Hidrojen oluşum reaksiyonu için geçiş metali dikalgojenit nano katalizörlerinin geniş ölçekli üretimi

Abstract

Yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak üretilen temiz hidrojen, fosil yakıtlara alternatif önemli bir enerji taşıyıcısıdır. Son yıllarda geçiş metali dikalgojenitleri (TMD’ler), hidrojen oluşum reaksiyonunda (HER) umut vadeden katalizör malzemeler olarak ortaya çıkmıştır. Bu tez çalışmasında, geniş ölçekte üretim sağlanabilen mekanokimyasal üretim yöntemi kullanılarak, argon (Ar) atmosferi altında molibden sülfür (MoS2) ve molibden selenür (MoSe2) nanotabakaları sentezlenmiştir. Her bir sentezde yaklaşık 2 g MoS2 ve MoSe2 nano tozu sırasıyla %94,3 ve %90,9 verimle üretilmiştir. Sentez işleminde geçiş metali kaynağı olarak molibden (Mo) tozu, kalgojenit kaynağı olarak da kükürt (S) ve selenyum (Se) tozları kullanılmıştır. Mekanokimyasal yöntemdeki bilye-toz ağırlık oranı, öğütme süresi, reaksiyon atmosferi ve katı dispersant oranı gibi sentez koşulları en yüksek üretim verimini elde edecek şekilde optimize edilmiştir. Deneylerden elde edilen numunelerin yapısal ve kimyasal karakterizasyonları X-ışını Difraksiyonu (XRD), Fotolüminesans Spektroskopisi (PL), Raman Spektroskopisi, Geçirimli Elektron Mikroskobu (TEM), X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS), Brunauer-Emmett-Teller (BET) ile Barrett-Joyner-Halenda (BJH), Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve UV-Vis Spektroskopisi analizleri ile gerçekleştirilmiştir. Elektrokimyasal hidrojen oluşumu testleri bir potentiyostat (Gamry Interface 1000) ile borosilikat cam hücrede üç elektrotlu ölçüm düzeneği kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Yapısal ve elektrokimyasal karakterizasyonlar sonucunda en yüksek verim elde edilen optimum sentez koşullarının 100:1 bilye-toz ağırlık oranı, 72 saat öğütme süresi ve 1:1 NaCl:(Mo+S/Se) molar orana sahip deney koşulları olduğu belirlenmiştir. Optimum koşullar altında sentezlenen malzemeler, yüksek HER aktivitesi göstermiştir. 10 mA cm-2 akım yoğunluğuna ulaşmak için, MoS2 ve MoSe2 katalizör malzemeleri için sırasıyla 191 mV ve 165 mV’luk bir aşırı potansiyel gerekli iken, 75 mV dec-1 ve 48 mV dec-1 gibi oldukça düşük Tafel eğimi değerleri elde edilmiştir. Sentezlenen nano katalizörlerin yüksek katalitik aktivitesi nanotabakaların kısmen amorf yapısına, kristal kusurlarına ve yapılarındaki S, Se boşluklarına bağlanmıştır. Bu durum, hidrojen adsorpsiyonu ve desorpsiyonu süreçlerini kolaylaştırmakta ve HER kinetiğinin hızlanmasına katkıda bulunmaktadır. Önerilen bu yöntem, diğer nano TMD’lerin büyük ölçekte üretimi için de oldukça umut vadetmektedir.

Clean hydrogen produced using renewable energy sources is an important energy carrier that can serve as an alternative to fossil fuels. In recent years, transition metal dichalcogenides (TMDs) have emerged as promising catalyst materials for the hydrogen evolution reaction (HER). In this thesis, molybdenum sulfide (MoS2) and molybdenum selenide (MoSe2) nanosheets were synthesized under an argon (Ar) atmosphere using a mechanochemical production method that enables large-scale synthesis. In each synthesis, approximately 2 g of MoS2 and MoSe2 nanopowder were produced with yields of 94.3% and 90.9%, respectively. Molybdenum (Mo) powder was used as the transition metal source and sulfur (S) and selenium (Se) powders as the chalcogen sources. Synthesis parameters such as ball-to-powder weight ratio, milling time, reaction atmosphere, and solid dispersant content were optimized to achieve the highest production yield. Structural and chemical characterizations of the obtained samples were performed using X-ray diffraction (XRD), photoluminescence spectroscopy (PL), Raman spectroscopy, transmission electron microscopy (TEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Brunauer–Emmett–Teller (BET) and Barrett–Joyner–Halenda (BJH) analyses, scanning electron microscopy (SEM), as well as UV-Vis Spectroscopy. Electrochemical hydrogen evolution tests were conducted in a borosilicate glass cell using a three-electrode setup and a potentiostat (Gamry Interface 1000). As a result of structural and electrochemical characterizations, the optimum synthesis conditions yielding the highest efficiency were determined to be a 100:1 ball-to-powder weight ratio, 72 hours of milling, and a 1:1 NaCl:(Mo+S/Se) molar ratio. Under these optimum conditions, the synthesized materials exhibited high HER activity. To achieve a current density of 10 mA cm-2, the MoS2 and MoSe2 catalysts required overpotentials of 191 mV and 165 mV, respectively, and showed low Tafel slopes of 75 and 48 mV dec-1. The high catalytic activity of the synthesized nanocatalysts was attributed to the partially amorphous nature of the nanosheets, crystal defects, and the presence of S and Se vacancies. This facilitates hydrogen adsorption and desorption processes and contributes to the acceleration of HER kinetics. The proposed method also shows great promise for the large-scale production of other nano-TMDs.