Yakıt hücresi sisteminde elektrokimyasal ve mikrobiyolojik yaklaşım ile elektron transfer mekanizmasının incelenmesi

Abstract

Yakıt hücresi sistemleri, enerji üretimi için gerçekleşen reaksiyonların sonucunda yan ürün olarak sadece su oluşması sebebiyle çevre dostu bir alternatif enerji sistemi olarak göze çarpmaktadır. Fakat bu sistemlerin ticari olarak kullanılabilirliğini arttırmak için katalizör maliyetinin azaltılması gerekmektedir. Son yıllarda alternatif enerji sistemleri üzerine yapılan çalışmalarda Mikrobiyolojik Yakıt Hücreleri (MYH), basit yapısı ve atıksu arıtımına da olanak sağlayan çalışma sistemi nedeniyle dikkat çekmektedir. MYH'lerinde katalizör olarak inorganik moleküller ya da enzim yerine mikroorganizmalar kullanılır. Yakıt hücrelerinde geleneksel yöntemlerle yapılan metal katalizör kaplamaları sırasında katalizörün büyük bir çoğunluğu kayıp olmaktadır. Bu tez çalışmasında katalizör malzemesi olan Pt, elektrotlar üzerine magnetron saçtırma yöntemi ile kaplanarak kaplama sırasındaki katalizör kayıpları sıfıra indirilmiştir. Bununla birlikte kullanılan katalizör miktarı 20 kat azaltılmıştır. Katalizörlerin bu yöntemle kaplanması sırasında farklı güçler uygulanarak Pt'in partikül boyutu kontrolü sağlanmıştır.Elde edilen Pt kaplı karbon elektrotlar hem bir proton geçirgen membranlı (PEM) yakıt hücresi hem de bir MYH sisteminde denenmiştir. MYH sisteminin katotunda demir oksidasyon bakterisi olan Thiobacillus ferrooxidans, anotunda ise karışık kültür anaerobik bakteri kullanılmıştır. Pt elektrotların kullanımı ile MYH elektrot iletkenliği arttırılarak performansları arttırılmıştır. Her iki yakıt hücresi siteminin de çalışma performansları elektrokimyasal ölçümler yapılarak incelenmiştir. Ayrıca Thiobacillus ferrooxidans'ın porfirin yapısı kuantum mekaniksel metotla incelenerek katottaki elektron transfer mekanizması açıklanmıştır.Fuel cells are known as eco-friendly systems considering the fact that only water is produced as a secondary product as a result of energy producing reactions. However in order to increase the commercially usage of fuel cells, it is necessary to decrease the costs of the catalysts. In recent studies on alternative energy systems microbial fuel cell systems (MFC) with their basic structure and system allowing wastewater treatment, rise to notice. Inorganic molecules as catalysts and microorganisms instead of enzymes are used in MFCs. A majority of the catalysts is wasted in the traditional catalysts coating methods. In this study, catalyst wastes are completely prevented by coating the electrodes with the catalyst material Pt via magnetron sputtering method. Additionally we decreased the amount of catalyst used in coating 20 times. The control of particle size of the Pt is derived by using different powers in the coating process.The Pt coated carbon electrodes are tested both within a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) and MFC. We used oxidation bacteria Thiobacillus ferrooxidans on cathode and mixed culture bacteria on anode of MFC. As a result of using these electrodes the conductivity and ultimately the performance is increased. The performances of both fuel cell systems are investigated with electrochemical measurements. Moreover the electron transfer mechanism at cathode is clarified by examining the porphyrin structure of Thiobacillus ferrooxidans via quantum mechanical methods.