Pem Yakıt Hücrelerine Yönelik Nano Boyutlu Katot Katalizörlerinde Döner Halka Disk Elektrot Çalışmalarının İncelenmesi

Abstract

Bu çalışma moleküler oksijenin PEM yakıt hücrelerinde elektrokatalitik indirgenmesinin temel elektrokimyasal ve elektroanalitik yönleri bakımından ele almaktadır. Araştırma üç farklı temel bölüme ayrılmıştır. İlk kısımda nano boyutta elektrokatalizörlerin mikrodalga destekli polyol indirgenme metodu ile sentezlenmesini içermektedir. İkinci kısımda döner disk elektrot ve döner halka disk elektrot kullanılarak oksijenin elektrokatalitik indirgenmesine ilişkin temel reaksiyon mekanizmaları ve reaksiyon kinetikleri incelenmiştir. Üçüncü kısımda Spektroskopik ve mikroskopik yöntemler kullanılarak sentezlenen elektrokatalizörlerin yapısal karakterizasyonu aydınlatılmıştır. Çalışmanın ilk kısmı nano boyutta elektrokatalizörlerin mikrodalga destekli polyol indirgenme yöntemi kullanılarak sentezlenmesidir. Polyol indirgenme sentez yöntemi nano boyutta elektrokatalizör hazırlamak için zaman ve enerji bakımında oldukça verimli bir yöntemdir. Vulcan XC-72 karbon destekli Platin içerikli katalizörler oksijen indirgenmesi tepkimesi için en uygun katalizörlerdir. Platine ilişkin aşırı potansiyel ve yüksek maliyetler alternatif elektrokatalizörlerin geliştirlmesini gerektirmektedir. Oksijen indirgenme aktivitesini geliştirmek ve Platin içeriğini azaltmak için, karbon destekli bimetalik Pt-Cr, Pt-Sn, Pt-Ni, Pt-Co elektrokatalizörleri sentezlenmiştir. Çalışmanın ikinci kısmında elektroanalitik yöntemler kullanılarak sentezlenen elektrokatalizörlerin kinetik parametreleri, elektrokimyasal aktif yüzey alanları ve yüzeye ilişkin pürüzlülük faktörleri belirlenmiştir. Elektrokimysal çalışmalar perklorik asit ortamında gerçekleştirlmiştir. Oksijenin indirgenme katalitik aktivitesi ve peroksit oluşumu döner halkalı disk elektrot yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Döner halkalı disk elektrot yöntemi kinetik parametreleri ve reaksiyon sırasında oluşan ara ürün yada yan ürünleri belirlemek için kullanılan en yaygın yöntemdir. Koutecky-Levich analiz yöntemi kinetik parametrelerinin belirlenmesi sağlamaktadır. Bimetalik elektrokatalizörlerin oksijenin indirgenmesi üzerindeki elektrokatalitik etkisi Pt/C elektrokatalizörüne kıyasla kütle aktivetesi bakımdan daha verimli sonuçlar vermiştir. Çalışmanın son kısmında söz konusu elektrokatalizörlerin yapısal ve fiziksel karakterizasyonu yüksek çözünürlüğe sahip geçirimli elektron mikroskobu, X ışınları kırınımı ve termal gravimetrik analiz yöntemleri kullanılarak aydınlatılmıştır.

This research deals with fundamental electrochemical and electrocatalytical aspects of electrocatalytic reduction of molecular oxygen on polymer electrolyte fuel cell. The study is divided into three essentially independent sections. One part deals with the synthesis of the nano-sized electrocatalysts via microwave assisted polyol reduction method. In the second part a fundamental study concerning reaction pathway and reaction kinetics of the electrocatalytic oxygen reduction reaction (ORR) were investigated by using rotating disk electrode (RDE) and rotating ring disk electrode (RRDE). In the last part, morphologic characterization of the synthesized electrocatalayts were carried out by means of spectroscopic and microscopic methods. The first part of the study is to synthesis the nano-sized electrocatalysts via microwave assisted polyol reduction method. Polyol reduction method is a very efficient way to prepare nano-sized electrocatalyst in terms of time and energy. Conventional Vulcan XC-72 Carbon supported platinum catalysts are the best for oxygen reduction reaction. Because of the significant cathodic overpotential and the high cost of platinum, a development of alternative electrocatalysts are desired. In order to improve the oxygen reduction reaction activity and reduce the Pt loading, carbon supported binary Pt-Cr, Pt-Sn, Pt-Ni, Pt-Co electrocatalysts were synthesized. In the second part of the this work is to determine kinetic parameters, electroactive surface area and roughness factor of the synthesized electrocatalysts by means of electroanalytical methods. The electrochemical measuremants were carried out in percholoric acid electrolyte. ORR catalytic activity and intermediate H2O2 formation at synthesized electrocatalysts were investigated by using rotating ring-disk electrode (RRDE) technique. The RRDE technique is widely used to determine the kinetic parameters and to characterize the intermediate or side-products. Koutecky-Levich analysis made possible to evaluate the kinetic parameters. The performance of the binary electrocatalysts towards oxygen reduction was indicated the best mass activity effect compared to Pt/C. The last part of the this study is structural and physical characterization of the electrocatalysts in question were analyzed by high resolution transmission electron microscopy (HR-TEM), X-ray diffraction (XRD) and thermalgravimetric analysis (TGA).