Yüksek Sıcaklıkta Elektrokimyasal Hidrojen Ayrımı için Yüksek Verimli Katalizörün Hazırlanması ve Performansının İncelenmesi

Abstract

Mevcut durumda küresel hidrojen (H2) üretimi büyük ölçüde fosil kaynaklara dayanmaktadır. H2 üretiminde en yaygın kullanılan yöntem buhar-metan reformasyonudur. Fakat bu yöntemle üretilen H2, karbon monoksit (CO) ve karbon dioksit (CO2) gibi safsızlıklar içermektedir. H2'nin endüstride hammadde olarak veya yakıt hücresi sistemlerinde enerji taşıyıcısı olarak kullanılabilmesi için belirli bir saflıkta olması gerekir. Dolayısıyla, bu safsızlıkları H2'den uzaklaştırmak için bir saflaştırma adımı kaçınılmazdır. Bu noktada, elektrokimyasal hidrojen saflaştırma (ECHP) sistemleri eş zamanlı H2 saflaştırma ve sıkıştırma yapabilme, hareketli parça içermeme, düşük işletme ve enerji maliyetleri, ölçeklenebilirlik gibi avantajları ile geleneksel H2 saflaştırma yöntemlerine güçlü bir alternatiftir. Bu tez çalışması kapsamında yüksek sıcaklık elektrokimyasal H2 saflaştırma (HT-ECHP) hücresi geliştirilmiştir. ECHP hücrelerinde karşılaşılabilecek olası problemlerden biri katalizör tabakasının reformat gaz içerisinde bulunan safsızlıklar nedeniyle zehirlenmesidir. Literatürde hidrojen oksidasyon reaksiyonu için tipik olarak Pt katalizörü kullanılmaktadır. Fakat, Pt katalizörünün CO toleransı oldukça sınırlıdır ve düşük miktarda CO varlığında bile katalizör zehirlenmesi meydana gelir. Bu çalışmada, HT-ECHP performansları incelenmek üzere grafen nanoplatelet (GNP) destekli platin (Pt) ve bimetalik platin-rutenyum (PtRu) katalizörleri sentezlenmiştir. Katalizörler, hızlı ve basit bir yöntem olan mikrodalga-destekli sentez yöntemiyle hazırlanmıştır. Hazırlanan katalizörler HT-ECHP uygulaması için fosforik asit katkılı polibenzimidazol (PBI) membran ile birleştirilmiştir. Katalizörlerin yapısal ve elektrokimyasal özellikleri termogravimetrik analiz (TGA), X-ışını kırınımı (XRD), X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS), geçirimli elektron mikroskopisi (TEM) ve döngüsel voltametri (CV) analizleri ile incelenmiştir. Karakterizasyon sonuçları, katalizörlerin HT-ECHP uygulaması için gerekli özellikleri sağladığını göstermektedir. Pt/GNP ve PtRu/GNP katalizörlerinin HT-ECHP performansları 140-180 ℃ sıcaklık aralığında H2, CO2 ve CO içeren reformat gazı karışımı ile incelenmiştir. Sonuçlar, katalizörlerin elektrokimyasal H2 saflaştırma performanslarının artan çalışma sıcaklığı ile arttığını göstermektedir. En yüksek H2 saflaştırma performansı PtRu/GNP katalizörü ile elde edilmiştir. Gaz kromatografisi (GC) sonuçları, PtRu/GNP katalizörü ile 160 ℃'de %99.938 yüksek H2 saflığının elde edildiğini göstermiştir. PtRu/GNP katalizörünün yüksek elektrokimyasal H2 saflaştırma performansı, GNP üzerine dekore edilmiş Pt ve Ru partikülleri arasındaki güçlü sinerjik etkileşimlere bağlanabilir. Bu sonuçlar, PtRu/GNP'nin HT-ECHP uygulaması için umut verici bir katalizör olduğunu göstermektedir.

Currently, global hydrogen (H2) production largely relies on fossil resources. The most widely used method for H2 production is steam-methane reforming (SMR). However, H2 produced by this method contains impurities such as carbon monoxide (CO) and carbon dioxide (CO2). H2 must be of a certain purity to be utilized as a feedstock in industry or as an energy carrier in fuel cell systems. Therefore, a purification step is inevitable to remove these impurities from H2. At this point, electrochemical hydrogen purification (ECHP) systems are a strong alternative to conventional H2 purification methods with advantages such as simultaneous H2 purification and compression, no moving parts, low operating and energy costs, and scalability. Within the scope of this thesis study, a high-temperature electrochemical H2 purification (HT-ECHP) cell has been developed. One potential issue encountered in ECHP cells is the poisoning of the catalyst layer due to impurities present in the reformate gas. Typically, Pt catalyst is used for hydrogen oxidation reaction (HOR). However, the CO tolerance of Pt catalyst is quite limited, and catalyst poisoning occurs even in the presence of low levels of CO. In this study, graphene nanoplatelet (GNP) supported platinum (Pt) and bimetallic platinum-ruthenium (PtRu) catalysts were synthesized for investigation of HT-ECHP performances. The catalysts were prepared using a rapid and simple method called microwave-assisted synthesis. The prepared catalysts were combined with phosphoric acid-doped polybenzimidazole (PBI) membrane for HT-ECHP application. The structural and electrochemical properties of the catalysts were investigated by thermogravimetric analysis (TGA), X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), transmission electron microscopy (TEM) and cyclic voltammetry (CV) analyses. The characterization results show that the catalysts provided the required properties for HT-ECHP application. The HT-ECHP performances of Pt/GNP and PtRu/GNP catalysts were examined with a reformate gas mixture containing H2, CO2 and CO in the temperature range of 140-180 ℃. The results show that the electrochemical H2 purification performances of the catalysts increase with increasing operating temperature. The highest H2 purification performance was obtained with PtRu/GNP catalyst. Gas chromatography (GC) results showed that a high H2 purity of 99.938% was obtained at 160 ℃ with PtRu/GNP catalyst. The high electrochemical H2 purification performance of PtRu/GNP catalyst can be attributed to the strong synergistic interactions between Pt and Ru particles decorated on GNP. These results indicate that PtRu/GNP is a promising catalyst for HT-ECHP application.