CuZn Elektrotundan Zn’nin Uzaklaştırılmasının Hidrojen Çıkış Davranışı Üzerine Etkisi

Yıl 2021, Cilt: 33 Sayı: 1, 211 - 221, 15.02.2021

Serap Toprak Döşlü

https://doi.org/10.35234/fumbd.783922

Öz

Hidrojen üretiminde, elektrokimyasal yolla suyun ayrıştırılmasında yüksek katalitik aktiviteye sahip ve kararlı elektrotların geliştirilmesi çok önemlidir. Burada, CuZn elektrotunun fabrikasyonunu yapmak için ucuz alkali uzaklaştırma yöntemi kullanılmış ve bu yöntem elektrota, hidrojen oluşum reaksiyonu (HER) için yüksek yüzey alanı ve verimli aktif merkezler sağlamıştır. CuZn elektrotu karakterize etmek için, taramalı elektron mikroskop (SEM), enerji dağılımlı X-Işını (EDX), atomik kuvvet mikroskop (AFM) ve Dönüşümlü voltametri (CV) tekniklerinden yararlanılmıştır. CuZn elektrotunun hidrojen oluşum karakteristiği 1,0 M KOH çözeltisinde, bakır kaplı bakır elektrot (Cu/Cu) ile kıyaslanmıştır. SEM analizlerine göre, Cu/Cu elektrotta bakır nano-tanecikler yüzeye dağılırken, CuZn elektrotta karnabahara benzeyen şekiller elde edilmiştir. Metallerin karakteristik pikleri CV ve EDX spektrumlarında ortaya çıkmıştır. HER etkinlikleri değerlendirildiğinde, CuZn elektrot (0.309 mA cm-2), Cu/Cu elektrot (0.043 mA cm-2) ile kıyaslandığında yüksek yük değişimi akım yoğunluğu elde edilmiştir. Ayrıca, CuZn elektrot, 50 mA cm-2 akım yoğunluğunda daha düşük aşırı gerilime ve daha düşük Tafel eğimine sahiptir. Bu CuZn elektrotun Cu/Cu elektrotundan daha yüksek HER performansına sahip olduğu anlamına gelir. Bu yüksek katalitik aktivite, alkali uzaklaştırma nedeniyle yüksek yüzey alanı ve Zn ve Cu metallerinin sinerjistik etkisi ile açıklanabilir. Bu deneylere ek olarak, CuZn elektrot bazik ortamda 18000 saniye boyunca oldukça yüksek kararlılık ve dayanıklılık göstermiştir.

Anahtar Kelimeler

Hidrojen oluşum reaksiyonu, CuZn elektrot, Elektrokatalizör, Alkali uzaklaştırma

Destekleyen Kurum

Mardin Artuklu Üniversitesi

Proje Numarası

MAÜ.BAP.20.SBF.001

Teşekkür

Bu çalışma MAÜ.BAP.20.SBF.001 nolu projesi ile Mardin Artuklu Üniversitesi, Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi tarafından desteklenmiştir. Mardin Artuklu Üniversitesi, Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimine teşekkür ederim. Doç. Dr. Ali Döner’e rehberliği için müteşekkirim.

Kaynakça

• [1] Wang J, Kong H, Zhang J, Hao Y, Shao Z, Ciucci F. Carbon based electrocatalysts for sustainable energy applications. Prog Mater Sci, In press, 2020; 1-54.
• [2] Wang J, Yue X, Yang Y, Sirisomboonchai S, Wang P, Ma X, Abudula A, Guan G. Earth-abundant transition-metal-based bifunctional catalysts for overall electrochemical water splitting: A review. J Alloys Comp 2020; 819(153346): 1-23.
• [3] Shervedani RK, Alinoori AH, Madram AR. Electrocatalytic activities of nickel-phosphorous composite coating reinforced with codeposited graphite carbon for hydrogen evolution reaction in alkaline solution. J New Mater Electrochem Syst 2008; 11: 259-265.
• [4] Safizadeh F, Ghali E, Houlachi G. Electrocatalysis developments for hydrogen evolution reaction in alkaline solutions - A Review. Int J Hydrogen Energy 2015; 40: 256-274.
• [5] Paunovic P, Dimitrov AT, Popovski O, Slavkov D, Jordanov SH. Effect of carbon nanotubes support in improving the performance of mixed electrocatalysts for hydrogen evolution. Macedonian J Chem Chem Eng 2007; 26(2):87-93.
• [6] Jin Z, Zhang L. Performance of Ni-Cu bimetallic co-catalyst g-C3N4 nanosheets for improving hydrogen evolution. J Mater Sci Technol, 2020; 49:144–156.
• [7] Xiang R, Duan Y, Tong C, Peng L, Wang J, Shah SSA, Najam T, Huang X, at al. Self-standing FeCo prussian blue analogue derived FeCo/C and FeCoP/C nanosheet arrays for cost-effective electrocatalytic water splitting. Electrochim. Acta 2019; 302: 45-55.
• [8] Sun J, Zhu D, Sun Y, Ma L, Guo J, Liu Q, Zhang X. Hybrid NiCo hydrogen carbonate with Pt nanoparticles on nickel foam for alkaline water hydrogen evolution. Journal of Alloys and Compounds 2020; 833(155131): 1-8.
• [9] Wang Y, Pan L, Chen Y, Shen G, Wang L, Zhang X, Zou J. Mo-doped Ni-based catalyst for remarkably enhancing catalytic hydrogen evolution of hydrogen-storage materials, Int J Hydrogen Energy 2020; 45: 15560-15570.
• [10] Solmaz R, Döner A, Doğrubaş M‚ Erdogan IY, Kardaş G. Enhancement of electrochemical activity of Raney type NiZn coatings by modifying with PtRu binary deposits: Application for alkaline water electrolysis. Int J Hydrogen Energy, 2016; 41: 1432-1440.
• [11] Crnkovic FC, Machado SAS, Avaca LA. Electrochemical and morphological studies of electrodeposited Ni-Fe-Mo-Zn alloys tailored for water electrolysis. Int J Hydrogen Energy 2004; 29: 249-254.
• [12] Solmaz R, Döner A, Kardaş G. Preparation, characterization and application of alkaline leached CuNiZn ternary coatings for long-term electrolysis in alkaline solution. Int J Hydrogen Energy 2010; 35: 10045-10049.
• [13] Döner A, Solmaz R, Kardaş G. Fabrication and characterization of alkaline leached CuZn/Cu electrode as anode material for direct methanol fuel cell. Energy 2015; 90: 1144-1151.
• [14] Akshatha R. Shetty, Ampar Chitharanjan Hegde, Effect of TiO2 on electrocatalytic behavior of Ni-Mo alloy coating for hydrogen energy. Mater Sci Energy Technol 2018; 1: 97–105.
• [15] Pyun CH, Park SM. Insitu spectro electrochemical studies on anodic-oxidation of copper in alkaline-solution. J Electrochem Soc 1986; 132: 2024-230.
• [16] Abd El Haleem SM, Ateya BG. Cyclic voltametry of copper in sodium hydroxide solutions. J Electroanal Chem 1981; 117:309-319.
• [17] Marioli JM, Kuwana T. Electrochemical characterization of carbohydrate oxidation at copper electrode. Electrochim Acta 1992; 37: 1187-1197.
• [18] Burke LD, Ahern MJG, Ryan TG. An investigation of the anodic behavior of copper and its anodically produced oxides in aqueous solutions of high pH. J Electrochem Soc 1990; 137: 553-561.
• [19] Raj MA, Arumainathan S. Comparative study of hydrogen evolution behavior of Nickel Cobalt and Nickel Cobalt Magnesium alloy film prepared by pulsed electrodeposition. Vacuum 2019; 160: 461–466.
• [20] Wang K, Si Y, Lv Z, Yu T, Liu X, Wang G, Xie G, Jiang L. Efficient and stable Ni-Co-Fe-P nanosheet arrays on Ni foam for alkaline and neutral hydrogen evolution. Int J Hydrogen Energy 2020; 45: 2504-2512.
• [21] Chen Z, Duan X, Wei W, Wang S, Ni B. Recent advances in transition metal-based electrocatalysts for alkaline hydrogen evolution. J. Mater. Chem. A, 2019; 7: 14971-15005.
• [22] Liu Y, Lu H, Kou X. Electrodeposited Ni-Co-Sn alloy as a highly efficient electrocatalyst for water splitting. Int J Hydrogen Energy 2019; 44: 8099-8108.
• [23] Miulovic SM, Lj S. Maslovara, Perovic IM, Nikolic VM, Kaninski MPM. Electrocatalytic activity of ZnCoMo based ionic activators for alkaline hydrogen evolution—Part II. Appl. Catal. A 2013; 451: 220– 226.
• [24] Telli E, Farsak M, Kardaş G. Investigation of noble metal loading CoWZn electrode for HER. Int J Hydrogen Energy 2017; 42: 23260-23267.
• [25] Jin T, Liu X, Wang H, Wu X, Zhang Y. Mechanochemical-assisted synthesis of ternary Ru-Ni-S pyrite analogue for enhanced hydrogen evolution performance. Carbon 2020; 162: 172-180.
• [26] Zhu M, Yan Y, Yan Q, Yin J, Cheng K, Ye K, Zhu K, Yan J, et al. In situ growth of Ni0,85Se on graphene as a robust electrocatalyst for hydrogen evolution reaction. Int J Hydrogen Energy 2020; 45: 10486-10493.