Fabricaiton, characterization, andelectrolysis of mesoporouscalcium iron oxide (CaFe2O4) thin film electrodes

Geçiş metali ferritler, düşük maliyetleri, yeraltı kaynaklarının yüksekliği, düşük bant aralığı ve biyolojik uyumluluğu nedeniyle ilgi çekmiştir. Farklı morfolojilerde hazırlanabilmelerinden, yüksek yüzey alanına, mükemmel elektrokimyasal ve foto-elektrokimyasal özelliklere sahip olabilirler. Bu tezde, eriyik tuz destekli kendi kendine oluşma (MASA) yöntemi kullanılarak aragözenekli kalsiyum demir oksit (CFO) ince filmleri hazırlandı ve oksijen evirim tepkimesi (OER) için elektrokimyasal uygulamalarını analiz edildi. Metal tuzları (kalsiyum nitrat tetrahidrat, demir(III) nitrat nonahidrat) ve yüzey aktif maddelerin (setil amonyum bromür, CTAB ve C12H25(OCH2CH2)10OH, C12EO10) homojen sulu çözeltileri hazırlandı ve çeşitli kaplama teknikleriyle mikroskop cam slaytlar üzerine kaplandı ve arafazları elde edildi. Daha sonra, arafazlar ve yaşlanma süreçleri küçük açılı XRD ölçümleri, ATR-FTIR spektroskopi ve POM görüntüleme teknikleri kullanılarak analiz edildi. 1 ile 5°, 2θ arasındaki kırınım çizgileri, düzenli lityotropik sıvı kristal arafazların oluşumunu göstermektedir. Bu arafazlar çeşitli sıcaklıklarda kalsinasyona tabi tutuldu ve elde edilen tozlar geniş açı XRD ölçümleri, SEM, EDX, TEM, XPS, ATR-FTIR ve N2-adsorpsiyon ve desorpsiyon gaz analisör teknikleriyle karakterize edildi. Kalsiyum demir oksidi, 800 °C'de ince film morfolojisine sahip olarak yüksek kristal yapıda hazırlandı. İlginç bir şekilde, gözenekli yapıyı bu kadar yüksek bir sıcaklıkta bile koruyabildik. Amorf faz, ATR-FTIR spektroskopisi ile doğrulanan kalsiyum karbonat ve demir oksit içeren yan ürün olan yapı daha sonra XRD ve XPS verileriyle doğrulandı. Çözücü olarak su kullanılarak elde ettiğimiz mezogözenekli malzemenin maksimum yüzey alanı 145 m2/g olarak belirlendi. Benzer şekilde, farklı girdiler (klorürler) ve çözücüler kullanarak aynı malzemeler hazırlandı ve karşı iyonun ve çözücünün malzemenin gözeneklilik, kendi kendine oluşma, morfoloji ve elektrokatalitik performansı üzerindeki etkileri gösterildi. Klorür girdileri kullanıldığında, malzemenin daha düşük kalsinasyon sıcaklığında bile oldukça kristalin demir oksit oluştuğu gözlendi. Daha sonra, sıcaklık arttıkça karışımın kalsiyum demir okside dönüştüğü belirlendi. Ancak, bu durumda malzemelerin gözenekliliğinin azaldığı ve 300 °C'de sadece 5 m2/g yüzey alanına sahip olduğu belirlendi. Benzer şekilde, bu malzemeler de yukarıda bahsedilen teknikler kullanılarak karakterize edildi. Nitrat girdilerini aynı tutarak ve iki farklı kalsiyum ve demir (2:4, 3:6) mol oranlarında etanolün çözücü olarak kullanıldığı çözeltiler hazırlandı ve çözücünün morfoloji ve katalitik özelliklere etkisi gösterildi. Bu durumda, yüzey alanının hemen düşmediğini (suyun durumunda olduğu gibi), ancak kademeli olarak azaldığını gözlemledik. Elde edilen maksimum yüzey alanları, suyun çözücü olarak kullanıldığı malzemelere benzediği görüldü. Yukarıda bahsedilen farklı girdiler, çözücü ve mol oranları kullanılarak tüm çözeltileri grafit çubuk üzerine daldırma-çekme kaplama yöntemiyle kaplandı ve çeşitli elektrokimyasal deneyler (siklik voltametri (CV), kronopotansiyometri (CP) ve kronoamperometri (CA)) ile katalitik aktiviteleri belirlendi. Elektrotlar, tüm durumlarda, hatta zorlu koşullarda (2 saat boyunca 100 mA/cm2 de CP) oldukça kararlıdır. Ayrıca, uzun süre kullanım ile direncin azalması ve iletkenliğin artması nedeniyle artan aktivite gözlendi. Tüm durumlarda, minimum Tafel eğimi değerleri 47-83 mV/dec olarak belirlendi. Çeşitli akım yoğunluklarında gerekli potansiyelin, sırasıyla 1 mA/cm2 için 260 mV, 10 mA/cm2 için yaklaşık 450 mV ve 100 mA/cm2 için yaklaşık 700 mV olduğu belirlendi. Ayrıca, kaplanmış malzemenin kalınlığının elektrokatalizörün aktivitesi üzerindeki etkisi aydınlatıldı. Kaplanan malzeme miktarını azaltıldığında (100 kat seyrelterek) malzemenin aktivitesinde herhangi bir değişiklik olmadığı gözlendi. Sonuçlarımız, bu tür enerji malzemelerinin (CFO) performansının kaplama malzemesinin kalınlığı veya gözeneklerin boyutu yerine yüzeyin özelliklerine bağlı olduğunu gösterdi. Ayrıca, bu malzemeleri üretmek için büyük miktarda metal tuzunu israf etmenin gereksiz olduğunu bulduk, çünkü kaplama kalınlığına bakılmaksızın performansın benzer olduğunu belirledik. Bu nedenle, yüzey reaksiyonu, yüzey morfolojisi gibi özellikler, elektrot aktivitesinde temel faktörlerdir.