Vysoce disperzní katalyzátory pro HER/HOR v alkalickém prostředí

• Thesis title in Czech: Vysoce disperzní katalyzátory pro HER/HOR v alkalickém prostředí
• Thesis title in English: Highly dispersed catalyst for HER/HOR in alkaline medium
• Academic year of topic announcement: 2023/2024
• Type of assignment: dissertation
• Department: Department of Surface and Plasma Science (32-KFPP)
• Supervisor: Mgr. Yurii Yakovlev, Ph.D.
• Author: hidden - assigned by the advisor
• Date of registration: 19.09.2023
• Date of assignment: 19.09.2023

Guidelines

Vodíkové technologie jsou považovány za jednu z klíčových součástí obnovitelných zdrojů energie. Aby byly tyto technologie všudypřítomné a dostupné, měly by se řešit problémy se stabilitou a aktivitou katalyzátoru. Vývoj vodních elektrolyzérů a palivových článků pracujících v alkalickém prostředí by mohl být způsob, jak tyto problémy vyřešit. Vývoj/oxidace vodíku (HER/HOR) v alkalickém médiu je však pomalý, což snižuje výkon takových článků. Pokročilé struktury katalyzátoru jako vysoce dispergované katalyzátory s vysokým poměrem povrchových atomů/objemových atomů mohou dramaticky zlepšit aktivitu katalyzátoru a zároveň poskytnout důležité poznatky o reakčních mechanismech.
Cílem doktorské práce je studium aktivity a struktury vysoce disperzních katalytických systémů připravených technikami magnetronového naprašování a elektrodepozicí, s využitím klasických a in-operando metod, jako je vysokotlaká rentgenová fotoelektronová spektroskopie (NAP-XPS), elektronové mikroskopie (SEM, TEM), technika rotační (prstencové) diskové elektrody (R(R)DE). Katalyzátorové systémy budou zahrnovat různé kovy (Ni, Ti, Pd, Ru, atd.), oxidy kovů (CeO2, TiO2, RuO2 atd.) jako nosič a jemně rozptýlené kovy platinové skupiny (PGM) a d-kovy bez PGM (Cu , Ti, Ni, Fe, atd.). Práce je zaměřena na nalezení vztahu morfologie/aktivita, pochopení reakčních mechanismů a cest, které budou přínosem pro vývoj nové generace HER/HOR katalyzátoru.

References

1. Supported Metal Single Atom Catalysis. Philippe Serp, Doan Pham Minh, Wiley-VCH (2022), ISBN: 9783527348442.
2. Anion Exchange Membrane Fuel Cells. Principles, Materials and Systems. Liang An, T.S. Zhao, Springer, Cham (2018), ISBN 978-3-319-71370-0.
3. Fuel Cell Catalysis: A Surface Science Approach. Marc Koper, Andrzej Wieckowski, John Wiley & Sons Inc (2009), ISBN 978-0-470-13116-9.

Preliminary scope of work in English

Hydrogen technologies are viewed as one of key component of renewable energy sources. To make the technologies ubiquitous and affordable, issues with catalyst stability and activity ought to be addressed. Development of water electrolyzers and fuel cells operating in alkaline medium might be a way to solve these issues. However, hydrogen evolution/oxidation (HER/HOR) in alkaline medium is sluggish which hampers performance. Advanced catalyst structures as highly dispersed catalysts with high surface atoms/bulk atoms ratio can dramatically improve catalyst activity yet provide important insights on reaction mechanisms.
The goal of the doctoral work is to study activity and structure of highly dispersed catalyst systems prepared by magnetron sputtering and electrodeposition techniques, using classical and in-operando techniques as near ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy (NAP-XPS), electron microscopies (SEM, TEM), rotating (ring) disk electrodes (R(R)DE). Catalyst systems will include various metal (Ni, Ti, Pd, Ru, etc.) metal oxides (CeO2, TiO2, RuO2, etc.) as support and finely dispersed platinum group metals (PGMs) and PGM-free d-metals (Cu, Ti, Ni, Fe, etc.) Current work aims at finding morphology/activity relationship, understanding reaction mechanisms and pathways, which beneficial for development new generation of HER/HOR catalyst.