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

• Název práce v češtině: Zkoumání naprašovaných tenkovrstvých elektrokatalyzátorů pro vznik kyslíku v alkalickém prostředí a vlivu jejich strukturních a elektronických vlastností na katalytický výkon
• Název v anglickém jazyce: Investigation of sputtered thin-layer oxygen evolution electrocatalysts in alkaline media and the effect of structural and electronic properties on the catalytical performance
• Akademický rok vypsání: 2024/2025
• Typ práce: disertační práce
• Ústav: Katedra fyziky povrchů a plazmatu (32-KFPP)
• Vedoucí / školitel: RNDr. Peter Kúš, Ph.D.
• Konzultanti: RNDr. Tomáš Hrbek

Zásady pro vypracování

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.

Seznam odborné literatury

[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.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

A water electrolyzer (WE) is an electrochemical cell that converts electrical energy to chemical energy by means of the endergonic reaction 2H2O + electrical energy -> O2 + 2H2. The conversion of electricity to another form of energy and its consequent storage is a very important topic in the context of the utilization of renewable but intermittent energy sources (e.g., sun and wind).
Anode Exchange Membrane Water Electrolyzers present a crucial step in building the Hydrogen economy, as they combine the advantages of Alkaline electrolyzers (non-noble catalysts) and Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers (high efficiencies, variability, compact design). Finding a sufficiently active, stable, and non-noble catalyst for the anode and cathode side of the AEM-WE is one of the leading research goals in the field.
The Ni-Fe/Ni-Co alloys etc. have shown remarkable performance for the anodic oxygen evolution reaction, even in pure water – many catalysts work only in the KOH electrolyte. However, the exact understanding of the Ni, Co, and Fe-based catalysts is still missing.
The objective of this dissertation thesis is to build on the prospective results of the Nanomaterials Group, predominantly in the area of novel catalysts for the oxygen evolution reaction. Magnetron sputtered thin-film catalysts, typically with a structure of Ni,Co,Fe/porous sublayer will be studied with emphasis on the stability and activity dependence on morphology and defect density. Layers of various compositions and morphologies will be prepared with the goal of identifying the ideal structural parameters in terms of both durability and activity. Wide arsenal of analytical methods will be available, ranging from electrochemical testing through X-ray photoelectron spectroscopy to electron microscopy. A great focus will be laid on the operando variants of those methods.