Katalizör Sentezinde Kullanılan Karbon Destek Malzemeleri

Günümüzde nanoteknoloji alanındaki özellikle karbon nanomalzeme sentezindeki geliĢmelerle daha kararlı ve aktif katalizörler sentezlenebilir. Karbon malzemeler özellikle yakıt hücresindeki katalitik aktivitenin arttırılmasında umut verici malzemelerdir. Bilindiği üzere katalizörlerin yüksek maliyeti ve düĢük rezervi yakıt hücrelerinin ticarileĢmesi yolundaki en önemli sorunlardan biri olduğundan araĢtırmacılar katalitik aktivitesi yüksek katalizör sentezi alanında çalıĢmalar yapmaktadırlar. Bu çalıĢmalarda kütle birimi baĢına daha aktif alanlar oluĢturmak için nanopartikül sentezi yönünde büyük çaba gösterilir. Katalizörlerin morfolojisi, yapısı, etkinliği ve buna bağlı olarak bir hücrenin ömrü katalizör desteğine bağlıdır. Karbon nanomalzemeler hem asit hem de bazik elektrolitte kararlı olmaları ve yüksek iletkenlik gibi özelliklerinden ötürü katalizör desteği olarak kullanılır ve metal katalizörünün dağılması için yüksek yüzey alanı sağlarlar. Karbon malzemeler partikül büyüklüğü, morfolojileri, metal dağılımı, alaĢım derecesi ve kararlılığı gibi elektrokatalizör özelliklerini etkileyebilecek güçlü bir etkiye sahiptir. Ayrıca karbon destek malzemeleriyle sentezlenen katalizörün kütle transferi, elektronik iletkenliği, elektrokimyasal aktif alanı gibi özelliklerini değiĢtirerek katalizörün performansını etkiler (Ramli ve ark. 2018).

2.7.2.1. Karbon Siyahı

Yakıt hücrelerinde kullanılan en yaygın katalizör destek malzemesi karbon siyahıdır. Karbon siyahı asetilen siyahı, fırın siyahı gibi karbon malzemeler ailesinin genel bir ismidir. Karbon siyahı yakıt hücrelerinde destek malzemesi olarak kullanılmasının yanı sıra kauçukta katkı maddesi, boyalarda ve mürekkeplerde pigment ve polimer katkı maddesi olarak kullanılır. Karbon siyahı birkaç farklı yöntemle sentezlenebilir fakat en yaygın olanı petrolün doğal gaz ile kısmen yanması ve ardından suda söndürülmesidir. En yaygın karbon siyahı türleri arasında Cabot Corp‟dan Vulcan ve AkzoNobel‟den Ketjenblack bulunur. Karbon siyahının yakıt hücrelerinde kullanılmaya devam edilmesinin en ilgi çekici sebebi maliyetinin karbon nanotüpler (CNT‟ler) ve grafen gibi yeni nanoyapılarla karĢılaĢtırılamayacak kadar düĢük olmasıdır. Karbon siyahı 15-2000 m2_{/g arasında bir yüzey alanına sahiptir. Karbon}

siyahının yakıt hücrelerinde kullanılması için elektriksel iletkenlik, yüksek yüzey alanı ve düĢük maliyet dahil olmak üzere iyi destek malzemeleri yapan bir dizi özelliği vardır. Karbon siyahı katalizör desteği olarak kullanımı için bir takım mükemmel özelliklere sahip olsa da kullanımının bazı dezavantajları vardır. Karbon siyahı için en önemli zorluk zayıf korozyon direncidir. Bir yakıt hücresi katalizör katmanı 120°C „ye kadar yüksek sıcaklıklara, düĢük pH‟a ve 0.6 V‟nin üzerinde elektrot potansiyellerine sahip yüksek aĢındırıcı bir ortamdır. Karbon siyahı küçük grafit fazlar içermesine rağmen genel oksidasyon yoluyla korozyona eğilimli bir yüzeyi olan oldukça amorf bir yapıya sahiptir (Riese 2015).

2.7.2.2. Grafen

Grafen ilk olarak 2004 yılında fiziksel olarak keĢfedilen sp2 hibritleĢtirilmiĢ karbon atomlarından oluĢan 2 boyutlu bir malzemedir. Grafen dikkate değer elektriksel iletkenlik, mekanik dayanım ve termal iletkenlik nedeniyle popüler oldu. Grafen kimyasal reaksiyonları kolaylaĢtırmak için mükemmel kılan süper bir spesifik yüzey alanına (teorik olarak >2600 m2

/g) sahiptir ve nispeten inert taban düzlem yüzeyi olmasına rağmen birçok uygulama için daha fazla iĢlevselliğin gerekli olduğu anlamına gelir. Grafen kompozit malzemeler, yakıt hücresi katalizörleri, bataryalar gibi çeĢitli uygulamalarda kullanılmaktadır. GeniĢ anlamda grafen malzemesi iki kategoride sınıflandırılabilir. Birincisi saf tek katmanlı grafendir. Bu tip metal katalizör substrat

üzerinde kimyasal biriktirme yoluyla sentezlenebilir. Ġkincisi ise genellikle grafen nano- trombositler veya indirgenmiĢ grafen oksit olarak adlandırılır. Bu malzeme çoğunlukla grafitin oksidasyonu yoluyla sentezlenir (Riese 2015).

2.7.2.3. Karbon Nanotüpler

Karbon nanotüpler (CNT‟ler) bir karbon allotropudur esasen grafen levhasının silindirlenmiĢ halidir. CNT‟ler sp2

karbonunun 1-boyutlu görünümüdür ve 0D ve 2D versiyonları sırasıyla fullerenler ve grafendir. CNT‟lerin ilk raporu 1991‟de Iijima‟ya aittir. Her ne kadar karbon nanotüpler baĢlangıçta tasarlanmıĢ olsalar da onlar yıllar önce bile gözlemlenmiĢlerdi. CNT‟ler tek duvarlı (SWCNT) ve çok duvarlı (MWCNT) olmak üzere çeĢitli formlarda görünür ve hangi bağ konfigürasyonunun eksenel yönde uzandığına bağlı olarak çeĢitli yönlerde olabilirler. Her bir konfigürasyon fiziksel formlarının bir fonksiyonu olarak biraz farklı özelliklere sahiptir. CNT sentezi lazer ile ayırma, ark boĢalması ve kimyasal buhar biriktirme ile yapılabilir. CNT‟ler araĢtırmalarda ve bazı ticari uygulamalarda popüler hale gelmiĢtir (Riese 2015) .

CNT‟ler benzersiz elektriksel ve yapısal özelliklerinden dolayı yakıt hücreleri için katalizör desteğinde çok umut veren en iyi bilinen karbon yapılı malzemelerdir. CNT‟ler boru biçimindeki yapısı onların farklı karbon malzemeleri arasında benzersiz kılar. Çünkü yüksek yüzey alanı, mükemmel elektronik iletkenliği ve yüksek kimyasal kararlığı nedeniyle yakıt hücrelerinde katalizör desteği için bir tür alternatif malzeme olarak kullanılabilir. Son yıllarda CNT‟lerin doğrudan alkol yakıt hücrelerinde (DAYH) katalizör desteği olarak kullanımı araĢtırılmaktadır. Daha yüksek katalitik aktivite ve daha büyük yüzey alanına sahip olması ve alkol oksidasyonu için daha düĢük aĢırı potansiyel gerektirmesi en önemli, avantajlarıdır. Bu nedenle CNT‟lerin DAYH‟leri için katalizör desteği olarak umut verici potansiyele sahip oldukları görülmektedir. CNT‟lerin yüksek kristalitesinin onları daha iletken hale getirdiğine inanılmaktadır. CNT destekli katalizörler yüksek yüzey alanı ve gözenek yapısına sahip olması, CNT yapıda yüksek metal dağılımı sağlamaktadır. Ayrıca CNT‟ler Pt yapısı üzerinde pozitif bir etkiye sahiptir, bu da karbon siyahından daha yüksek katalitik aktivite ve kararlılık sağlamaktadır (Fan ve ark. 2016).