Metal nanoparçacık dekore nanokompozitlerin ısı aktarımı etkilerinin incelenmesi ve metanol oksidasyonu uygulamaları

Abstract

Bu çalışmada, bir sulak alan bitkisi olan ve hasırotu veya kedi kuyruğu olarak bilinen Typha shuttleworthii püskülünün (TT) karbonsu nanomalzeme olarak enerji uygulamalarında kullanılabilirliği değerlendirilmiştir. TT’nin kimyasal aktivasyon ve karbonizasyon süreçlerinin ardından öğütülmesi ile boyutu 50-250 nm arasında olan karbonsu TT (CTT) elde edilmiştir. CTT’nin uygun fonskiyonelleştirme işlemlerinin ardından, ortalama boyutu 30 nm olan AuNP’ler CTT ile başarılı bir şekilde kompleks oluşturmuştur. Kompleks oluşturma işlemi karbodiimid rotası üzerinden kendiliğinden düzenlenme mekanizması ile gerçekleştirilmiştir. Elde edilen CTT-AuNP’ler SEM ve EDX analizleri ile karakterize edilmiştir. CTT-AuNP’nin kütlece %0.01-%0.5 oranlarında etilen glikol ile oluşturduğu nanoakışkanlar, 12 saat süresince kararlılığını korumuştur. Nanoakışkanların kübik kapta iki yönlü ısı aktarım performansı MATLAB kullanılarak teorik ve termal kamera kullanılarak deneysel olarak incelenmiştir. Elde edilen en yüksek ısı aktarım katsayısı 0,367±0,021 W/mK olmuştur. Teorik hesaplamalar ile deneysel ölçümler uyumlu bulunmuştur. Son olarak, üretilen nanomalzemenin doğrudan metanol yakıt hücresi (DMFC) uygulamalarında kullanılabilirliği test edilmiştir. Bu amaçla, CTT-AuNP metanol oksidasyon reaksiyonu (MOR) için elektrot olarak kullanılmıştır. GC’nin pik akım yoğunluğu yaklaşık 0,199 mA/cm2 iken Au nanoparçacık içeren GC/CTT-AuNP elektrot yüzeyinde 1,229 mA/cm2 olarak maksimum değere ulaşmıştır. AuNP modifiye karbon malzemenin metanol oksidasyonunu elektrokatalitik olarak artırdığı anlaşılmıştır. GC/CTT-AuNP elektrot üzerinde yapılan tarama hızı çalışmalarında 0,1 M perklorik asit ortamında 0,5 M metanolün voltamogramları alınmış, metanolün oksidasyonunun difüzyon kontrollü olduğu görülmüştür. Sonuç olarak AuNP katkılı karbon nanomalzemenin metanol oksidasyonu reaksiyonlarında kullanma potansiyeli olduğu görülmüştür. Doğal ortamda bol miktarda bulunan bir bitkiden elde edilen malzemenin, çevre dostu ve katma değeri yüksek bir katalitik ürün ile bir ısı aktarım bileşeni olarak kullanılabilecek alternatif bir nanomalzeme olduğu tespit edilmiştir.In this study, the usability of Typha shuttleworthii tassel (TT), a wetland plant and known as rushwort or cattail, as a carbonaceous nanomaterial in energy applications was evaluated. By grinding TT after chemical activation and carbonization processes, carbonaceous TT (CTT) with a size between 50-250 nm was obtained. After appropriate functionalization processes of CTT, AuNPs with an average size of 30 nm were successfully complexed with CTT. The complex formation process was carried out by a self-assembly mechanism via the carbodiimide route. The obtained CTT-AuNPs were characterized by SEM and EDX analyses. The nanofluids formed by CTT-AuNP with 0.01%-0.5% ethylene glycol by mass maintained their stability for 12 hours. The two-way heat transfer performance of nanofluids in a cubic container was investigated theoretically using MATLAB and experimentally using a thermal camera. The highest heat transfer coefficient obtained was 0.367±0.021 W/mK. Theoretical calculations and experimental measurements were found to be compatible. Finally, the usability of the produced nanomaterial directly in methanol fuel cell (DMFC) applications was tested. For this purpose, CTT-AuNP was used as an electrode for methanol oxidation reaction (MOR). While the peak current density of GC was approximately 0.199 mA/cm2, it reached the maximum value of 1.229 mA/cm2 on the GC/CTT-AuNP electrode surface containing Au nanoparticles. It has been understood that AuNP modified carbon material electrocatalytically increases methanol oxidation. In scanning speed studies performed on GC/CTT-AuNP electrode, voltammograms of 0.5 M methanol in 0.1 M perchloric acid environment were taken and it was observed that the oxidation of methanol was diffusion controlled. As a result, it has been seen that AuNP-doped carbon nanomaterial has the potential to be used in methanol oxidation reactions. It has been determined that the material obtained from a plant abundant in the natural environment is an alternative nanomaterial that can be used as a heat transfer component with an environmentally friendly and high added value catalytic product.