Zkoumání naprašovaných tenkovrstvých elektrokatalyzátorů pro vznik kyslíku v alkalickém prostředí a vlivu jejich strukturních a elektronických vlastností na katalytický výkon

Student: Kumar Kaustubh
Školitel: RNDr. Peter Kúš, Ph.D.
Stav práce: zadaná

Anotace:

Vodní elektrolyzér (WE) je elektrochemický článek, který přeměňuje elektrickou energii na chemickou pomocí endergonické reakce 2H2O + elektrická energie -> O2 + 2H2. Přeměna elektřiny na jinou formu energie a její následné skladování je velmi důležitým tématem v kontextu využívání obnovitelných, ale nestálých zdrojů energie (např. slunce a vítr).

Elektrolyzéry vody s anexovou membránou představují zásadní krok v budování vodíkové ekonomiky, protože kombinují výhody alkalických elektrolyzérů (neušlechtilé katalyzátory) a elektrolyzérů vody s protonově vodivou membránou (vysoká účinnost, variabilita, kompaktní design). Nalezení dostatečně aktivního, stabilního a neušlechtilého katalyzátoru pro anodovou a katodovou stranu AEM-WE je jedním z hlavních cílů jejich výzkumu.

Slitiny Ni-Fe/Ni-Co atd. prokázaly pozoruhodný výkon pro vzniku kyslíku na anodě, dokonce i v čisté vodě – mnoho katalyzátorů pracuje pouze v elektrolytu KOH. Přesné pochopení fungování katalyzátorů na bázi Ni, Co a Fe však stále chybí.

Cílem této disertační práce je navázat na perspektivní výsledky skupiny Nanomateriálů, především v oblasti nových katalyzátorů pro reakci vzniku kyslíku. Budou studovány magnetronově naprašované tenkovrstvé katalyzátory, typicky se strukturou Ni,Co,Fe/porézní podvrstva. Důraz bude kladen na závislost stability a aktivity na morfologii a hustotě defektů. Budou připraveny vrstvy různého složení a morfologie s cílem identifikovat ideální strukturální parametry z hlediska aktivity i stability. K dispozici bude široký arzenál analytických metod, od elektrochemického testování přes rentgenovou fotoelektronovou spektroskopii až po elektronovou mikroskopii. Velký důraz bude kladen na operando varianty těchto metod.

Postup vypracování:

1. Bibliografický výzkum.
2. Seznámení s experimentálními metodami.
3. Příprava tenkovrstvých katalyzátorů pro AEM-WE.
4. Charakterizace připravených vzorků a studium jejich vlastností.
5. Vyhodnocení výsledků.
6. Psaní disertační práce.

Reference:

• [1] Li W, Tian H, Ma L, Wang Y, Liu X, Gao X. Low-temperature water electrolysis: fundamentals, progress, and new strategies. Mater Adv 2022;3:5598–644. https://doi.org/10.1039/D2MA00185C.
• [2] Xiao L, Zhang S, Pan J, Yang C, He M, Zhuang L, et al. First implementation of alkaline polymer electrolyte water electrolysis working only with pure water. Energy Environ Sci 2012;5:7869–71. https://doi.org/10.1039/c2ee22146b.
• [3] Saveleva, V. A. et al. Uncovering the Stabilization Mechanism in Bimetallic Ruthenium-Iridium Anodes for Proton Exchange Membrane Electrolyzers. J. Phys. Chem. Lett. 7, 3240–3245 (2016).
• [4] W. Li, H. Tian, L. Ma, Y. Wang, X. Liu, X. Gao, Low-temperature water electrolysis: fundamentals, progress, and new strategies, Mater Adv. 3 (2022) 5598–5644. https://doi.org/10.1039/D2MA00185C.