Genel su ayrıştırma fonksiyonlu, ucuz ve yüksek performanslı metal katkılanmış ZrB2 ve HfB2 elektrokatalizörler

Artan küresel enerji talebi, azalan fosil yakıt miktarı ve şiddetli iklim değişiklikleri, araştırmacıları temiz, sürdürülebilir ve verimli enerji kaynakları geliştirmeye teşvik etmiştir. Günümüzde hidrojen enerjisi, bilinen herhangi bir yakıtın en yüksek gravimetrik enerji yoğunluğu, sıfır karbon ayak izi ve doğada bulunabilirliği sayesinde ideal enerji taşıyıcısı olarak en umut verici çözümlerden biridir. Yüksek saflıkta hidrojen gazı üretiminde elektrokatalitik su ayrıştırma ön plana çıkmış; bu bağlamda, dikkate değer elektrokatalitik performanslara sahip, toprakta bol, uygun maliyetli, korozyona dayanıklı ve iki işlevli malzemelere ihtiyaç oluşmuştur. Bu tez çalışmasında, geçiş metali katkılanmış ZrB2 ve HfB2 aileleri, karbotermal indirgeme yöntemi ile sentezlenmiş ve hem hidrojen hem de oksijen oluşum reaksiyonları (HER ve OER, sırasıyla) için 1 M KOH alkalin ortamında iki işlevli katalizör olarak kullanılmıştır. ZrB2 bazlı katalizör malzeme seti hazırlanmış ve Zr(1-x)GMxB2 (x = 0.05, 0.1, 0.2 ve 0.3) (GM = Fe, Co ve Ni) genel formülü ile performansları kaşılaştırmalı olarak incelenmiştir. OER performansında, Zr0.8Ni0.2B2 numunesi, 10 mA cm–2 akım yoğunluğunda 1.58 V'luk bir başlangıç potansiyeline sahip olarak ve 350 mV'luk çok düşük bir aşırıpotansiyel ile dikkate değer bir performans göstermiştir. Ayrıca, Zr0.8Ni0.2B2, ticari olarak kullanılan referans RuO2'den (66.2 mV dec–1) daha küçük Tafel eğimi (56.6 mV dec–1) değeri göstermiştir. HER performansında, 420 mV aşırıpotansiyel ve 101.6mV dec–1 ile Zr0.8Co0.2B2 en iyi performansı göstermiştir. Hf(1-x)GMxB2 (x = 0.1, 0.2 ve 0.3) (GM = Co ve Ni) genel formülüne sahip HfB2 bazlı katalizör ailesi de incelenmiştir. ZrB2 çalışması ile paralel olarak, Ni katkılanması OER performansını arttırmıştır ve Hf0.8Ni0.2B2 numunesi, 320 mV'luk bir aşırıpotansiyel ve 39.5 mV dec-1 çok düşük bir Tafel eğimi ile 10 mA cm–2 akım yoğunluğunda 1.55 V'luk bir başlangıç potansiyeline sahip olmuştur. HER için, 430 mV aşırı potansiyel ve 105.4mV dec–1 ile Hf0.8Co0.2B2 en iyi performansı göstermiştir. Her iki katalizör malzemesi de uzun vadeli stabiliteleri açısından incelenmiştir, 12 -20 saat sonra mükemmel dayanıklılık göstermişlerdir. Bu çalışmada incelenen, sentezlenmiş katkısız ve geçiş metali katkılı diborürlerin, yeşil enerji uygulamalarında kullanılmak üzere büyük potansiyele sahip oldukları anlaşılmıştır.