Development of multi metal oxide photo-electrodes for energy applications

Abstract

Water splitting via artificial photosynthesis uses only sunlight and water to produce hydrogen and oxygen. Hydrogen can be used as a green energy source. To be able this reaction to occur there is a catalyst needed as reaction center. Platinum and Iridium are the state-of-art catalyst used for water splitting reactions. The goal of this study is to develop an earth abundant, highly stable and efficient catalyst as an alternative to noble metal catalysts. For this purpose, ABO3 type perovskites was chosen to study for their abundancy and proven electrochemical efficiencies. BSCF was chosen as the starting point of this study because it is known for its great catalytic activity compared to state-of-art catalysts such as Iridium Oxide. To enhance the stability and catalytic activity of synthesized perovskite oxides, several foreign atoms (dopants) were introduced to their structure from B-site. Each perovskite was synthesized by the EDTA-Citrate complexing Sol-Gel method. Also, for dopants, cost-efficient and electron conductive elements was chosen in each study. As HER catalysts, manganese, zinc, and copper were introduced to BSCF structure as dopant, while for OER, silver was used as a dopant. In this study, catalytic activities and stabilities were tested by electrochemical methods. All electrochemical measurements were performed in alkaline media by three-electrode configurations. Perovskite oxides were prepared by the coating of their inks on Ni foam substrates by drop coating for HER and OER activity measurements by electrochemical methods. For the bulk and surface characterization of synthesized perovskite oxide powders, SEM, XRD, XPS, and BET analysis was performed.

Yapay fotosentez ile suyun ayrıştırılması yöntemi, su ve güneş ışığı enerjisini kullanarak yenilenebilir enerji kaynağı olan hidrojen elde edilmesini sağlar. Suyun elektrolitik ayrıştırılması yöntemi mekanizma olarak yavaş ve verimi düşük olduğundan markette halihazırda kullanılmakta olan fosil yakıtlarla yarışmakta yetersiz kalır. Bu sebepten dolayı, katalizörler kullanılmaktadır. Bu çalışmanın amacı katalizör olarak kullanılan iridyum ve platin gibi soy metaller yerine yer yüzünde bulunma yüzdesi fazla olan ve düşük maliyetli katalizörler sentezlemektir. ABO3 tipi perovskit yapıları bu kritere uymakla birlikte elektrokimyasal aktiviteleri açısından da daha önceki çalışmalarda kendilerini kanıtlamışlardır. Özellikle Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-? (BSCF), su ayrışması katalizörleri arasında en verimlisi olarak kabul edilen iridyum oksitten daha yüksek verim sağladığından dolayı bu çalışmanın ana konusu olarak tercih edilmiştir. BSCF'nin kararlılık ve katalitik aktivitesini arttırmak için, kristalin B atom grubuna yabancı atomlar eklenmiştir. Hidrojen çıkış reaksiyonlarına yönelik aktivitenin arttırılması için yapıya mangan, çinko ve bakır eklenirken, oksijen çıkış reaksiyonlarına yönelik aktivite çalışmalarında gümüş atomları eklenmiştir. Çalışmada kullanılan bütün perovskitler Sol-Jel metoduna göre sentezlenip, kompleksleştirici olarak EDTA – Sitrat kullanılmıştır. Elektrokimyasal karakterizasyonlar için, sentezlenen toz yapıları mürekkep haline getirildikten sonra nikel köpüğün üzerine damlatılarak kaplanmıştır. Elektrokimyasal ölçümler alkali ortamda alınırken üçlü elektrot konfigürasyonu kullanılmıştır. Yapısal ve yüzeysel karakterizasyonlar için XRD, XPS BET ve SEM analizleri kullanılmıştır.