Model katalizör yüzeylerde gerçekleşen katalitik reaksiyonların ve yüzey elektronik yapılarının kapsamlı çalışılması

Abstract

Nano boyutlara kadar inmiş olan katalizör çalışmalarındaki sonuçlar sadece teknolojik alanda sınırlı kalmamakta, gündelik hayatımızı dahi etkilemektedir. Bu sayede kimyasal enerji çevrimcilerinden (yakıt hücreleri gibi) otomotiv sanayine, gaz sensörlerinden askeri uygulamalara, ilaç üretimine ve daha pek çok kimyasal proseste verim artışları elde edilmektedir. Bu çalışma kapsamında bugüne kadar yakıt hücrelerinde genellikle katalizör olarak kullanılan Pt yerine daha ucuz ve verimli bimetalik heterojen katalizörler üzerinde çalışılmıştır. Özellikle Pt ile farklı geçiş metal yapıların başarılı heterokatalizör sonuçlar verdiği bilinmekte fakat katalizörlerdeki verim artışının geometri, morfoloji veya elektronik yapıdan hangisine bağlı olduğu tam anlamıyla aydınlatılamadığı anlaşılmaktadır. Bu amaçla çalışma kapsamında ultra yüksek vakum (UHV) şartlarında reaktif olmayan TiO2(110) kristali üzerine Pt?Co yapıları çalışılmıştır. Pt?Co bimetalik katalizörün elektronik yapısına etki eden faktörler X-ışını ve ultraviole fotoelektron spektroskopisi (XPS, UPS) gibi teknikler kullanılarak ortaya konmaya çalışılmış ve oluşan metalik kümelerin morfolojileri taramalı tünelleme mikroskobu (STM) ile incelenmiştir. Sadece Pt ile Co'ın elektronik etkileşimi değil bunun yanında altlığın ve diğer parametrelerin etkisi saptanmaya çalışılmıştır. Ayrıca bu etkileşimin metanol moleküllerini katalize ederken izlediği reaksiyon yolundaki değişim sıcaklık programlı salınım (TPD) tekniği ile ortaya konmuştur. Bimetalik katalitik yüzeylerin elektrokimyasal testleri gerçekleştirilirken yakıt hücresi testleri ile de Pt:Co oranlaması, kaplama gücü gibi parametreler optimize edilirken ara katman olarak kullanılan Ti'un etkisi ortaya konmuştur. Optimizasyon çalışması sonrası yakıt hücresi için hazırlanan Ti destekli Pt:Co 1:3 oranlı elektrotların elektro kimyasal aktif yüzey alanı saf Pt numunesine kıyasla 3.7 kat arttırılmış ve bu sayede Amerikan Enerji Bakanlığının 2020 hedeflerinin çok ilerisinde bir değer elde edilmiştir. Bu yöndeki çalışmaların devamı ile ileride daha etkin seçici ve yüksek performanslı ve daha kabul edilebilir maliyette heterojen katalizörlerin geliştirilmesine imkân sağlanacaktır.

Nowadays the catalyst works are focused on the nano sized materials and their results are not limited to the technological development but also affect our daily life. Thanks to catalysis the performance of chemical processes in many different fields such as chemical energy conversion (e.g. fuel cells), automobile industry, gas sensors, military applications, drug production are increased. Pt is the mostly used material as a catalyst in fuel cells and the aim of this work is to develop new bimetallic heterogeneous catalyst materials that are cheaper and more efficient than Pt. Especially Pt-Co structures give pretty good results as heterogeneous catalyst materials in fuel cell applications. Using Pt together with Co in fuel cells not only decreases its cost but also increases its performance, and thus decreases total cost significantly. Production of low cost catalytic surfaces without performance loss is still an important topic for researches. In this study the catalytic surfaces consisting of Pt and Pt-Co investigated properly which are grown on TiO2 (110) crystal surface in UHV conditions. Pt-Co bimetallic surfaces are investigated using XPS and UPS to understand their electronic structure depending on temperature. The metallic clusters are also monitored using STM and their compositions are investigated using LEIS. Beside this, the effects of the substrate on the clusters and other parameters, such as heat, are also investigated. The changes of the reaction pathway during the decomposition of methanol molecule on different Pt-Co surfaces are investigated using the TPD technique. In addition, the effect of Ti sublayer on the cell performance is also observed. Optimization of such parameters increases the electrochemical active surface area (EASA) almost 3.7 times compared to the pure Pt sample which is quite good compared U.S. Department of Energy Hydrogen and Fuel Cell Program. The studies to understand the catalyst structure give rise to the development of catalysis that are more selective and have higher performance with low cost.