Výzkum nanostrukturovaných katalyzátorů pro vodíkové technologie pokročilými elektrochemickými a operando metodami

Moderní společnost se stále ve větší míře spoléhá na využití obnovitelných zdrojů. Proměnlivý charakter generování elektřiny z větrných a solárních elektráren vede k nutnosti operativně ukládat či uvolňovat velké množství energie. V této souvislosti se ideálním řešením jeví vodíkové hospodářství, v jehož rámci se počítá s přeměnou elektrické energie na vodík pomocí elektrolýzy vody a pozdějším využitím uloženého vodíku prostřednictvím palivových článků.

Elektrolyzéry vody a palivové články s polymerním membránou využívají jako katalyzátory elektrochemických reakcí vzácné kovy. Pro urychlení širší komercializace těchto zařízení je nutné snížit množství drahého iridia a platiny na minimum. Toho lze dosáhnout buď výrazným zvýšením disperze katalyzátoru - například použitím tenkovrstvých depozičních technologií, nebo vytvořením směsného systému, kde je část drahého kovu nahrazena vhodnou dostupnější alternativou, přičemž stabilita a reakční kinetika zůstává zachována.

Předmětem této disertační práce bude navázat na dosavadní perspektivní výsledky Skupiny nanomateriálů, především v oblasti bimetalických nanostrukturovaných katalyzátorů připravených metodou multiterčového magnetronového naprašování. V nedávné době se nám podařilo připravit katalytické tenké vrstvy s výjimečnou specifickou účinností. Přestože jsme optimalizovali jejich reprodukovatelnou přípravu a popsali vliv relevantních parametrů depozice na jejich aktivitu, pochopení hlubších fyzikálně-chemických a elektrochemických procesů probíhajících ve vrstvě v průběhu samotné reakce zůstává neúplné. Popsat a vysvětlit se tyto procesy pokusíme nejen za pomoci standardně dostupných metod fyziky povrchů, ale především využitím celé palety nejmodernějších operando metod a elektrochemických technik, jako jsou rotační disková elektroda s prstencem, fotoelektronové spektroskopie se zabudovanou elektrochemickou celou či elektrochemický mikroskop atomárních sil. Tyto metody nám poskytnou nebývalý náhled na komplexní děje, pozorovatelné pouze přímo v průběhu jednotlivých reakcí. Účinnost zkoumaných katalyzátorů bude paralelně ověřována v elektrochemických celách za průmyslových operačních podmínek. V rámci práce se počítá s několika návštěvami synchrotronu pro potřeby operando difrakční analýzy v prostředí elektrolytu.

Literatura

1. Carmo, M., Fritz, D. L., Mergel, J. & Stolten, D. A comprehensive review on PEM water electrolysis. Int. J. Hydrogen Energy 38, 4901–4934 (2013).
2. Antolini, E. Iridium as catalyst and cocatalyst for oxygen evolution/reduction in acidic polymer electrolyte membrane electrolyzers and fuel cells. ACS Catal. 4, 1426–1440 (2014).