Kobalt gömülü azot ve kükürt katkılanmış indirgenmiş grafen oksit(Co/NS-rGO) katalizörlerin oksijen indirgenmesi ve nitrat indirgenmesi reaksiyonları için incelenmesireaksiyonları için incelenmesi

Çağımızda insanlığın en zorlayıcı problemlerinden birisi sürdürülebilir ve karbon-sıfır enerji, kimyasal ve yakıt üretimini sağlamak ve fosil yakıt kaynaklarının kullanımını azaltarak karbon dioksit salınımını düşürmek ve iklim krizini yavaşlatmaktır. Enerji tüketimini dekarbonize edebilmek için iki önemli yol proton değişim membranı yakıt pillerinin ve çevre dostu amonyak elektrosentezinin yaygın ticarileşmesini sağlamaktır. Katalizörlerin reaksiyon kinetiklerini, bağlanma isteklerini ve akım performanslarını anlamak proton değişim membranı limitleyici kompartmanında olan oksijen indirgenmesi reaksiyonunda kullanılmak için satın alınabilir ve yüksek performanslı katalizörlerin kullanmını sağlamak ve sıfır emisyonlu amonyak elektrosentezini Haber- Bosch sürecini tazmin edebilecek kadar ilerletebilmek adına çok önemlidir. Ucuz ve yaygın kobalt yüksek yüzey alanlı grafen bazlı Co/NS-rGO katalizörlerinin farklı metal kompozisyonlarında ve farklı ısıl işlemlere tabi tutulmuş halleri nitrat indirenmesiyle amonyak elektrosentezi ve oksijen indirgenmesindeki seçicilikleri ve aktiviteleri için test edilmiştir. Tezin ilk bölümünde, kobaltın optimum kompozisyonunun oksijen indirgenmesi aktif CoS türlerinin ve kobalt tekli atomlarının homojen dağılmasının katalizörün proton değişim membranı yakıt pilleri için de istenen 4 elektron yönünde seçici olduğunun ve en az aşırıgerilim ve en yüksek akım çıkışına sahip olmasını sağladığı görülmüştür. Katı-transferi limitlerini yok eden dönen disk elektrot ve dönen halka-disk electrot tekniklerinin transfer edilen elektron sayısının Co/NS-rGO için çalışılan potensiyal aralığında endüstriyel katalizörler gibi 4 elektrob olduğu bulunmuştur. Aynı zamanda daha çok kobalt içeren ve kobalt oksit içeriği olan 2Co/NS-rGO katalizörlerinin peroksit formasyonuna yol açtığı bulunmuştur. Sonrasında, katalizörlerin kinetik aktivitelerinin orijinini bulmak için materyallerin elektronik özellikleri elektrokimyasal impedans spektroskopisi teknikleri kullanılarak incelenmiştir. En yüksek performansa sahip Co/NS-rGO katalizörününün Fermi seviyesi etrafında en yüksek durum yoğunluğuna, en fazla yük taşıyıcı yoğunluğuna ve en yüksek düz bant potansiyeline sahip olduğu bulundu. Ayrıca, elektrokimyasal yüzey alanıyla normalize edilen dönen disk elektrot ve dönen halka-disk elektrot deneyleri sonuçlarının normalize edilmeyen halleri gibi yine elektrokimyasal aktif alanlarının maksimum kullanılabilirliğinde olduğu gözlenmiştir. Ayrıca, elektrokimyasal impedans teknikleri Co/NS-rGO katalizörünün kapasitif özelliklerinin en yüksek olduğunu bulmuştur. Tezin ikinci bölümünde, elektrokimyasal nitrattan amonyağa aktivitesi kobaltlı veya kobaltsız; ısıyla eritilmiş veya eritilmemiş kükürt ve azot katkılı indirgenmiş grafen oksit katalizörleri için incelenmiştir. Bulgular kobaltsız katalizörün nitrit üretimini desteklediği ve nitratı amonyağa dönüştürmekte çok etkin olmadığını göstermiştir. Aynı zamanda, ısıl eritmenin hidrojen oluşumu reaksiyonunu desteklediği ve kobalt gömülmesinin de amonyak seçiciliğini ve verimini arttırdığı gözlenmiştir. Mekanizma yaklaşımı XAS, EIS, DRT modeli ve Tafel nalizinin Co/NS-rGO için katı-transferi limitli bir mekanizmaya sahip olduğunu gösterir. Aynı zamanda, ısıyla iretilmiş kobaltlı katalizörün ise yük transferi limitlemelerinin olduğu ve protonlama özelliklerinin düşük olduğu gözlenmiştir. Üstelik, mekanizma çalışmaları nitrit desorpsiyonunun nitrat indirgenmesinde önemli bir rolü olduğunu gösteriyor. Nitriti modüle etmek ve amonyak verimi ve seçiciliğini arttırmak için, kısa aralıklarla elektroliz stratejisi seçilmiştir katı- transferi limitli ve yük transferi limitli rejimlerde. Kısa aralıklı elektroliz sonuçları çok yüksek amonyak verim hızı ve seçiciliğiyle nitrit indirgenmesini gerçekleştiren Co/NS- rGO katalizörünün nitrat indirgenmesi için amonyak seçiciliğini 2 kat ve verimini 3 kat arttırdığı gözlenmiştir. Fakat, ısıyla eritilmiş kobaltlı katalizör hidrojen oluşumu reaksiyonunu takip etmiş ve amonyak üretimi bastırılmıştır.