Ni, Co, Mo metal ve metal oksit/elektrokimyasal indirgenmiş grafen oksit tabanlı desteksiz ve esnek nanokompozit elektrotların elektrokimyasal sentezi: Suyun parçalanması ve süperkapasitör uygulamaları

Abstract

Bu tez çalışmasında, suyun elektrolizi ve süperkapasitör uygulamalarına yönelik olarak, kağıt formunda esnek, bağlayıcı içermeyen ve desteksiz, indirgenmiş grafen oksit (ERGO) ile sarmalanmış nikel (Ni), nikel-kobalt (NiCo) ve nikel-molibden (NiMo) esaslı özgün, iki işlevli nanokompozit elektrotlar tasarlanmış ve geliştirilmiştir. Elektrotlar, grafen oksit (GO) ile Ni, Co ve Mo öncüllerinin aynı hücrede ve aynı potansiyelde, indiyum kalay oksit (ITO) yüzeyinde eşzamanlı olarak indirgenmesi yoluyla elektrokimyasal olarak ince film şeklinde sentezlenmiştir. Hidrojen kabarcıklarının neden olduğu delaminasyon etkisiyle bu filmler ITO yüzeyinden sıyrılarak, bağlayıcı içermeyen, esnek ve desteksiz elektrotlara dönüştürülmüştür. Elektrodepozisyon için en uygun koşullar, elektrotların asidik ortamda gerçekleştirdiği hidrojen oluşum reaksiyonu (HER) performansı dikkate alınarak belirlenmiştir. Bu optimum koşullarda elde edilen nanokompozit elektrotlar; yapısal, morfolojik ve elektrokimyasal karakterizasyonları yapılmıştır. Sentezlenen desteksiz elektrotlara uygulanan elektrokimyasal aktivasyon (EKA) işlemi, elektrotların elektrokatalitik performanslarında belirgin bir artış sağlamıştır. Asidik ortamda gerçekleştirilen HER testlerinde, 10 mA.cm-2 akım yoğunluğuna ulaşmak için gereken aşırı potansiyeller desteksiz Ni/ERGO, NiCo/ERGO ve NiMo/ERGO elektrotları için sırasıyla 73, 47 ve 56 mV olarak ölçülmüş; bu değerlere karşılık gelen Tafel eğimleri ise 31, 30 ve 31 mV.dec-1 olarak hesaplanmıştır. Bazik ortamda ise söz konusu elektrotlar sırasıyla 163, 80 ve 33 mV aşırı potansiyel ile aynı akım yoğunluğuna ulaşırken; Tafel eğimleri 256, 206 ve 193 mV.dec-1 olarak belirlenmiştir. Bazik ortamda gerçekleştirilen oksijen gelişim reaksiyonu (OER) testleri, elektrotların sırasıyla 330, 275 ve 275 mV gibi düşük aşırı potansiyel değerleri ile 105, 67 ve 70 mV.dec-1 Tafel eğimleri sergilediğini ortaya koymuş, bu da elektrokatalitik aktivitelerinin son derece başarılı olduğunu göstermiştir. Aynı ortamda, bu elektrotların iki işlevli katalizörler olarak tam su elektrolizi için ihtiyaç duyduğu hücre potansiyellerinin sırasıyla 1,58, 1,54 ve 1,50 V gibi rekabetçi düzeylerde olduğu belirlenmiştir. HER, OER ve tam su ayrışması süreçlerine yönelik 24 saatlik uzun süreli dayanıklılık testlerinde ise performansta yalnızca ihmal edilebilir düzeyde kayıplar gözlenmiş, bu da elektrotların kararlılık açısından da güçlü bir profil sergilediğini göstermiştir. Söz konusu elektrotlar süperkapasitör uygulamaları açısından da değerlendirilmiş; 1,5 A.g-1 akım yoğunluğunda, Ni/ERGO, NiCo/ERGO ve NiMo/ERGO elektrotları sırasıyla 1082, 1168 ve 1380 F.g-1 gibi oldukça yüksek spesifik kapasitans değerleri sergilemiştir. Ayrıca, hızlı şarj olma ve uzun süreli deşarj özellikleriyle dikkat çeken bu elektrotlar, 750 W.kg-1 güç yoğunluğunda sırasıyla 37,59, 40,55 ve 47,91 Wh.kg-1 enerji yoğunluğuna ulaşarak süperkapasitör performansları açısından son derece başarılı sonuçlar ortaya koymuştur. Sonuç olarak, bu tez çalışmasında, suyun elektrolizi süreçlerinde yüksek performans sergileyen iki işlevli elektrokatalizör olarak görev yapabilen ve aynı zamanda enerji depolama uygulamaları için de potansiyel taşıyan, özgün tasarıma sahip üç farklı elektrot yapısı geliştirilmiştir.In this thesis, novel, flexible, binder-free, and self-supporting bifunctional nanocomposite electrodes in paper form, wrapped with electrochemically reduced graphene oxide (ERGO), based on nickel (Ni), nickel–cobalt (NiCo), and nickel–molybdenum (NiMo), were designed and developed for water electrolysis and supercapacitor applications. The electrodes were synthesized electrochemically as thin films via the simultaneous co-reduction of graphene oxide (GO) and metal precursors (Ni, Co, and Mo) on indium tin oxide (ITO) substrates at the same potential in a single electrochemical cell. Owing to the delamination induced by hydrogen bubble formation, the films were detached from the ITO surface, resulting in flexible, binder-free, and self-supporting electrodes. The optimal electrodeposition conditions were determined based on the hydrogen evolution reaction (HER) performance in acidic media. Nanocomposite electrodes obtained under optimum conditions were subjected to structural, morphological, and electrochemical characterizations. Electrochemical activation (ECA) applied to the free-standing electrodes significantly enhanced their electrocatalytic activity. Under acidic conditions, the overpotentials required to reach a current density of 10 mA·cm?² were measured as 73, 47, and 56 mV for Ni/ERGO, NiCo/ERGO, and NiMo/ERGO electrodes, respectively, with corresponding Tafel slopes of 31, 30, and 31 mV.dec?¹. In alkaline media, the same current density was achieved at overpotentials of 163, 80, and 33 mV, with Tafel slopes of 256, 206, and 193 mV·dec?¹, respectively. Oxygen evolution reaction (OER) tests conducted in alkaline media revealed that the electrodes exhibited low overpotentials of 330, 275, and 275 mV and Tafel slopes of 105, 67, and 70 mV·dec?¹, indicating their excellent electrocatalytic activity. When used as bifunctional catalysts for overall water splitting in the same medium, the cell voltages required were 1.58, 1.54, and 1.50 V, respectively, demonstrating highly competitive performance. Furthermore, 24-hour durability tests for HER, OER, and full water splitting showed negligible performance degradation, highlighting the electrodes' excellent stability. These electrodes were also evaluated for supercapacitor applications. At a current density of 1.5 A·g?¹, the specific capacitances of Ni/ERGO, NiCo/ERGO, and NiMo/ERGO were measured as 1082, 1168, and 1380 F·g?¹, respectively. With rapid charge-discharge capability and long-term stability, these electrodes achieved energy densities of 37.59, 40.55, and 47.91 Wh·kg?¹ at a power density of 750 W·kg?¹, demonstrating outstanding supercapacitor performance. In conclusion, this thesis presents the development of three distinct, uniquely designed electrode structures that exhibit excellent bifunctional electrocatalytic activity for water electrolysis and show strong potential for energy storage applications.