Electrocatalytic isopropanol oxidation for direct organic fuel cells

Abstract

Dünya üzerinde sürekli artan nüfus yoğunluğu ve buna eşlik eden enerji tüketim oranları nedeniyle, yenilenebilir enerji kaynaklarını bulma, bunları erişilebilir ve kullanıma hazır hale getirme ihtiyacı önemli konular gelmiştir. Son yıllarda, hidrojen taşıyıcıları ve yakıt hücresi sistemleri, geleneksel fosil yakıt türlerine bağlı enerji üretim sistemlerine iyi alternatifler olarak öne çıkmıştır. Bu çalışma için, hidrojen taşıyıcısı olarak izopropanol-aseton çifti seçilmiş ve reaksiyon kinetiği incelenmiştir. İzopropanolün elektrokimyasal oksidasyonu, yakıt hücresi uygulamaları ve enerji depolama cihazlarındaki önemi nedeniyle oldukça ilgi görmüştür. Bu tez içeriğinde, Pt/C, Cu/C, Pt-Cu(1:1)/C, Pt-Cu(3:1)/C ve Pt-Ru/C ticari katalizörleri kullanılarak izopropanolün elektrokimyasal oksidasyon davranışına odaklanılmıştır. Oksidasyon reaksiyonunun performansını iyileştirmeyi amaçlarken, her bir elektrokimyasal katalizörün aktivitesi, seçiciliği ve reaksiyon koşullarındaki kararlılığı farklı ortamların etkisi altında, alkali koşullarda incelenmiştir. Bu katalizörlerin elektrokimyasal performansı Döngülü Voltametri, Elektrokimyasal Empedans Spektroskopi ve Kronoamperometri analizleri ile değerlendirilmiştir. Sonuçlar, diğer Platin bazlı katalizörlere kıyasla daha yüksek katalitik aktivite ve daha düşük kinetik direnç gösteren Pt-Cu/C katalizörünün üstünlüğünü göstermektedir. Bu gelişmiş performans, Bakır'ın OH- türlerine olan güçlü afinitesine atfedilir ve bu da izopropanol oksidasyon hızını artırır ve genel elektrokimyasal aktiviteyi teşvik eder. Genel olarak, bu çalışma izopropanol elektrooksidasyonunun kinetiğine dair değerli bilgiler sağlayarak ve Pt-Cu alaşımının çeşitli elektrokimyasal sistemlerde verimli alkol oksidasyonu için umut verici bir katalizör olarak potansiyelini vurgular.

Due to the ever-increasing population and accompanying energy consumption rates, the need of finding renewable energy resources, making them accessible and ready to utilize have become crucial investigation areas. In recent years, hydrogen carriers and fuel cell systems have emerged as good alternatives to conventional fossil fuel dependent energy generation systems. For this study, isopropanol-acetone couple was selected as the hydrogen carrier and the reaction kinetics were investigated. The electrocatalytic oxidation of isopropanol has garnered significant interest due to its relevance in fuel cell applications and energy storage devices. This thesis focused on the electrocatalytic oxidation behavior of isopropanol by utilizing commercial catalysts, namely Pt/C, Cu/C, Pt-Cu(1:1)/C, Pt-Cu(3:1)/C, and Pt-Ru/C. Activity, selectivity, and stability of each electrocatalyst investigated under different reaction conditions, aiming to improve the performance of the oxidation reaction in alkaline medium. The electrochemical performance of these catalysts were evaluated through Cyclic Voltammetry (CV), Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), and Chronoamperometry (CA) analysis. The results demonstrate the superiority of the Pt-Cu alloys, exhibiting higher catalytic activity and lower kinetic resistance compared to other Pt-based catalysts. This improved performance is attributed to the strong affinity of Cu to OH- species, which enhances the isopropanol oxidation rate and promotes the overall electrocatalytic activity. Overall, this study provides valuable insights into the kinetics of isopropanol electrooxidation and highlights the potential of Pt-Cu alloy as a promising catalyst for efficient alcohol oxidation in various electrochemical systems.