CO2'nin CO'ya verimli elektrokimyasal dönüşümü: ZnO nanoçubuklarinin CuxO ile dekorasyonu/modifikasyonu

Bu çalışma, maliyet/etkinlik açısından potansiyeli yüksek CuxO-ZnO elektrokatalizörlerinin CO2'nin CO'ya elektrokimyasal indirgenme (CO2RR) reaksiyonu üzerine elektro-katalitik etkisini incelemektedir. CO2RR reaksiyonu hem enerji kaynağı sağlayabilmesi hem de eş zamanlı atmosferdeki CO2 miktarını azaltabilmesi sebebiyle uygun bir çözüm sunmaktadır. Diğer hedeflenen ürünler arasında, CO2'nin elektrokimyasal yol ile CO'ya dönüştürülmesi ve bu ürünün en yüksek ekonomik görünürlüğe sahip olması nedeniyle ön plana çıkmaktadır. Bu çerçevede, yapılan çalışmada yeryüzünde bol bulunan elementlerden türetilmiş iki set CuxO-ZnO elektrokatalizörleri sentezlenmiş ve incelenmiştir. Bu elektrokatalizörlerin CO için yüksek Faradaik verime (FE) sahip olduğu gösterilmiş ve bu verimlerin %70'i aştığı tespit edilmiştir. Çalışmanın ilk kısmında, elektrodepozisyon tekniği kullanarak farklı miktarlarda CuxO'ya sahip CuxO/ZnO elektrokatalizörleri sentezlenmiştir. Optimize edilmiş CuxO/ZnO elektrodunun, -0.8 V (vs. RHE) düşük aşırı gerilimde %75 faradaik verimlilik (FE) ile yüksek CO seçiciliği göstermiştir. Bu sonuç çıplak ZnO'nun performansı ile kıyaslandığında belirgin bir iyileşmenin olduğunu göstermektedir., Çıplak ZnO'nun aynı koşullar altında CO'ya karşı gösterdiği seçicilik %48 faradik verime sahiptir. İkinci kısımda, elektrokimyasal biriktirme yöntemi yerine atomik katman biriktirme (ALD) kullanılarak CuxO'nun ZnO üzerine kaplanması ile, CO seçiciliğinde daha da belirgin bir artışın olduğu bulunmuştur. Özellikle, 250 ALD döngüsü ile hazırlanan CuxO-250/ZnO elektrodu, aynı potansiyelde (-0.8V vs. RHE) CO seçiciliği %88 faradaik verime ulaşmıştır. Bu sonuçlar ALD yöntemi ile hazırlanan CuxO/ZnO elektrotlarının hem çıplak ZnO hem de elektrokimyasal biriktirme yöntemi ile hazırlanan CuxO/ZnO elektrotlarından üstün performansını göstermiştir. CuxO'nun yapıya eklenmesinin potansiyel altında yeni aktif faz ε-CuZn4'ün oluşumuna neden olduğu ve bununla bağlantılı olarak yük transfer direncindeki (Rct) azalmanın CO seçiciliğini arttırdığı bulunmuştur. Ayrıca, CuxO'nun, CO2RR sonrası CuxO/ZnO elektrotları için belirgin bir yüzey morfolojisine yol açarak, yüzeyin yeniden yapılanması sürecini önemli ölçüde etkilediği tespit edilmiştir. Bu da çıplak ZnO'ya kıyasla artmış bir yüzey alanına yol açmış vedaha iyi CO2RR performansına katkı sunmuştur. Ayrıca, uygulanan potansiyelin yeniden yapılanma sürecini önemli ölçüde katkı sunduğu gösterilmiştir. Bu sürecin yüzeydeki Cu/Zn oranını etkileyerek CO seçiciliğini değiştirebileceği bulunmuştur. CO2RR sonrası aynı elektrot için hesaplanan Cu/Zn atomik oranının -0.8 V'ta -1.2 V'a göre daha yüksek olduğu vebunun da CO seçiciliği üzerindeki bulgularımızla uyuştuğu gözlemlenmiştir. Bu sonuçlar yüzeyde bulunan Cu'nun CO üretimindeki kritik rolünü vurgulamaktadır. CO2RR sonrası, yüzey kompozisyonunun önemli değişiklikler geçirdiği ve en yüksek Cu/Zn oranının mutlaka en yüksek ilk Cu miktarı ile ilişkili olmadığı da tespit edilmiştir. Bunun yerine, maksimum Cu/Zn oranı, aynı zamanda en yüksek FE değerine de sahip olan CuxO-250/ZnO elektrodunda gözlemlenmiştir. Bu varyasyonun yüzey yeniden yapılanma sürecine ve Cu /Zn atomları arasındaki galvanik etki ile ilgili olduğu düşünülmektedir. Her iki olgunun da de yüzey kompozisyonunu ve dolayısıyla elektrot seçiciliğini etkilediği tespit edilmiştir. Sonuç olarak, bu tez, CO'ya karşı yüksek seçiciliğe sahip ucuz,yeryüzünde bol bulunan elementlerden tasarlanmış alternative bir elektrokatalizör olduğuna inanılan Cu- Zn elektrokatalizörlerinin CO2RR sırasındaki dinamik davranışı ve yüzey kompozisyonu hakkında yeni bilgiler sunmaktadır. Bu bilgiler, daha etkili ve verimli Cu-Zn tabanlı elektrokatalizörler tasarlama hedefindeki gelecek çalışmalara önemli ölçüde katkıda bulunacağı düşünülmektedir.