Karbondioksitin elektrolizi ile karbon nanofiber üretiminin tasarımı ve optimizasyonu

Abstract

Fosil yakıtların yakılması sonucu içeriğinde en çok bulunan sera gazı olan karbondioksit gazını açığa çıkarmaktadır ve bu durum küresel ısınmanın artması ve hidrolojik-meteorolojik sorunlara yol açmaktadır. Bu çevresel yıkımların yaşanmasının engellenmesi veya azaltılması adına son yıllarda endüstriyel ve laboratuvar ölçekteki bilimsel çalışmalar hız kazanmıştır. Bu konudaki gerçekçi yaklaşımlardan en önemlisi olarak karbondioksit gazının yakalanması, depolanması, kullanılması veya yararlı kimyasallara dönüştürülmesi teknolojilerinin geliştirilmesi olduğu söylenebilir. Karbondioksit yakalama ve kullanma teknolojisi, endüstriyel anlamda bu gazın kullanılması veya dönüştürülmesi amacıyla geliştirilmektedir. Bu tezin konusu olan karbondioksitin elektrolizi ile tek basamakta karbon nanofiber üretimi, bu proses ile gerçekleşmektedir. Metal karbonat elektroliti içerisinde anot ve katot elektrolarına doğru akım güç kaynağından gerilim verilmesiyle gerçekleşen elektroliz işlemi sonucu katot elektrotunda karbon nanofiber birikmekte, anot elektrotunda ise oksijen açığa çıkmaktadır. Bu tezde, karbondioksitin elektrolizi prosesine özgü bir sistem geliştirmek, elektroliz reaksiyonunun performansının artırılması, daha verimli ve kaliteli karbon nanofiber üretilmesinin sağlanması amacıyla birtakım sistem entegrasyonlarının yapılması gerçekleştirilmiştir. Bu geliştirmelerin yapılması ile birlikte sistemi önemli derecede etkileyen elektrot ve elektrolit seçimleri, sıcaklık ve gaz kompozisyonu gibi parametreler ile bir optimizasyon çalışması yapılmıştır. Bu çalışmalarda karbon nanofibere ait XRD, Raman, SEM-EDS, TEM, N2 adsorpsiyonu, Zeta potansiyeli, temas açısı ve yüzey serbest enerjisi analizleri gerçekleştirilmiştir. Buna ek olarak, elektrot ve elektrolit seçimlerindeki elektroliz sistemlere ait sabit gerilimde sistemden çekilen akım değerleri incelenmiş ve zamana bağlı değişim takip edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, karbondioksitin elektrolizi prosesi için en verimli parametreler: Nikel-Çelik elektrot, saf lityum karbonat elektrolit, 800 °C sıcaklık ve reaksiyon gazı olarak saf karbondioksitin kullanılması olduğu belirlenmiştir. Optimizasyon çalışmasının yanısıra üretilen karbon nanofiberin Hidrojen-Brom akış pilleri için brom indirgeme reaksiyonunu katalizlenmesi ile ilgili çalışmalara yer verilmiş ve ticari karbon Vulcan XC72 ile çevrimsel voltametri analizi gerçekleştirilerek karşılaştırılmıştır. 200. çevrimde üretilen karbonun elektrokimyasal performansı, ticari katalizörden % 12 daha düşük performanslı olsa da gerçekleştirilebilecek modifikasyonlarla performans düşüklüğünün önüne geçilmesi öngörülmüştür.

As a result of the burning of fossil fuels, carbon dioxide which is the most abundant greenhouse gas in its content is released and this situation causes an increase in global warming and hydrological-meteorological problems. In recent years, scientific studies on laboratory and industrial scale have been increasing rapidly in order to prevent or reduce the occurance of these environmental destructions. It can be said that, one the most important of the realistic approaches is the development of technologies is the development of the process for the capture, storage and utilization or conversion of carbon dioxide into useful chemicals. Carbon dioxide capture and utilization technology is developed for the industrial use or conversion of this gas. With this technology, carbon nanofibers is produced in a single step by the electrolysis of carbon dioxide, which is the subject of this thesis. As a result of the electrolysis process, which is carried out by applying voltage to the anode and cathode electrodes from direct current power supply to the melted metal carbonate electrolyte. Carbon nanofiber production is deposited on the cathode electrode and oxygen is released on the anode electrode. In this thesis, some useful system integrations were carried out in order to develop a system specific to the electrolysis process of carbon dioxide, to increase the performance of the electrolysis reaction, and to produce more efficient and high quality carbon nanofibers. With these improvements, an optimization study was carried out with parameters such as electrode and electrolyte selections, temperature and gas composition, which significantly affect the system. In these studies, XRD, Raman, SEM-EDS, TEM, N2 adsorption, Zeta potential, contact angle and surface free energy analyzes of carbon nanofiber were performed. In addition, the current values drawn from the system at constant voltage of the electrolysis systems in the electrode and electrolyte selections were examined and the time-dependent change was followed. According to the results obtained, it was determined that the most efficient parameters for the electrolysis of carbon dioxide were: Nickel-Steel electrode, pure lithium carbonate electrolyte, 800 °C temperature and pure carbon dioxide as the reaction gas. In addition to the optimization study, studies on the catalysis of the bromine reduction reaction of the produced carbon nanofiber for Hydrogen-Bromine flow batteries were included and cyclic voltammetry analysis was performed with the commercial carbon Vulcan XC72. Although the electrochemical performance of the carbon produced in the 200th cycle is 12% lower than the commercial catalyst, it is foreseen to prevent the decrease in performance with the modifications that can be made.