Çok tabakalı grafenin azot katkılanması, transferi ve PEM yakıt pilinde kullanılmasının çalışılması

Bu çalışmada azot (N) katkılı çok tabaka grafenin Oksijen İndirgenme Reaksiyonu (ORR) aktiviteleri ve Proton Değişim Membranı (PEM) yakıt pillerinde elektrokatalizör olarak kullanılabilirliği incelendi. İlk önce Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) yöntemiyle tek tabaka, birkaç tabaka ve çok tabaka grafen üretildi. Grafen üretimi için değişik gaz akış oranları, sıcaklıklar, süreler ve değişik alttaşlar denendi. Üretilen grafenlerin üretildikleri alttaşlar üzerinden farklı alttaşlara transferleri çalışıldı. Grafen amonyakla, farklı sıcaklıklarda ve farklı sürelerde katkılandı. Grafenlerin ve katkılanan grafenlerin yüzeyleri Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile incelendi. Tabaka kalınlıkları ve yapı kusurları Raman Spektroskopisi ile analiz edildi. Katkılanan grafenlerin katkılama miktarları ve katkılanma şekilleri X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) ile karakterize edildi. Katkılı grafenlerin ORR aktiviteleri Döner Disk Elektrot (RDE) yönetimiyle test edildi ve son olarak tek hücre PEM yakıt piline aktarılıp doğrudan yakıt pili test sisteminde test edildi. Üretilen N- katkılı grafenlerden alınan sonuçlar ticari olarak kullanılan platinle karşılaştırıldı. RDE çalışmaları ORR aktivitelerinin katkılanma miktarıyla artığını gösterdi. Katkılanmamış CVD grafen 3-4 µA akım sağlarken, N-katkılı grafenler 15-60 µA aralığında akım sağladı. Yapılan Levich çalışmasıyla katkılı grafenlerin aktarılan elektron sayılarının birbirine yakın olduğu (n=0,079 ve n=0,105), ticari olarak kullanılan platin katalizörden (n=3,95) düşük olduğu görüldü. Son olarak yakıt pili testlerinde, 5cm2 yüzey alanlı örneklerden, 0,5V potansiyel altında, katkılanmayan grafenlerin kullanıldığı elektrotlardan akım alınamazken katkılı grafenden katot tarafında yaklaşık 0,6 mA anot tarafında ise yaklaşık 2 mA akım alındı.