yakından bağlı iki sorunla karşı karşıya bulunmaktadır. Bunlar atmosferdeki yüksek CO2 seviyelerine bağlı iklim değişiklikleri ve artan küresel enerji talebidir. Bu zorlukların üstesinden gelmek için, düşük karbonlu bir ekonomiyi sürdürürken yenilenebilir enerjileri entegre etmek ve enerji sistemini yerelleştirmek çok önemlidir. Bu nedenle, CO2'i hammadde olarak kullanan ve elektrik enerjisini diğer yararlı enerji biçimlerine dönüştüren teknolojilerin geliştirilmesi gerekmektedir. CO2'nin elektrokimyasal indirgenmesi, bu gereklilikleri karşılama ve atmosferdeki CO2 miktarının azaltılmasına aktif olarak katkıda bulunma potansiyeline sahiptir. Bu tez kapsamında yapılan çalışmalar ftalosiyanin ve porfirin bazlı elektrot üretimi olmak üzere iki ana gruba ayrılabilir. Bunlardan biri karboksilik asit ile fonksiyonlandırılmış bakır-ftalosiyaninlerin rGO ile birlikte hibrit nanokompozitlerinin hazırlanması, karakterizasyonu, GCE yüzeyine kaplanması ve HER için elektrokatalizör olarak kullanımlarının araştırılmasıdır. Porfirin tabanlı çalışmaların biri, iki tienil ve iki fenil grubu içeren yeni metalsiz ve kobalt(II) porfirin sentezi, karakterizasyonu, CO2 indirgeme katalizörleri olarak kullanılmalarının araştırılması şeklinde planlanmıştır. Diğeri ise, 3 fenil ve 1 tiyofenli elektropolimerleşebilen grup içeren asimetrik porfirin sentezi, karakterizasyonu ve enerji alanında elektrokatalizör olarak kullanım verimliliğinin araştırılması üzerinedir. Bu amaçla çalışmalardan birinde; hidrojenin elektrokatalitik üretimindeki katalizör etkinliğinin ölçülmesi amacıyla çevresel ve çevresel olmayan pozisyonlarda tetra ve okta sübstitüye olmak üzere üç ftalosiyanin sentezlenip indirgenmiş grafen oksit ile nanokompozit elde edilmiştir. Elde edilen nanokompozit yapılarının ileri karakterizasyon yöntemleri (SEM, XRD, Raman, XPS, FT-IR, UV-Vis ve ICP-MS) kullanılarak yapısal karakterizasyonları yapılmıştır. Alınan elektrokimyasal ölçümler sonucunda çevresel pozisyonlardan sübstitüye edilmiş ftalosiyaninler ile elde edilen nanokompozitlerin daha iyi sonuç verdiği görülmüştür. Sentezlenen üç yapının sonuçları mukayese edildiğinde en iyi sonucun okta sübstitüye ftalosiyaninden elde edilmiş nanokompozitte olduğu, ikinci sırada çevresel pozisyonda sübstitüye olmuş ftalosiyanin ile elde edilen nanokompozitin olduğu ve son sırada ise çevresel olmayan pozisyonda sübstitüye olmuş ftalosiyanin ile elde edilen nanokompozitin olduğu görülmüştür. Tez içerisinde gerçekleştirilen diğer çalışmada elektropolimerleşebilen grup içeren bir porfirin sentezlenip, kalem ucu elektrot üzerine elektropolimerleşme yöntemi ile kaplanmasıyla oluşturulan elektrotların karbondioksitin elektrokimyasal indirgenmesinde ki katalizör olarak kullanımlarının verimliliği incelenmiştir. Sentezlenen maddelerin karakterizasyonları FT-IR, UV-Vis, Raman ve SEM yöntemleri kullanılarak yapılmıştır. Farklı döngü sayılarında (10, 30, 50, 100) yapılan kaplamalar ile elde edilen metalsiz ve kobalt metali içeren elektrotların yapılan elektrokimyasal ölçümler sonucunda alınan verilere göre verimlilikleri sıralandığında, 100 döngüde kaplanan kobalt porfirin içeren elektrotun en verimli sonuç verdiği görülmüştür. Bir diğer porfirin içeren çalışmada ise, tiyofen grubu içeren bir asimetrik porfirin sentezlenerek elektropolimerleştirme yöntemiyle elektrot oluşturulup enerji alanlarındaki elektrokatalizör verimlilikleri incelenmesi planlanmıştır. Bu tez kapsamında elektrokimyasal hidrojen üretiminde ve karbondioksitin elektrokimyasal indirgenmesinde elektrot olarak kullanılmaya aday yeni tetrapirol türevi mazemelerin sentezi ve karakterizasyonu gerçekleştirilmiş, ayrıca uygulamaya dair özellikleri incelenerek literatüre katkı sağlanması amaçlanmıştır.