Nadir toprak element içerikli elektrokatalizörler üzerinde elektrokimyasal hidrojen üretiminin incelenmesi

Abstract

Dünyada fosil yakıtların hızla tükenmesi ve mevcut kaynakların yakın gelecekte giderek artan enerji talebini karşılamayacak olması sebebiyle suyun elektrolizi ile hidrojen üretimi gibi alternatif yollara olan ilgi gün geçtikçe artmaktadır. Doğada saf halde bulanamayan hidrojen gazı, yakıt pili teknolojisi için çevre dostu bir yakıt olarak önem kazansa da üretiminde en önemli birincil enerji kaynağı yine fosil yakıtlardır. Günümüzde elektroliz, maliyetli olması sebebiyle hidrojen üretiminde yaygın olarak kullanılmasa da, suyun bu yöntemle bileşenlerine ayrıştırılması ile yüksek saflıkta hidrojen gazı elde edilebilir. Elektrolizin maliyeti elektrokimyasal reaksiyonların aşırıgerilimi minimize edilerek ve elektrokatalitik aktivitesi yüksek ve maliyeti düşük elektrot malzemeleri kullanılarak en aza indirgenebilir. En elverişli elektrot malzemeleri olan platin, paladyum gibi soy metallerin pahalı materyaller olması, alternatif elektrot malzemeleri arayışına yol açmaktadır. Bu çalışmada, hidrojen oluşum reaksiyonu için daha kararlı ve daha verimli elektrokatalizörler elde etmek amacıyla, nadir toprak elementlerinden seryum içerikli destek malzemesi hidrotermal sentez yöntemi ile hazırlanmıştır. Platine benzer özellik gösteren geçiş metallerinden nikel ve demir içerikli malzemeler ıslak emdirme yöntemi ile destek malzemesine yüklenmiş, ardından bu teknikle hazırlanmış Ni/FexCeyOz ve Fe/NixCeyOz malzemeleri, 400, 600 ve 800 ºC sıcaklıklarda indirgenmiştir. Elektrokimyasal deneyler asidik elektrolit çözeltilerinde, herhangi bir gaz beslenmemiş ortamda, helyum ve hidrojen ortamlarında yürütülmüştür. Döngülü voltametri ve kronoamperometri yöntemleri uygulanarak, sentezlenen elektrokatalizörlerin aktiviteleri karşılaştırılmıştır. Döngülü voltamogramlar, 400 ºC'de indirgenmiş katalizörler ile hidrojen beslenen ortamda hidrojen oluşum oranının diğer katalizörlere göre daha yüksek olduğunu göstermiştir. Kronoamperometri sonucunda elde edilen yatışkın durum akım yoğunluklarına göre, -0.76 V'ta (NHE'a karşı) ve hidrojen beslenmiş elektrolitte elektrokatalizör daha yüksek hidrojen oluşum oranları göstermiştir.

Due to the rapid depletion of fossil fuels in the world and since that the existing resources will not meet the ever increasing energy demand in near future, the interest in alternative routes like hydrogen production by water electrolysis is increasing day by day. Although hydrogen gas is not found pure in nature, it is important as an environmentally friendly fuel for fuel cell technology, but still fossil fuels are the most important primary energy source for its production. Although electrolysis is a technique to obtain high purity hydrogen by decomposing water into its components, it is not widely used in hydrogen production due to its cost. The cost of electrolysis can be minimized by reducing the over-voltage of the electrochemical reactions and by selecting low cost electrode materials with high electro-catalytic activity. Noble metals such as platinum and palladium, which are the most suitable electrode materials are expensive and this leads to the search for alternative electrode materials. In this study, in order to obtain more stable and more efficient electrocatalysts for hydrogen evolution reaction, cerium rare earth containing support material was prepared by hydrothermal synthesis method. Platinum-like transition metals, nickel and iron were loaded onto the support material by wet impregnation method, then Ni/FexCeyOz and Fe/NixCeyOz materials synthesized by this technique were reduced at 400, 600 and 800 ºC. The electrochemical experiments were carried out in acidic electrolyte solutions, in a gas-free medium, in helium and hydrogen atmosphere. By applying cyclic voltammetry and chronoamperometry techniques, the activities of the synthesized electrocatalysts were compared. The cyclic voltamograms showed that the hydrogen evolution rates with the catalysts reduced at 400 ºC in the hydrogen-fed medium were higher. According to the steady current density obtained as a result of chronoamperometry, electrocatalysts in hydrogen fed electrolyte at -0.76 V (vs. NHE) exhibit higher hydrogen evolution rates.