Metal-organic framework/graphene oxide derived porous carbons for platinum based electrocatalysts for oxygen reduction reaction

Fosil yakıtların sınırlı kaynaklar olması fosil yakıta dayalı enerji ekonomisini 21'inci yüzyılın bir aşamasında değişmeye zorlayacak. Yenilenebilir enerji ekosistemine geçiş için bataryalar, yakıt ve güneş pilleri ve süperkapasitörler gibi enerji çevrim ve depolama araçlarının verimliliğinin artırılması gerekiyor. Hiyerarşik gözenekli malzemeler katalizörlerdeki kütle transferi ve aktif bölge yoğunluğunu artırmalarından dolayı polimer elektrolit membranlı (PEM) yakıt pillerinde ve bataryalarda kullanılıyorlar. Metal-organik kafes'ler organik moleküllerin metal merkezler ile bağlanması sonucu olşan kontrol edilebilir kristal katılardır. Bu yapılar angstrom ve nanometre seviyesinde moleküler kapılar, geçitler ve gözenekler oluşturabilirler. Metal-organik kafeslerden türemiş gözenekli karbonlar yüksek yüzey alanları ve 3-B ağ yapıları nedeniyle umut vaadeden katalizör destekleridirler. Bu tezde Zn esaslı bir MOF olan zeolitik imidazolat kafes-8 (ZIF-8) ve grafen okstin (GO) hibritleşmesi sonucu oluşan yapıya uygulanan piroliz sonucu gözenekli karbon elde edilmiştir. Fiziksel ve kimyasal karakterizasyonlardan da anlaşılacağı üzere, ZIF-8 grafen oksite ZIF-8'in sentez koşulları sırasında koordine olmuş ve basit karışım durumuna zıt olarak bir hibrit yapısı oluşturmuştur. Hibrit piroliz sıcaklıklarına çıkarıldığında GO'nun ZIF-8 üzerindeki pullanma etkisi sayesinde meso/makroporöz bir yapı elde edilmiştir. Hibrit malzeme üzerine Pt nanoparçacık (Pt NP) kaplanması sonucunda üretilen katalizör (Cat-1) iki farkli referans malzeme olan ZIF-8'in pirolizi üzerinde Pt NP kaplanması (Cat-0) ve indirgnemiş GO üzerine Pt NP kaplanması (Pt/rGO) ile voltametrik deneyler sayesinde karşılaştırılmıştır. Cat-1 katalizörünün oksijen indirgenme reaksiyonu (ORR) için 0.8 V'ta kütle aktivitesi ve spesifik aktivite değerleri Pt/rGO'ya göre daha yüksektir. Yüksek aktivitenin kaynağı olarak Cat-1 katalizöründeki hiyerarşik gözenekli yapının bu katalizördeki kütle transferi özelliklerini yükseltmesi önerilmektedir.