Elektrokimyasal su ayrıştırma için bor ve doğada bol bulunan geçiş ‎metallerine dayalı elektrokatalizörlerin sentezi ve karakterizasyonu

Dünya, büyüyen çevresel zorluklarla ve sürekli artan nüfusla başa çıkarken, fosil ‎yakıtlara alternatif sürdürülebilir bir enerji kaynağı sağlamak benzersiz bir zorluk ‎haline gelmiştir. Sürdürülebilir enerji üretim stratejilerinin arayışı, yenilenebilir enerji ‎kaynaklarıyla entegre elektrokatalitik su bölünme sürecinde birleşmiştir. Bu sürecin ‎başarılı bir şekilde gerçekleştirilmesi, aynı elektrolit içinde hem oksijen çıkış ‎reaksiyonu (OER) hem de hidrojen çıkış reaksiyonu (HER) için verimli, maliyet etkili ‎ve yeryüzünde bol bulunan elektrokatalizörlerin geliştirilmesine bağlıdır.‎ Dört yıl süren bir araştırma süreci boyunca bu doktora tezi, belirtilen zorluğu ele ‎almak için yeni elektrokatalizörleri bulmak içim büyük çaba harcamıştır. Şu belirtilen ‎alanlarda ana katkılar sağlanmıştır. 1) Yenilikçi Elektrokatalizörler: Mg1−xTMxB2 ‎‎(x = 0.025, 0.05, ve 0.1; TM = Fe ve Co) formal kompozisyonuna sahip yeni ‎elektrokatalizörlerin sentezi, karakterizasyonu ve elektrokimyasal değerlendirmesi. ‎Çalışma, bu katalizörlerin HER ve OER performansına odaklanmış ve ‎Mg0.95Co0.05B2'nin 10 mA cm−2 akımda 470 mV'lik aşırı gerilimle olağanüstü HER ‎performansı sergilediğini göstermiştir. Bulgular, yüksek verimli ve düşük maliyetli ‎elektrokatalizörlerin geliştirilmesinde umut verici bir yöne işaret etmektedir. 2) ‎Dönüşümsel Malzemeler: Oksijen çıkış reaksiyonunda kullanılmak üzere V1–xCoxB2 ‎‎(x = 0, 0.05, 0.1 ve 0.2) formal kompozisyonlu elektrokatalizörlerin geliştirilmesi. ‎Co'nun VB2 yapısına eklenmesi, morfolojide dramatik bir değişikliğe neden olmuş, 10 ‎mA cm−2'de 200 mV'lik aşırı gerilimi azaltmıştır. Bu performans, RuO2 (290 mV) ile ‎rekabet ederken 1 M KOH koşullarında dikkate değer dayanıklılık göstermiştir. 3) ‎Metal Organik Çerçeveler (MOF'lar): Nikel köpük üzerine doğrudan geliştirilen ‎NCM/Ni-BDC@NF tabanlı nanokompozitlerin keşfi, benzersiz elektronik yapı ‎modülasyonunu açığa çıkarmıştır. Özellikle NCF/Ni-BDC katalizörü, 10 mA cm–2 ‎akım yoğunluğunu elde etmek için bir geri dönüşümlü hidrojen elektroduna karşı ‎yalnızca 1.35 V'lik aşırı gerilim gerektiren olağanüstü OER performansı sergilemiştir. ‎Bu araştırma, etkili su ayrıştırma için çok yönlü malzemeler olarak 2D MOF'ların ‎potansiyelini sergilemektedir. 4) Heteroyapılar: Nikel köpük üzerine iki aşamalı ‎yerinde (in situ) büyüme stratejisi ile oluşturulan yüksek performanslı ve dayanıklı bir ‎NiMo/CoMoO4 heteroyapısının oluşturulması. Heteroyapı, 10 mA cm–2'de 102 mV'lik ‎aşırı gerilimi ve yüksek Faraday verimliliğini sergilemektedir. Bu, karbon nötral ‎hidrojen üretimi için su elektrolizinin kritik bir unsuru olan HER'de üstün performansın ‎metalik ve oksit bileşiklerin sinerjisi ile elde edilebileceğini vurgulamaktadır. 5) MOF ‎Kökenli Katalizörler: Alkali ortamda verimli bir HER elektrokatalizörü olarak Cu-‎MOF'tan türetilmiş NiMo/CuO@C arasında nano yapıda bir arayüzün tasarlanması ve ‎geliştirilmesi. Bu katalizör, 10 mA cm−2'de 85 mV'lik aşırı gerilimiyle Pt/C ile rekabet ‎ederken uzun bir süre boyunca kayda değer dayanıklılık göstermiştir.‎ Bu dört yıllık araştırma, sürdürülebilir su ayrıştırma reaksiyonları için verimli ‎elektrokatalizörlerin geliştirilmesine odaklanmıştır. Tez, temiz ve verimli hidrojen ‎üretiminin küresel ihtiyaç haline gelişini ve daha sürdürülebilir ve çevre dostu bir ‎enerji geleceğine yol açmak için bu malzemelerin önemini vurgulamaktadır.‎