Rotirajoča disk elektroda kot metoda za merjenje aktivnosti in stabilnosti elektrokatalizatorjev reakcije evolucije kisika na osnovi iridija

magistrsko delo

Kevin Stojanovski (Avtor), Miran Gaberšček (Mentor), Marjan Marinšek (Član komisije za zagovor), Boštjan Genorio (Član komisije za zagovor)

Povzetek

During past decades, fossil fuels have been a crucial driving force for the growth of society and all of the most important industries. First as coal for the steam engines and the beginning of the industrial revolution, up to modern days where they still represent the most used fuel for all aspects of modern life. However, knowing the impact that they have on our world, we must consider transitioning to more renewable and sustainable energy sources. Storing energy in the form of hydrogen has many benefits, the most prominent of which is the lack of emission of carbon dioxide upon its consumption as fuel. A key piece to utilizing this stored energy is the polymer exchange membrane fuel cell (PEMFC), a device that could provide localized electrical power using hydrogen as its primary fuel and producing only water as its waste. However, very similar devices can also be used for the production of hydrogen utilizing electrolysis. Here we explore iridium nanoparticles supported on high surface titanium coating that is covering a base layer of carbon [2] for the anode, to promote the oxygen evolution reaction – the counter-reaction needed for effective hydrogen evolution. We demonstrate catalyst support based on titanium oxynitride that provides a high surface area on which iridium nanoparticles can be supported. Such a combination of materials increases the efficiency of electrochemical reaction while lowering the catalyst amount. Furthermore, by performing a number of accelerated degradation protocols we show that the titanium oxynitride coating over the surface of the carbon substrate allows for stable support that can withstand the harsh conditions found during the oxygen evolution reaction. We also highlight the many problems with benchmarking new catalysts and supports for OER, using the rotating disc electrode (RDE). In this thesis we are examining the following specific experimental aspects i) substrate electrode material, ii) catalyst loading iii) catalyst long term stability iv) catalyst ink preparation, and v) activation protocols together with electrode prehistory. All of those play a crucial role when using RDE for evaluating OER electrocatalyst.

Ključne besede

oxygen evolution reaction;iridium;titanium oxynitride;catalyst stability;proton exchange membrane devices;

Podatki

Jezik:	Angleški jezik
Leto izida:	2020
Tipologija:	2.09 - Magistrsko delo
Organizacija:	UL FKKT - Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo
Založnik:	[K. Stojanovski]
UDK:	621.35:66.097.3(043.2)
COBISS:	23904515
Št. ogledov:	519
Št. prenosov:	185
Ocena:	0 (0 glasov)
Metapodatki:

Ostali podatki

Sekundarni jezik:	Slovenski jezik
Sekundarni naslov:	Rotirajoča disk elektroda kot metoda za merjenje aktivnosti in stabilnosti elektrokatalizatorjev reakcije evolucije kisika na osnovi iridija
Sekundarni povzetek:	Enega od glavnih izzivov sodobne družbe predstavlja pridobivanje energije ter z njim povezani stroški. Z naraščanjem prebivalstva in razvojem družbe se povečujejo tudi potrebe in poraba električne energije, ki predstavlja temelj sodobne družbe in sodobnega načina življenja. Vsa najpomembnejša industrija, od farmacevstske proizvodnje do predelave hrane, potrebuje stalen in zanesljiv vir energije za proizvodnjo blaga ter dobavo in transport surovin in izdelkov. V preteklosti so energijo, potrebno za rast družbe in vseh velikih industrij zagotavljala predvsem fosilna goriva. Denimo uporaba premoga za pogon parnih strojev je zaznamovala začetek prve industrijske revolucije, vse do danes pa razne oblike fosilnih goriv ostajajo najbolj pomemben vir primarne energije. Ker pa se naše znanje glede njihovega negativnega vpliva na naš svet povečuje, smo prisiljeni razmišljati o prehodu na bolj obnovljive in trajnostne sisteme. Cilj je ustvariti krožni sistem, pri čemer bi izhajali iz obnovljivih in čistih virov energije, kot so vetrne turbine, fotovoltaika, hidroelektrarne.[1], [2] [3]. Uporaba novih trajnostnih virov energije zahteva tudi učinkovito shranjevanje pridobljene energije, saj slednjo pridobivamo le občasno (sonce, veter itd niso vedno na razpolago) in le na določenih mestih, kjer so postavljene te naprave. Shranjevanje energije v obliki vodika ima številne prednosti, med katerimi je najpomembnejša odsotnost emisijemisij ogljikovega dioksida ob njegovi porabi kot gorivo. Ključni del pri uporabi te shranjene energije je polimerna gorivna celica oziroma gorivna celica s protonsko prevodno membrano (PEMFC). To je naprava, ki lahko zagotavlja lokalno električno energijo z uporabo vodika kot primarnega goriva in proizvaja samo vodo kot odpad. Da bi gorivna celica imela visok izkoristek, je treba uporabiti čisti vodik. Trenutno se svetovna proizvodnja vodika še vedno opira na proces, ki je star skoraj pol stoletja. Proces Haber-Bosch ni samo visoko energetsko intenziven, temveč proizvaja veliko nevarnih odpadkov in toplogrednih plinov, ki so glavni problem poleg velikih količin sproščenega CO2. Posledično je stroka začela razmišljati o zelo starem pristopu za pridobivanje vodika preko vodne elektrolize v elektrolizerju s protonsko prevodno membrano (PEM-WE). Vodna elektrolizacijska celica s protonsko izmenjalno membrano (PEM) je electrokemijska celica, ki kot vmesnik med elektrodama uporablja tanko (običajno 100–200 µm) protonsko prevodno polimerno membrano. Enota celice je dokaj kompaktna, omejena je z dvema velikima in milimetrsko debelima ploščama (5–5 ′) (ponavadi iz titana), ki razmejujeta posamezno celico, zagotavljata pa tudi mehansko togost in prispevata k enakomerni porazdelitvi tlaka. Posamezne celice so povezane zaporedno, (zato) da se povečajo proizvodne zmogljivosti vodika. Protonske izmenjalne membraneimajo številne prednosti, kot so manjša prepustnost plina, visoka protonska prevodnost (0,1 ± 0,02 S cm−1) in operativnostpod visokim tlakom. Glede na trajnost in vpliv na okolje je elektroliza vode ena izmed ugodnih metod za pretvorbo obnovljive energije v visoko čist vodik. Ostale prednosti vodne elektrolize PEM-WE so kompaktna zasnova, visoka gostota toka (nad 2 A cm-2), visoka učinkovitost, hiter odziv, majhen ogljični odtis, nizkotemperaturno delovanje (20–80 ° C) proizvodnja ultra čistega vodika ter kisika kot stranskega produkta.[8], [9]. Trenutno je učinkovitost naprav za proizvajanje vodika (elektrolizerjev) omejena s počasno kinetiko reakcije elektrokemijskega nastanka kisika (OER) in nezadostno stabilnostjo elektrokatalizatorja. Ta je namreč med delovanjem izpostavljen visokim elektrokemijskim potencialom, kar sproža različne degradacijske procese elektrokatalizatorja.[1] V tej magistrski nalogi raziskujemo nanodelce iridija, nanešene na titan-oksinitridno prevleko z veliko specifično površino, ki prekriva osnovno plast ogljika.[10] Takšen kompozitni material se lahko uporablja kot elektrokatalizator v anodi elektrolizerja, na kateri poteka reakcija razvoja kisika. V nalogi pokažemo, da optimizacija omenjenega kompozita lahko vodi do povečane učinkovitosti anode, saj zaradi velike površine zmanjšamo količino nanešenega katalizatorja, pri tem pa se aktivnost ohrani.[11] S pospešenimi protokoli, katerih namen je v kratkem času testirati stabilnost katalizatorja, pokažemo, da kompaktna prevleka iz titanovega oksinitrida na ogljikovem substratu izrazito poveča obstojnost sicer intrinsično nestabilnega ogljikovega nosilca v kislih in oksidativnih pogojih, pod katerimi poteka reakcija razvoja kisika. Izpostavimo tudi številne težave, na katere naletimo pri primerjavi aktivnosti in stabilnosti novega katalizatorja, izmerjenih s pomočjo rotirajoče disk elektrode, ki jo uporabljamo za merjenje učinkovitosti elektrokatalizatorjev. V tej disertaciji smo preučili naslednje vidike pri razvoju učinkovitega in stabilnega elektrokatalizatorja: i) material elektrode, ii) nanos katalizatorja iii) dolgotrajna stabilnost katalizatorja iv) priprava črnila katalizatorja in v) protokol aktivacije in zgodovina uporabljene elektrode. Omenjeni vidiki igrajo ključno vlogo pri uporabi RDE za ocenjevanje elektrokatalizatorja OER. Material elektrode podlage Izbira substratne elektrode, na kateri se preizkuša elektrokatalizator za reakcijo OER, je omejena na majhno število ustreznih materialov. Material, ki je primeren za preizkušanje elektrokatalizatorja za reakcijo razvoja kisika (OER), mora imeti naslednje lastnosti: a) visoka korozijska odpornost in b) nizka kontaktna odpornost med površino katalizatorja in podlago, ki sta je primerna za reakcijo evolucije kisika. Raziskave kažejo, da ima diamant, dopiran z zlatom in borom (BDD),[12] ki je raziskan v tej diplomi, vse potrebne lastnosti. Nalaganje katalizatorja Debelina nalaganja katalizatorskega filma igra odločilno vlogo pri interpretaciji podatkov za meritve aktivnosti in stabilnosti. Težava pri merjenju iridijevih katalizatorjev je, da zanje, za razliko od platinskih, ne moremo zanesljivo izmeriti elektrokemijske aktivne površine (ECAS). To lahko privede do napačne domneve, da ima katalizator, ki ga preizkušamo, majhno aktivnost. Na primer, če bi uporabili test kronopotenciometrične stabilnosti in debelo plast katalizatorja, bi lahko napačno domnevali, da je katalizator, ki ga preizkušamo, stabilen. To bi bila posledica tega, da se raztopljeni iridij s površine nadomesti s spodnjo plastjo, ki je bila prej neaktivna. Omenjeni pojavi so bili opisani tudi v literaturi.[12], [13] V magistrski nalogi prikazujemo, kako to vpliva na rezultat aktivnosti in stabilnosti in ugotavljamo, katere so najboljše prakse, pri katerih se izognemo tovrstnim težavam pri testiranju elektrokatalizatorja za OER. Dolgoročna stabilnost katalizatorja Za preizkušanje življenjske dobe katalizatorja so bili razviti različni protokoli s pospešenimi stresnimi testi (AST), ki jih v splošnem lahko razdelimo v tri kategorije:i) kronoampotenciometrično preskušanje (katalizator držimo pri konstantni gostoti toka), ii) kronoamperometrično preskušanje (katalizator držimo pri konstantnem potencialu) in iii ) test z velikim številom ciklov v območju delovanja elektrokatalizatorja. Glede na naravo delovanja PEM WE menimo, da sta primernejša kronoaperometrična in kronopoteciometrična testa, zato smo se osredotočili nanju. Pokažemo, da je potrebno upoštevati več osnovnih parametrov - ne glede na uporabljeni material. Najprej upoštevamo ohmični padec, ki se pojavi med delovno in referenčno elektrodo. Če tega ne odpravimo pri uporabi kronoaperometričnega AST, lahko to povzroči zelo napačne rezultate in napačne predpostavke glede stabilnosti katalizatorja. Opažamo tudi upad uporabe kronoamperometričnega AST. Z uporabo AST ni mogoče razrešiti mehanizma degradacije katalizatorja. Pasivizacija, delaminacija, aglomeracija, raztapljanje, blokiranje s kisikovimi mehurčki itd. vodijo k enakemu zmanjšanju toka. V tej nalogi raziskujemo vpliv nastajanja mehurčkov in pasiviranje mehurčkov kot poskus za njihovo odstranjevanje. Nadalje poskušamo primerjati kronoamperometrično metodo in kronopotenciometrično metodo, z namenom ugotoviti, katera je bolj primerna za oceno stabilnosti OER elektrokatalizatorja. Nastajanje mehurčkov je najverjetneje eno glavnih vprašanj pri dolgoročnem testiranju stabilnosti katalizatorja, saj bi njihov nastanek lahko lažno interpretirali kot odpoved katalizatorja. Kljub temu, da je naštete pomisleke potrebno upoštevati, pa menimo, da je mogoče stabilnost katalizatorja oceniti znotraj teh parametrov. Vsekakor pa je za nadaljnje izboljšanje stabilnosti katalizatorja potrebno predvsem razumeti degradacijske procese, ki potekajo med delovanjem katalizatorja in jih upoštevati pri načrtovanju novih katalizatorjev za reakcijo evolucije kisika.
Sekundarne ključne besede:	elektrokemija;elektrokemijska reakcija nastanka kisika;iridij;titanov oksinitrid;elektrokatalizatorji;stabilnost katalizatorja;PEM-WE;magistrska dela;
Vrsta dela (COBISS):	Magistrsko delo/naloga
Študijski program:	1000376
Konec prepovedi (OpenAIRE):	1970-01-01
Komentar na gradivo:	Univ. v Ljubljani, Fak. za kemijo in kemijsko tehnologijo, smer Kemijsko inženirstvo
Strani:	66 str.
ID:	11905777