PEM yakıt hücrelerinde kullanılmak üzere katot katalizör geliştirilmesi, hücre verimine etkisinin incelenmesi ve performans modellemesi

PEM yakıt hücrelerinde yakıt olarak hidrojen kullanıldığından çevre dostu olup doğrudan elektrik üretilmektedir. Bu hücrelerdeki anot ve katot elektrotlarında yaygın olarak Pt ve Ru gibi değerli metaller, karbon siyahı desteğiyle kullanılmaktadır. Katottaki tepkime anottaki tepkimeden oldukça yavaştır, dolayısıyla katot katalizörünün aktivitesinin arttırılması büyük öneme sahiptir. Literatürdeki çalışmalarda Pt miktarını azaltmak için bimetalik katalizör ve farklı destek malzemeleri araştırılmıştır. Bunlardan rGO ve CNT öne çıkmaktadır ancak iki desteğin birlikte kullanımı detaylı olarak araştırılmamıştır. Pt/rGO-CNT katalizörlerin PEM yakıt hücresi testleri ve bimetalik özelliklerine dair çalışmaya rastlanmamıştır. Bu çalışmada ticari karbon siyahı yanında farklı destek malzemeleri (GO, rGO, rGO-CNT) sentezlenmiştir. Bu desteklerin üzerine Pt ve Pt-Ni yüklenerek poliol ve kolloidal yöntemleriyle katalizörler sentezlenmiştir. Poliol sentezine sıcaklığın (120, 190 °C), sentez süresinin (15, 35 dk), CNT tipinin (ham, işlenmiş) ve karıştırma yönteminin (tek aşamalı manyetik, çok aşamalı ultrasonik) etkisi incelenmiştir. Sentezlenen katalizörlerin karakterizasyonu TGA, XRD, FTIR, BET, SEM, EDS teknikleriyle belirlenmiştir. Aktiviteleri ise döngüsel voltametri kullanılarak ECSA ölçümleri ve PEM yakıt hücresi testleriyle belirlenmiştir. Sonuç olarak, CNT ilavesi rGO katmanlarının istiflenmesini engelleyerek BET yüzey alanını 10 kat arttırmıştır. En uygun poliol sentez koşulu 190 °C'de 15 dk olarak belirlenmiştir; bu koşulda ağırlıkça %92,5'lik Pt yükleme verimi, 3,55 nm Pt kristal boyutu 125 m² g⁻¹ Pt ECSA elde edilmiş; yakıt hücresinde 70 °C'de 292 mW cm⁻²'lik güç yoğunluğuna olup, ticari Pt/C katalizöründen %22 daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Regresyon modeli oluşturularak optimum hücre çalışma koşulları 65,9 °C sıcaklık, H₂/O₂ hacimsel oranı 1,0 olarak tespit edilmiştir. Model çıktıları, deneysel değerlerle ±4 mW cm⁻² sapma içinde uyum göstermiştir.