Investigating the effect of catalysts in sodium-oxygen batteries

Sodyum-oksijen (Na-O2) pillerin eşsiz elektrokimyasal ve kimyasal özellikleri onları lityum-oksijen (Li-O2) pillerden ayrı kılmaktadır. Ana deşarj ürünü olan NaO2, hücre ortamında kararsızdır ve bu ürünün elektrolit içerisinde çözünmesi yan ürün oluşumunu tetiklemekte ve şarj potansiyelinin artmasına sebep olmaktadır. Bu tezin ilk kısmında, karbon nanotüpler (KNT) üzerinde dağıtılmış RuO2 nanoparçacıkları Na-O2 piller için katalizör olarak kullanılmış ve katalizörün bu kompleks sistem üzerindeki etkileri aydınlatılmaya çalışılmıştır. RuO2/KNT katotların oksijen indirgenme reaksiyonu (ORR) sırasında sadece KNT katotları kullanıldığı zaman oluşan mikron boyuttaki kübik NaO2 kristalleri yerine, düşük kristalin özellikli ve kaplama şekilde NaO2 yapısı oluşumunu sağladıkları gözlemlenmiştir. Bulgularımız bizlere oksijen yükseltgeme reaksiyonu (OER) sırasında NaO2 ve yan ürün parçalanması arasında bir yarışın söz konusu olduğunu göstermiştir. Bu durumun amorf yapıdaki ve kaplama şeklinde oluşan NaO2 ürününün düşük kararlılığının ve yüksek elektrot/elektrolit temas alanının bir neticesi olduğu düşünülmektedir. RuO2/KNT katotlarının (3.66 V) yan ürünlerin parçalanmasının KNT katotları (4.03 V) ile karşılaştırıldığında katalize ettikleri görülmüş olsa da, bu katotların NaO2'nin yan ürünlere çok hızlı bir şekilde dönüşmesinden dolayı şarj sırasında oluşan ana reaksiyon olan OER'a (NaO2 → Na+ + O2 + e – ) aktif olarak katkı sağlayamadıkları görülmüştür. Her ne kadar RuO2 katalizörlerin uzun vadede çevrim ve dinlenme işlemlerinde hücre yüksek gerilimini düşürme üzerinde pozitif etkisi olduğu söylenebilir olsa da katalizörün ilk çevrimlerde hücre kararlılığına ve verimine bir faydası olmadığı gözlemlenmiştir. Bu açıdan bakıldığında NaO2'nin morfolojisinin ve kristal özelliğinin katalizör tarafından ayarlanmasının Na-O2 hücre performansına zararlı bir etkisinin olduğu ortaya konmuştur ve bunun gelecekteki uygulamalarda göz önünde bulundurulması gerekmektedir. Tezin ikinci kısmında, 3 boyutlu (3D) RuO2/Mn2O3/karbon nanofiber (KNF) kompozitler hazırlanmış ve bi-fonksiyonel elektrokatalizörler olarak ORR ve OER proseslerine yönelik olarak Na-O2 pillerde kullanılmışlardır. RuO2/Mn2O3/KNF'nin (9352 mAh.gcarbon-1) diğer KNF (1395 mAh.gcarbon-1), Mn2O3/KNF (3108 mAh.gcarbon-1) ve RuO2/KNF (4859 mAh.gcarbon-1) katotlarına göre çok daha yüksek spesifik kapasite sağlamıştır ve bunun sebebinin diğer malzemelerden daha yüksek aktif yüzey alanı ve eşsiz morfolojisi olduğu düşünülmektedir. RuO2 ve Mn2O3 malzemelerinin sağladıkları sinerjistik etki ile şarj sırasında yan ürünlerin parçalanması KNF'ye göre 388 mV daha katodik olan 3.838 V'da gerçekleşmiştir.