Synthesis, Characterization, Optimization, and Electrochemical Analysis of Novel Multimetal Oxide Materials for Energy Applications

Abstract

Son zamanlarda, enerji ve enerjiye olan ihtiyaç gittikçe artmaktadır. Bu enerji ihtayacını karşılamak adına, araştırmacılar enerji ile ilintili malzemelerin elektrokimyasal özelliklerini ve kullanım alanlarını iyileştirmek için çalışmaktadırlar. Günümüzde, multimetal oksit malzemeler bataryada (lityum iyon batarya ve Ni tabanlı batarya), yarı iletkenlerde, suyu ayrıştırma çalışmalarında, yakıt hücrelerinde ve kataliz çalışmalarında geniş bir şekilde kullanılmaktadır. Bu tezde nikel hidroksit (alfa ve beta formu), üre parçalanması metoduyla sentezlenmiştir. Kobalt, çinko, alüminyum ve bakır katkılı Ni(OH)2 aynı metotla sentezlenmiştir. Bu katkılı nikel hidroksitlerin elektrokimyasal analizi yapılmış ve karakterize edilmiştir. Nikel hidroksit kapasitesini iyileştirmek için küçük bir hücre çalışması yapılmış ve optimizasyon çalışması yapılarak bazı etkiler (c rate, tutkal etkisi ve elektrolit etki) incelenmiştir. Ayrıca NMC katot malzemesi katı-hal yöntemi ile sentezlenmiş ve kapasite çalışması yapılmıştır. Çalışmada BSCF, Ag-BSCF ve yeni BSNF malzemeleri sol jel yöntemi ile sentezlenmiş ve karakterize edilmiştir. Ayrıca, perovskite sınıfında olup olmadıklarını belirlemek adına Goldschmidt tolerans faktörleri hesaplanmış ve tartışılmıştır. Tezde çeşitli metal tuzları (Cr, Co, Fe, Mn, Ni) kullanılarak basılabilir mürekkep hazırlanmıştır. Hazırlanmış olan basılabilir mürekkeplerin optimizasyon çalışması yapılmıştır. Bu mürekkeplerden yola çıkarak multimetal oksit katalizörleri sentezlenmiştir, bu da suyu ayrıştırarak hidrojen ve oksijen elde etme imkanı sunar. Son olarak, PbVO3CI malzemesi sentezlenmiş ve karakterize edilmiştir. Yarı iletkenliği, elektronik yapısı, dinamik kararlılığı (Born-Phonon) ve perovskite sınıfı özelliği ele alınmıştır. Tezde, irdelenen bu malzemeler ( özellikle Ag-BSCF, BSNF, PbVO3CI) solar hücrelerde, katı hal yakıt hücrelerinde (SOFC), bataryalarda, yarı iletken ve katalizör çalışmalarında kullanılabilme potansiyeline sahiptir.

Recently, researchers have focused on multimetal oxide materials to meet energy requirements and to improve their properties, such as electrochemical and areas of usage. Multimetal oxide materials are widely used in batteries such as Li-ion and Ni-MH, in semiconductors, in water splitting studies, in fuel cells, and in catalyst studies. In this study, nickel hydroxide (alpha and beta form) was synthesized by using urea decomposition method. Co, Zn, Al, and Cu-doped Ni(OH)2 were also synthesized via same method. Here, optimization and cell (battery) studies were done to improve the nikel hydroxide capacity. C rate, binder effect, and electrolytic effect were discussed as well. In the study, BSCF, Ag-doped BSCF, and novel BSNF materials were synthesized by utilizing sol-gel method. Also, to determine their perovskite class, Goldschmidt tolerance factors were first calculated for BSCF, Ag-BSCF, and BSNF. It was found that, according to the Goldschmidt factor, all these materials were in the perovskite class. In the thesis, Cr, Co, Fe, Mn, and Ni nitrate salts were used to prepare printable inks. All printable inks were also optimized to print on a substrate. By using the printable inks, multimetal oxide materials were fabricated on the FTO glass, which offers hydrogen and oxygen from water. Last, PbVO3CI material was synthesized and characterized. We discussed various properties, such as semiconductor, electronic structure, dynamic stability (Born-phonon criteria), and perovskite class. The materials we discussed in the thesis, especially Ag-BSCF, BSNF, and PbVO3CI can be promising in solar cells, SOFCs, batteries, semiconductors, and electrocatalytic studies.