2 boyutlu işlevselleştirilmiş grafen, molibden disülfit, ve nikel sülfit üzerinde elektrokimyasal araştırmalar

Elektrokimyasal temelli enerji üretimi ve depolama tekniklerinin yaygın olarak uygulanması, fosil yakıtların sürekli kullanımından kaynaklanan sorunları ele almak için vazgeçilmez bir stratejidir. Elektrokimyasal temelli cihazlarda elektrot olarak kullanılacak en iyi adayları on yıllar boyunca aradıktan sonra, elektrokimyacılar, mekanizmalar, reaksiyon bölgesi ve operando koşulları altında elektrot değişiklikleri gibi elektrokimyasal reaksiyonların ayrıntılarını araştırmaya başladılar. Bu konularla ilgili paha biçilmez bulgulara rağmen, hala cevaplanmamış önemli sorular var. 2 boyutlu malzemeler, aktif elektrotlar tasarlamak için benzersiz özellikler sağlar. Bu malzemelerin özel yapısı işlevselleştirme için çok sayıda yer sunar. Bunun neticesinde, yüzey morfolojileri, elektronik yapı, taşıyıcı konsantrasyonu, yük transfer verimliliği vb. gibi elektrokimyasal olarak temel özelliklerin değiştirmesi mümkün hale gelir. Sonuç olarak, geliştirilmiş elektrokimyasal aktivitelere sahip yeni elektrotlar tasarlamak mümkündür. Bu tezde, elektrokimyasal reaksiyonlar sırasında elektrotlarda olan değişiklikleri incelemek için çeşitli fiziksel ve elektrokimyasal karakterizasyon teknikleri ile birleştirilmiş 2 boyutlu malzemelerin benzersiz özelliklerinden yararlanmıştır. Ek olarak, çok sayıda aktif sitenin mevcudiyeti ve bu sitelerin erişilebilirliğinin yüzeye duyarlı karakterizasyon yöntemleriyle birleştirilmesi, elektrokimyasal reaksiyonların ayrıntılı olarak çalışılması için istisnai koşullar sağlar. Bu konu, elektrokimyasal ölçümler sırasında elektrotların yapısal ve bileşimsel değişiklikleri hakkındaki son bulgularla büyük önem kazanmıştır. Bu tezde, elektrokimyasal reaksiyonlar sırasında elektrot malzemelerindeki değişiklikleri incelemek için çeşitli fiziksel ve elektrokimyasal karakterizasyon teknikleri ile birlikte 2D Grafen, MoS2 ve NiSx'in benzersiz özellikleri kullanılmıştır. Çalışmanın ilk kısmı, en basit ve en iyi bilinen 2D malzeme olan grafen üzerine odaklanmıştır. N-katkılaman'ın, grafenin oksijen indirgeme reaksiyonuna (ORR) yönelik elektrokimyasal aktivitesini önemli ölçüde arttırdığı gösterilmiştir. Farklı N konfigürasyonlarının N-katkılı grafenin aktivitesi üzerindeki etkisini inceledikten sonra, piridinik N'nin, tabakalar arasındaki etkileşimi modüle ederek iki tabakalı N-grafenin aktivitesini geliştirdiği gösterilmiştir. Pirrdinik N katkılı grafen içindeki artan π- π etkileşimi, katmanlar arasındaki elektron transfer kinetiğini desteklediği ve N katkılı çift katmanlı grafen için geliştirilmiş bir aktivite ile sonuçlandığı isbat edilmiştir. Farklı N konfigürasyonlarının, ORR esnasında rolünü daha iyi anlamak için, iki katmanlı bozulmamış ve N katkılı grafen, spektroelektrokimyasal Raman (SEC-Raman) tekniği ile araştırıldı. N katkı maddelerinin konfigürasyonuna bağlı olarak, H/OH ve O2 gruplarının adsorpsiyonu arasında bir rekabet olmasının mümkün olduğu gösterilmiştir. O2 (veya O2-) ile H/OH arasındaki olası reaksiyonlar için Raman parmak izlerini gösterdikten sonra, ORR'nin aynı aktarılan elektron sayılarına sahip birden fazla mekanizmaya sahip olabileceği önerilmiştir. MoS2'nin hidrojen evrim reaksiyonu (HER) aktivitesini geliştirmedeki önemli çalışmalara rağmen, farklı fazlarının varlığı ve nispeten karmaşık yapısı, şimdiye kadar yayınlanan raporlarda önemli sayıda tartışmalı sonuçlara yol açmıştır. Ne yazık ki, farklı MoS2 yapılarındaki mekanizma ve HER sırasında yapısal değişiklikler gibi temel soruları cevaplamak için kullanılan operando tekniklerinin çoğu, amorf MoS2'ye odaklanmıştır. Burada, bir sentez parametresini değiştirmenin MoS2'nin fazı, bileşimi, ve kusur yoğunluğu üzerindeki etkisini incelemek için sistematik bir araştırma yapılmıştır. N katkılaman'ın MoS2'nin HER aktivitesini geliştirdiği gösterilmiştir. Ancak, bu gelişmenin olmadığı ve N katkılamanın sonucunda ortaya gelen gerilim ve faz dönüşümünün, N atomlarının MoS2 yapısını terk ettiklerinden sonra aradan gittiği gösterilmiştir. Son olarak, alkali elektrolit içindeki farklı nikel sülfit fazlarının (NiSx) HER aktivitesi araştırılmıştır. NiSx'in 3 boyutlu yapısına rağmen, katman katman yapılı (Ni(OH)2) kullanarak saf 2 boyutlu NiS2 sentezlemenin mümkün olduğu gösterilmiştir. Bu numuneler üzerinde yapılan elektrokimyasal ölçümlerin 3 boyutlu yapılara sahip numunelere göre daha iyi sonuçlar verdiği gösterilmiştir. Numunelerin lineer süpürme voltametri sonuçlarındaki benzer olmayan dinamik davranışları yapısal geçiş sırasında Raman ve XPS incelemeleri yapılarak incelenmiştir. Hidroksillenmiş Ni ve NiSx'in birlikte varlığının elektrotların HER aktivitesini desteklediği gösterilmiştir.