Oksijen evrimi reaksiyonu için N-katılımlı karbon destekli FeNi alaşım elektrokatalizörleri

Su elektrolizi, su moleküllerini elektrik kullanarak oksijen (O2) ve hidrojen (H2) gazlarına ayrıştıran yenilenebilir bir enerji üretim yöntemidir. Üretilen H2 gazı enerji taşıyıcısı olarak kullanılırken O2 gazı yakıt pilleri gibi enerji dönüşüm sistemlerinde kullanılır. Su elektroliz sistemleri oksijen evrim reaksiyonunun (OER) meydana geldiği bir anot elektrotunden ve hidrojen oluşum reaksiyonu (HER) ve oksijen indirgeme reaksiyonunun (ORR) gerçekleştiği bir katot elektrotundan oluşur. OER, yavaş kinetiği nedeniyle genellikle su elektrolizinin verimliliğini sınırlayan reaksiyon olarak kabul edilir. Su elektroliz reaksiyonunun termodinamik potansiyeli 1,23 V'tur, ancak çeşitli aktivasyon bariyerleri nedeniyle daha yüksek bir potansiyele ihtiyaç vardır. Bu nedenle, yeni elektrokatalizörler için kapsamlı bir araştırma yapılmıştır. Bununla birlikte, zayıf kararlılıkları ve yüksek maliyetleri nedeniyle, nikel (Ni), demir (Fe), kobalt (Co) ve manganez (Mn) gibi birinci sıra geçiş metalleri, alkali ortamda OER için çok fazla dikkat çekmiştir. Ni metalinin korozyon direnci ve OER'ye karşı sünekliği sayesinde diğerlerinden üstün özellikler göstermiştir. Daha ileri araştırma çalışmaları, Ni ile Fe kombinasyonunun OER aktivitesini arttırdığını ortaya koymuştur. OER için karbon bazlı elektrokatalizörler, hem asidik hem de alkali elektrolitlerde iyi iletkenlikleri ve yüksek stabiliteleri sayesinde umut verici bulunmuştur. Daha sonra, metal veya nitrojen (N) katkılı karbon malzemelerin, artan dispersiyon sonucunda daha yüksek yüzey alanını ve aktif bölgele sayısına sahip olduğu sonucuna varılmıştır. Sonuç olarak, katalitik ara ürünlerin reaksiyona katılımı için ihtiyaç duyduğu enerji miktarı, N katkısının bir sonucu olarak yapısal kusurlar tarafından azalmıştır. Buna bağlı olarak poliakrilonitril (PAN), yapısındaki N atomları sayesinde avantajlı karbon desteği olarak sunulmuştur. PAN türevi karbon destekli elektrokatalizörler, literatürde bugüne kadar pahalı bir yöntem olan ve optimize edilmesi zor olan elektroeğirme yöntemi ile sentezlenmiştir. Son zamanlarda araştırma grubumuz tarafından daha kolay ve ucuz bir yöntem olarak "yerinde sentez" olan yeni bir sentez yaklaşımı önerilmiştir. Tezin ilk bölümünde, ucuz ve kolay bir metot olan "yerinde sentez" yöntemi ile tek metal esaslı (Ni) PAN türevi karbon destekli elektrokatalizörler sentezlenmiştir. Daha sonra bu malzemelerin yapısı karakterize edilmiş ve elektrokimyasal karakterizasyon yöntemleri ile OER aktivitesi araştırılmıştır. Ek olarak, daha küçük nanopartiküllerin oluşumunu gözlemlemek için 2-2'-bipiridin ve etilendiamin gibi farklı şelatlama ajanları kullanarak şelatlama etkisi incelenmiştir. Tezin ikinci bölümünde, bimetalik sistemler (yani alaşımlar) "yerinde sentez" yöntemiyle farklı Ni ve Fe oranlarında sentezlenmiştir. Fe ve Ni arasındaki ilişkiyi ve bunların OER aktivitesi üzerindeki etkisini incelemek için yapısal ve elektrokimyasal karakterizasyon yapılmıştır. Ayrıca, şelatlama etkisi en iyi sonuçlanan ajan incelenmiştir. Sonuç olarak, %40 Fe1:Ni1@NC-bipy örneği en az aşırı potansiyel, en küçük Tafel eğimi, en yüksek yüzey alanı, iyi kristallik ve homojen nanoparçacık dağılımı göstermiştir.