Yapay fotosentez temelli CO2 indirgenmesi ve hidrojen üretimi için ftalosiyanin temelli fotoelektrotların geliştirilmesi

Atmosferde artan karbondioksit (CO2) konsantrasyonları, sürdürülebilir enerji kaynaklarına duyulan acil ihtiyaç, küresel çevre ve enerji güvenliği açısından önemli zorluklar ortaya çıkarmaktadır. Doğal fotosentez aracılığıyla CO2 indirgenmesi, yeni yaklaşımlar için önemli bir yol göstermektedir. Bunların arasında foto-elektrokimyasal (PEC) yöntem, CO2'yi güneş ışınımı altında ve standart koşullarda seçici gaz ve sıvı ürünlere (örn. etanol) dönüştürmek için ideal bir yöntemdir. PEC CO2 indirgenmesi için şimdiye kadar yapılan birçok çalışmada yüksek maliyetlere sahip olan değerli metaller (Pt, Pd vb.) sıkça kullanılmaktadır. Bu yüksek maliyete sahip katalizörlere alternatif olarak uygun maliyetli bol bulunan yarı iletken katalizörlerin geliştirilmesi gerekmektedir. Bu bağlamda nikel oksit (NiO) katalizörlerin öne çıkan eşsiz özellikleri bu uygulamalar için kullanılmasını uygun kılmaktadır. Ancak geniş band aralıkları ışıkla çalışılan katalitik uygulamalarda sınırlayıcı bir faktördür. Bu problemin önüne geçmek için doğal fotosentez sistemlerinde klorofilin biyomimetik analogları olarak işlev görmek üzere tasarlanmış yeni ftalosiyanin türevlerinin sentezine ve karakterizasyonuna odaklanılmaktadır. Bu organik boyar maddelerden olan simetrik tetra karboksilik asit sübstitüentleri ve merkezi metal atomu olarak demir veya kobalt içeren ftalosiyaninler, nikel oksit elektrotları ışığa duyarlılaştırılmıştır. Bu yaklaşım, CO2 indirgenmesi ve su ayrıştırılması için ışık absorbsiyonunu, yük ayrımını ve katalitik aktiviteyi artırarak sınırlayıcı etkilerin ortadan kaldırılmasını sağlamıştır. Bu tez çalışmasında, nano boyutta sentezlenen NiO nanofiber (NF) ve nanokristal elektrotların fotoelektrokimyasal CO2 indirgenme performansları ve ürün analizi incelenmiştir. NiO kaplı FTO elektrotlar farklı kaplama sayılarıyla hazırlanmış ve CV, LSV ile EIS ölçümleri yapılmıştır. Sonuçlar, 3 kat NiO kaplamanın optimum performansı sağladığını, ayrıca nanofiber yapıların nanokristallere kıyasla daha yüksek akım yoğunluğu, pozitif indirgenme potansiyeli ve düşük yük transfer direnci (Rct) ile daha etkin elektron taşınımı sağladığını ortaya koymuştur. Ftalosiyanin türevleri (C118, C155) ile duyarlılaştırma, ışık altında katalitik aktiviteyi belirgin şekilde artırmıştır. Özellikle C118 türevi hem karanlık hem de aydınlık koşullarda en yüksek fotoelektrokimyasal performansı sağlamıştır. GC-MS analizleri, yalın NiO-NF elektrotlarda CO ve düşük yoğunlukta etanol pikleri gözlenirken, ftalosiyanin ile fonksiyonlandırılmış elektrotlarda reaksiyon süresi ilerledikçe CO ve etanol sinyallerinde belirgin artışlar kaydedildiğini göstermiştir. C118 ile modifiye edilmiş elektrotlarda CO2 sinyalinde hızlı bir azalma ve CO ile etanol piklerinde güçlü artışlar gözlenmiştir.