Investigation of Ir(Ox)-Ru(Oy) thin-film catalysts for oxygen evolution reaction in proton exchange membrane water electrolyzers

Description in Slovak

Vodný elektrolyzér s protónovo vodivou membránou (PEMWE) je základným stavebným kameňom vodíkového hospodárstva. Umožňuje totiž premenu prebytočnej elektrickej energie z obnoviteľných zdrojov v čase vysokej produkcie a nízkeho odberu na jednoducho uskladniteľnú energiu chemickú. Deje sa tak prostredníctvom endergonickej elektrochemickej reakcie 2H2O + elektrická energia -> O2 + 2H2. Produktom sú plynný vodík a kyslík, ktoré môžu byť neskôr spätne použité v palivovom článku.

Efektivita a účinnost PEMWE je vo veľkej miere daná kinetikou reakcie vzniku kyslíku (oxygen evolution reaction (OER)), tá je typicky katalyzovaná irídiom / irídium oxidom. Najnovšie poznatky však naznačujú, že ruténium resp. jeho oxid môžu byť ešte aktívnejšie. Problémom použitia Ru je však jeho nízka stabilita pri vysokých operačných potenciáloch PEMWE. Možným riešením problému je spojenie vlastností stabilného Ir a aktívnejšieho Ru. V tejto práci sa pokúsime pripraviť nanoštrukturovaný katalyzátor na báze Ir-Ru prostredníctvom multiterčového reaktívneho magnetrónového naprašovania. Touto metódou sme schopní pripraviť zliatiny, ako aj zmesné oxidy dobre definovaného zloženia. Veľkou výhodou tejto metódy je tiež fakt, že pripravené tenké vrstvy obsahujú podstatne menej drahých vzácnych kovov, ako je bežné, čo je kľúčový faktor z pohľadu širšej komercializácie PEMWE. Vzniknuté nanoštruktúry budú charakterizované celou paletou lokálnych aj integrálnych metód fyziky povrchu, ako je rastrovací elektrónový mikroskop, atómový silový mikroskop, energiovo disperzná spektroskopia či fotoelektrónová spektroskopia. Samotné katalytické vlastnosti budú skúmané v plnohodnotnej experimentálnej PEMWE cele za skutočných operačných podmienok, ako aj za použitia rotačnej diskovej elektródy.

Zásady pre vypracovanie

1. štúdium literatúry
2. príprava tenkých vrstiev metódou magnetrónového naprašovania
3. skúmanie štruktúry vzoriek elktónovou a atómovou silovou mikroskopiou
4. skúmanie integrálnych vlastností vzoriek metódamí EDX a XPS
5. skúmanie katalytických vlastností tenkých vrsitev pomocou rotačnej diskovej elektródy
6. skúmanie katalytických vlastností tenkých vrsitev priamo v elektrochemickej cele elektrolyzéru
7. interpretácia výsledkov
8. spísanie diplomovej práce

Literatúra

M. Carmo, D.L. Fritz, J. Mergel, D. Stolten, A comprehensive review on PEM water electrolysis, Int. J. Hydrogen Energy. 38 (2013) 4901–4934. doi:10.1016/j.ijhydene.2013.01.151.