Rational design of silver/platinum core/shell nanoparticles as catalysts for electrochemical hydrogen production and oxygen reduction reaction

Platin (Pt) bazlı elektrotlar sahip oldukları kararlı yapıları ve düşük aşırı gerilimleri sayesinde gösterdikleri yüksek performansları nedeniyle hidrojen üretim reaksiyonunda (HER) ve oksijen indirgeme reaksiyonunda (ORR) kullanılmaktadır. Bununla birlikte, Pt bazlı elektrotların ticari uygulamalarda daha yaygın kullanım alanı bulması için elektrokatalizörlerde kullanılan Pt miktarının, katalitik performanslarının korunarak azaltılması gerekmektedir. Bu amaca ulaşmak için, Pt elektro-katalizörlerinin parçacık boyutunun küçültülmesi umut vadeden bir yoldur; ancak yine de küçük Pt nanoparçacıklarının (NP) çekirdeğinde kalan, katalitik olarak inaktif Pt atomlarının yüzdesi halen yüksektir. Bu bağlamda, monometalik Pt NP'lerin kullanılması yerine çekirdekte daha ucuz bir metalin yer aldığı çekirdek-kabuk yapısında bimetalik Pt NP'lerinin akılcı bir tasarım ile sentezlenmesi, oldukça ümit vericidir. Böylece daha az miktarda Pt'nin, çok ince kabuk olarak daha yüksek verimle kullanılması sağlanabilir. Böylece Pt elektrokatalizörün aktifliği yapısal değişiklikler ile geliştirilebilir. Bu amaçla, bu tez çalışmasında, bir yüzey-aktif madde içerikli solvotermal yöntem kullanarak gümüş/platin (Ag/Pt) çekirdek/kabuk NP'leri sentezlendi. Daha sonra, elde edilen Ag/Pt çekirdek/kabuk NP'leri ticari olarak temin edilebilen geniş yüzey alanına sahip karbon destek üzerine tutturuldu. C-Ag/Pt ve C-Ag/Pt'nin asit ile muamele edilmesi yolu ile elde edilen Pt oyuklu katalizörlerin performansı, HER ve ORR'de test edildi. Ag/Pt çekirdek/kabuk nanopartikül yapısında yer alan gümüşü çekirdekten uzaklaştırmak yolu ile Pt'yi modifiye etmek için kimyasal aşındırma ve elektrokimyasal ayırma metotları kullanılmıştır. Kimyasal ayırma ile oyuklu-Pt yapısı elde edilirken, elektrokimyasal ayırma ile özelliksiz NP'ler elde edilmiştir. Elektrokimyasal performans testleri, HER'de hem elektrokimyasal hem de kimyasal ayırma için asidik elektrolitte daha yüksek aktiflik gösterdiğini ortaya koydu. Daha spesifik olarak, HER katodik aktifliği 10 mA/cm2 elde etmek için gereken aşırı gerilimin elektrokimyasal olarak süzülmüş Pt NP'lerde 35 mV azaldığını; diğer yandan azalmanın kimyasal olarak süzülmüş Pt NP'lerde de 85 mV olduğunu göstermiştir. Hem HER hem de ORR'de yüzey bölgesindeki yapısal değişiklikler aktiviteyi değiştirmek için Pt miktarına kıyasla daha etkili olduğu ortaya koyulmuştur. Geliştirilmiş aktiflik, Pt yüzey katmanının modifiye edilmiş elektriksel özellikleri ile ilgilidir ve bu katman da parçacık boyutunun doğru seçilmesi ile düzenlenebilir.