Dış Kaynaklı Proje Süreçleri Yönetim Sistemi
Artan dünya nüfusu ve hızlanan teknolojik gelişmeler, küresel enerji talebini önemli ölçüde artırmıştır. Bu artış ekonomik büyümeyi ve yaşam standartlarının yükselmesini desteklemiş olsa da çevresel sürdürülebilirlik açısından ciddi sorunları da beraberinde getirmiştir. Artan enerji ihtiyacının güvenli, ekonomik ve çevre dostu biçimde karşılanması günümüzün en önemli küresel meselelerinden biri haline gelmiştir. Enerjiye erişimin sürekliliği kadar, bu enerjinin üretim yöntemlerinin çevresel etkilerinin azaltılması da kritik bir gereklilik olarak öne çıkmaktadır. Tarihsel olarak, kömür, petrol ve doğal gaz gibi hidrokarbon temelli fosil yakıtlar, endüstride kullanılan enerjinin yaklaşık %88’ini oluşturarak sanayileşmenin temelini oluşturmuştur. Yüksek enerji yoğunlukları, depolanabilir olmaları ve gelişmiş üretim-dağıtım altyapıları sayesinde uzun yıllar boyunca ekonomik kalkınmanın başlıca itici gücü olmuşlardır. Bununla birlikte, bu yenilenemeyen kaynakların sınırlı rezervlere sahip olması ve yanma süreçleri sonucunda ortaya çıkan sera gazı emisyonları, iklim değişikliği ve çevresel bozulma gibi küresel sorunları derinleştirmektedir. Dolayısıyla fosil yakıtlara bağımlılığın azaltılması ve sürdürülebilir enerji sistemlerine geçiş, kaçınılmaz bir dönüşüm süreci olarak değerlendirilmektedir (Akpasi v.d., 2025). Bu bağlamda, sıfır emisyon hedefleri doğrultusunda “yeşil hidrojen” enerji dönüşümünün merkezinde konumlanmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen elektrik kullanılarak suyun elektrokatalitik ayrışımı yoluyla üretilebilen hidrojen, karbon içermeyen bir enerji taşıyıcısı olarak dikkat çekmektedir. Ancak günümüzde bu süreçte yaygın biçimde kullanılan platin grubu metal katalizörler, yüksek maliyetleri ve sınırlı bulunurlukları nedeniyle geniş ölçekli ve ekonomik uygulamalar açısından önemli kısıtlamalar oluşturmaktadır. Bu durum, düşük maliyetli ve bol bulunan alternatif katalizörlerin geliştirilmesini bilimsel araştırmaların temel odak noktalarından biri haline getirmiştir (Fan v.d., 2021).
Son yıllarda yapılan çalışmalar, doğada daha bol bulunan geçiş metalleri (Ni, Co, Zn vb.) tabanlı oksitlerin ve çift metal/üçlü metal kombinasyonlarının düşük maliyetli alternatifler olarak yüksek katalitik performans gösterebildiğini ortaya koymuştur (Madhavan v.d., 2024; Du v.d., 2023). Spinel yapılı oksitler (AB2O4), hem A hem de B bölgelerindeki katyonların değişken yükseltgenme basamaklarına sahip olabilmesi sayesinde, elektron transfer süreçlerinde olağanüstü esneklik sunmaktadır (Zhao v.d., 2017). Özellikle Ni ve Co tabanlı katalizörlerin alkali ortamda oksijen oluşum tepkimesi (OER) için kararlı ve aktif oldukları, Zn katkısının ise yapı ve elektronik özellikleri değiştirerek performansı artırdığı rapor edilmiştir. Bu sinerjistik etki sayesinde Ni-Zn-Co tabanlı nanoyapılar, hidrojen üretiminde umut vadeden katalizörler arasında öne çıkmaktadır. Bunlardan, NiCo bazlı elektrokatalizörler, uygun atomik ve elektronik yapıları sayesinde yüksek aktivite ve kararlılık göstermektedir (Zhang v.d., 2021). Karşılaştırmalı çalışmalar, Co(OH)2@Ni nanoyapılarının farklı Co- ve Ni-bazlı hidroksit kombinasyonları arasında en düşük aşırı gerilimi elde ettiğini ortaya koymuştur (Roy v.d., 2022). Burada kritik olan nokta, Ni ve Co atomları arasındaki yük transferi etkileşimidir. Ni varlığı, Co atomlarının daha yüksek yükseltgenme basamaklarına çıkmasını kolaylaştırarak ara ürünlerin (O*, OH*, OOH*) adsorpsiyon enerjilerini optimize etmektedir. Buna ek olarak, Zn katkılamasının OER performansını belirgin şekilde artırdığı gösterilmiştir. Örneğin, Zn0.15Ni0.95Co2O4 nanoflower yapılarının, katkısız Co3O4, NiCo2O4 ve ZnCo2O4 ile karşılaştırıldığında daha düşük aşırı gerilim, daha küçük Tafel eğimi ve geliştirilmiş iletkenlik sergilediği rapor edilmiştir (Yang v.d., 2018). Çinko (Zn), her ne kadar kendisi doğrudan bir OER aktif merkezi olarak görülmese de komşu Ni ve Co atomlarının d-bandı merkezini değiştirerek reaksiyon kinetiğini hızlandırır. Kısaca, bu performans artışı; Co3+ aktif merkezlerinin artması, hızlandırılmış kinetik süreçler ve Zn katkısının sağladığı elektronik yapı modifikasyonları ile ilişkilendirilmektedir. Karşılaştırma amacıyla, Ni bazlı elektrokatalizörler de dikkate alındığında, örneğin Ni/rGO kompozitleri 10 mA cm-2 akım yoğunluğunda 0.33 V aşırı gerilim ve 68 mV dec-1 Tafel eğimi göstermektedir (Wang v.d., 2018).
Bu proje kapsamında temel araştırma sorusu; aynı aktif fazın farklı iletken altlıklar (NF ve CC) üzerinde büyüme davranışının, yapısal özelliklerinin ve OER performansının nasıl değiştiğinin incelenmesidir. Projenin temel hipotezi ise Zn katkısının NiCo2O4 yapısının elektronik ve yapısal özelliklerini etkileyerek elektrokatalitik aktiviteyi iyileştirebileceği yönündedir. Bunun yanında, NF’nin üç boyutlu gözenekli yapısı sayesinde yüksek aktif yüzey alanı ve etkin elektrolit difüzyonu sağlayabileceği; CC’nin ise daha homojen kaplama, esneklik ve yüzey kararlılığı avantajı sunabileceği öngörülmektedir. Ayrıca bağlayıcısız (binder-free) elektrot yapısının, bağlayıcı kullanımından kaynaklanan aktif bölge kayıplarını azaltarak elektrot-elektrolit arayüz etkileşimini iyileştirebileceği düşünülmektedir.
Güncel literatürden çeşitli çalışmalar bu malzemelerin etkinliğini vurgulamaktadır: Zhang ve ekibi (2023) tarafından yapılan çalışmada, NF altlığının sağladığı yüksek iletkenlik ile çiçek benzeri FeCo2O4 nanolevhaların gözenekli yapısının birleşerek daha fazla aktif bölge sunduğu, bu sayede elektrokatalizörün OER verimliliğini artırırken düşük aşırı gerilim (overpotential) ve yüksek kararlılık sergilediği belirtilmiştir. Yine, nikel köpük üzerinde NiAlZn nanopartiküllerinin 196-233 mV kadar düşük aşırı gerilimler gösterdiği de başka bir çalışmada görülmüştür (Rise v.d., 2025). Ayrıca, bir diğer çalışmada karbon kumaş üzerinde spinel NiCo2O4 nanotabakaları, OER için 215 mV gibi olağanüstü aşırı gerilimlere ulaşmıştır (Wang v.d., 2024). Benzer şekilde, Co2+ iyonlarının Zn2+ gibi geçiş metalleri ile yer değiştirmesinin (substitution) kafes yapısındaki aktif bölge sayısını ve elektronik iletkenliği artırdığı; özellikle NiCo2O4/CC sisteminin 0.94 V gibi düşük bir overpotential değeri ve 200 döngüye ulaşan çevrim kararlılığı ile üstün bifonksiyonel (ORR/OER) katalitik aktiviteyi sağladığı rapor edilmiştir. Bu bulgular, Ni-Zn-Co tabanlı nanoyapıların tasarlanmasında metal oranlarının ve 3D ağ mimarisinin, yük transfer direncini düşürmek ve iyon iletim yolunu kısaltmak adına ne kadar kritik olduğunu vurgulamaktadır (Song v.d., 2020). Üstelik Ni-Zn-Co bazlı nanomalzemeler, esnek ve bağlayıcı içermeyen elektrot tasarımları sayesinde giyilebilir süperkapasitör uygulamalarında da dikkate değer performans göstermektedir. Tekstil yüzeylerine kaplanan nikel-kobalt tabakalı çift hidroksitlerle modifiye edilmiş ZnO nanoyapıları, yüksek özgül kapasitans ve uzun çevrim ömrü sergilemektedir (Trang v.d., 2014). Bağlayıcı içermeyen nikel-kobalt tabakalı çift hidroksit nanoyapıları, NF üzerinde yüksek esneklik ve mekanik dayanıklılık sağlamış; bu sayede dijital saat gibi giyilebilir cihazların çalıştırılmasında başarılı olmuştur (Nagaraju v.d., 2017). Yine bir başka çalışmada, NiCo2O4 elektrotları sıcaklık bağımlı performans iyileşmesi göstermiş, değişken sıcaklık koşullarında enerji depolama uygulamaları için uygun hale gelmiştir (Gupta v.d., 2015). Sinerjik metal etkileşimleri, kusur mühendisliği ve stratejik nanoyapı tasarımı gibi temel üstünlükler bir araya gelerek, su ayrıştırma uygulamalarında elektrokatalitik performansın önemli ölçüde artmasını sağlamaktadır.
Bu proje kapsamında, Ni-Zn-Co esaslı metal oksit nanomalzemelerin farklı iletken yüzeylerde (NF, CC) hidrotermal yöntemlerle sentezlenmesi, SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu), XRD (X-ışını kırınımı), EDX (Enerji Dağılımlı X-ışını Spektroskopisi), ve XPS (X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi) ve BET (Brunauer-Emmett-Teller) gibi tekniklerle yapısal ve morfolojik karakterizasyonlarının yapılmasının yanı sıra CV (Döngüsel Voltametri), LSV (Doğrusal Taramalı Voltametri) ve Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS) analizleri ile de oksijen oluşum tepkimesindeki performanslarının incelenmesi hedeflenmektedir. Hidrotermal sentez, düşük sıcaklıklarda yüksek kristalinite ve kontrol edilebilir morfoloji sağladığı için tercih edilmiştir. Reaksiyon süresi, sıcaklık ve öncül madde konsantrasyonları optimize edilerek en yüksek yüzey alanına sahip yapılar elde edilecektir. Reaksiyon süresi, sıcaklık ve Zn/Ni/Co öncül madde oranları optimize edilerek yüksek aktif yüzey alanına ve düşük yük transfer direncine sahip yapılar elde edilmesi amaçlanmaktadır. Bu çalışmayla, altlık seçiminin katalizör tasarımındaki rolü net olarak ortaya konacaktır. Ayrıca elde edilecek olan modifiye edilmiş elektrotlar, hedef katalizörlerin kullanılmasında öncü olacaktır.
Proje kapsamında geliştirilecek elektrotların başarısı; belirli akım yoğunluklarında elde edilen aşırı gerilim değerleri, Tafel eğimleri, çevrim kararlılığı ve EIS destekli elektrokimyasal parametrelerin literatürde rapor edilen benzer Ni-Co-Zn bazlı OER katalizörleri ile karşılaştırılması esas alınarak değerlendirilecektir. Bu kapsamda, 0.1 M ve 1.0 M KOH ortamlarında 10 mA cm-2 akım yoğunluğunda yaklaşık 300-500 mV aralığında aşırı gerilim sergilenmesi, düşük Tafel eğimi (örn. ≤100 mV dec-1) ve düşük yük transfer direnci davranışı göstermesi, ayrıca uzun süreli çevrim testleri (örn. 1000 çevrim) sonunda başlangıç performansının büyük ölçüde korunması hedeflenmektedir.
Projenin özgün yönleri şu şekilde özetlenebilir:
1. Literatürde sınırlı sayıda çalışılmış olan NiCo2O4/NiZnO hibrit yapılarının NF ve CC altlıkları üzerindeki karşılaştırmalı OER performansı sistematik biçimde incelenecektir.
2. NF ve CC altlıklarının yalnızca taşıyıcı yüzey olarak değil, aynı zamanda elektrokatalitik performans, aktif yüzey alanı ve yük transfer davranışı üzerinde etkili parametreler olarak değerlendirilmesi hedeflenmektedir.
3. Literatürde sınırlı olarak incelenmiş Ni-Zn-Co bazlı metal oksit nanomalzemelerden olan NiCo2O4/NiZnO hibrit nanomalzemeleri ilk kez iki farklı yüzeyde sentezlenerek sistematik olarak karşılaştırılacaktır.
4. Destek malzemesi etkisi niceliksel olarak ortaya konarak, yüzey seçiminin elektrokatalizör tasarımındaki rolüne ışık tutulacaktır.
5. Elde edilecek bulgular, düşük maliyetli ve yüksek performanslı katalizörlerin geliştirilmesine katkı sağlayarak hidrojen üretimi teknolojilerine ivme kazandıracaktır.
6. NF ve CC’nin yalnızca katalizör destek yüzeyi olarak değil, aynı zamanda giyilebilir teknolojiler, bağlayıcısız (binder-free) elektrot tasarımları ve süperkapasitörler gibi ileri teknolojilerde de kritik uygulamalara sahip olması, farklı enerji dönüşüm ve depolama sistemlerinin gelişimine doğrudan katkı sağlayabilecektir.
Sonuç olarak, proje yalnızca literatürdeki bir boşluğu doldurmakla kalmayacak, aynı zamanda Türkiye’nin yenilenebilir enerji alanındaki bilimsel kapasitesine ve ekonomik hedeflerine katkı sağlayacaktır.