Operando zkoumání nanostrukturovaných katalyzátorů pro elektrolyzéry vody a objasnění jejich degradačních mechanismů

Moderní společnost se stále více spoléhá na obnovitelné zdroje energie. Nestálý charakter výroby větrné a solární energie vyžaduje její efektivní ukládání a uvolňování. Vodíková ekonomika nabízí ideální řešení prostřednictvím přeměny elektřiny na plynný vodík pomocí elektrolýzy vody a následného využití uloženého vodíku v průmyslových aplikacích, dopravě nebo v případě potřeby jeho zpětné přeměny na elektřinu pomocí palivových článků.

Vodní elektrolyzéry (WE) spoléhají na nanostrukturované katalyzátory, které usnadňují elektrochemické štěpení vody na vodík a kyslík [1]. Je nezbytné, aby tyto katalyzátory byly co nejodolnější, nákladově efektivní a vysoce aktivní. Tato disertační práce bude navazovat na slibné výsledky Skupiny nanomateriálů, zejména v oblasti vývoje bimetalických a segmentovaných nanostruktur připravených pomocí multiterčového magnetronového naprašování [2].

Důraz bude kladen na operando charakterizaci, včetně rentgenové fotoelektronové spektroskopie uvnitř WE článku [3], rentgenové difrakce uvnitř WE [4], a elektrochemické impedanční spektroskopie, aby bylo možné sledovat potenciálem indukovaný fyzikálně-chemický a strukturální vývoj připravených katalyzátorů. Tyto metody poskytnou bezprecedentní vhled do složitých procesů, které lze přímo pozorovat pouze během jednotlivých reakcí. Účinnost studovaných katalyzátorů bude paralelně zkoumána v elektrochemických článcích za průmyslových provozních podmínek, přičemž doplňkové analýzy budou rutinně prováděny za použití standardních laboratorních metod.

[1] M. Chatenet, B.G. Pollet, D.R. Dekel, F. Dionigi, J. Deseure, P. Millet, R.D. Braatz, M.Z. Bazant, M. Eikerling, I. Staffell, P. Balcombe, Y. Shao-Horn, H. Schäfer, Water electrolysis: from textbook knowledge to the latest scientific strategies and industrial developments, Chem Soc Rev 51 (2022) 4583–4762. https://doi.org/10.1039/D0CS01079K.
[2] T. Hrbek, P. Kúš, Y. Kosto, M.G. Rodríguez, I. Matolínová, Magnetron-sputtered thin-film catalyst with low-Ir-Ru content for water electrolysis: Long-term stability and degradation analysis, J Power Sources 556 (2023) 232375. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2022.232375.
[3] T. Hrbek, P. Kúš, M.G. Rodríguez, V. Matolín, I. Matolínová, Operando X-ray photoelectron spectroscopy cell for water electrolysis: A complete picture of iridium electronic structure during oxygen evolution reaction, Int J Hydrogen Energy 57 (2024) 187–197. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.12.216.
[4] A.B. Moss, J. Hätinen, P. Kúš, S. Garg, M. Mirolo, I. Chorkendorff, B. Seger, J. Drnec, Versatile high energy X-ray transparent electrolysis cell for operando measurements, J Power Sources 562 (2023) 232754. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2023.232754.