Priprava dvodimenzionalnih (2D) elektrokatalizatorjev na osnovi boridenov za vodne elektrolizatorje z anionsko izmenjalno membrano
Oznaka in naziv projekta
J2-50055 Priprava dvodimenzionalnih (2D) elektrokatalizatorjev na osnovi boridenov za vodne elektrolizatorje z anionsko izmenjalno membrano
J2-50055 Experimental realization of 2D boridene electrocatalysts for anion-exchange membrane water electrolyzers
Logotipi ARIS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: dr. Suraj Gupta
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Vsebinski opis projekta
Trajnostna proizvodnja vodika (H2) s potencialno brezogljično metodo, kot je elektroliza vode, je ključnega pomena za naše strategije razogljičenja. Obstoječe tehnologije vodnega elektrolizatorja so že uporabljene za prikaz proizvodnje H2 v obsegu gigavatov. Vendar pa naslednji velik prehod na teravatne obsege zahteva nove preboje na področju komponent elektrolizatorja, zlasti v zvezi z elektrodami, ki tvorijo enega najbolj ključnih delov celotne naprave.
Vodni elektrolizatorji z anionsko izmenjevalno membrano (AEMWE) so obetavna prihajajoča tehnologija za pridobivanje zelenega vodika, vendar je zelo malo elektrokatalizatorjev z uveljavljenimi zmogljivostmi pri pogojih, ki so pomembni za komercialne AEMWE. Poleg tega obstaja globoka vrzel v razumevanju obnašanja elektrod v tako ekstremnih pogojih. Projekt Borocat zapolnjuje to vrzel z zagotavljanjem novega nabora visoko učinkovitih in stabilnih elektrokatalizatorjev in vzpostavitvijo temlejne znanosti, potrebne za razumevanje njihovih katalitskih lastnosti in obnašanja pri ustreznih eksperimentalnih pogojih delovanja.
Borideni so dvodimenzionalni (2D) borovi analogi grafena z nastavljivimi površinskimi funkcionalnostmi za različne katalitske aplikacije. Njihove napovedane odlične lastnosti, skupaj z njihovimi nižjimi stroški zaradi pogostosti v naravi, jih uvrščajo med najbolj obetavne razrede elektrokatalizatorjev za elektrokatalitsko cepitev vode. Vendar je njihova eksperimentalna realizacija izziv, ki bo obravnavan v okviru tega projekta. Da bi dokazali industrijsko pomembnost takšnih obetavnih elektrokatalizatorjev, je bistvenega pomena preizkusiti njihove aktivnosti pri večjih gostotah toka (> 1 A/cm2) in daljših časovnih obdobjih (> 1000 h). Običajne elektrokemijske meritve, ki vključujejo 3-elektrodno nastavitev (vključno z elektrodo z vrtljivim diskom), predstavljajo omejitve transporta mase, ki izvirajo iz več dejavnikov (kot je nizka topnost produktnih plinov, tvorba mikro mehurčkov itd.), kar močno omejuje vrednotenje katalizatorjev pri višjih gostotah toka. Poleg tega običajni sistemi s 3 elektrodami niso podobni resničnemu okolju, ki ga ima katalizator v sklopih membranskih elektrod (MEA) AEMWE. Poleg tega degradacijsko obnašanje elektrod v tako ekstremnih pogojih doprinaša koristne informacije, ki lahko usmerjajo razvoj omilitvenih ukrepov za preprečevanje degradacije, vendar se takšne preiskave izvajajo le redko. V okviru projekta Borocat ne bomo samo pripravili 2D boridene, temveč jih bomo tudi ovrednotili pri 1 A/cm2 za ~1000 h in izvedli podrobno oceno razgradnje, s čimer bomo premagali omenjene izzive.
Zaradi strokovnega znanja in izkušenj naše ekipe bomo razvili splošen protokol sinteze, ki temelji na metodi staljene soli za izdelavo 2D boridenskih faz Mo, Fe, Cr in W. Optimizirane katalizatorske faze bodo ovrednotene pri ~1 A/cm2 z uporabo plinske difuzijske elektrode (GDE). GDE ponuja razumno sorodnost z okoljem MEA in zaradi svoje edinstvene zasnove izboljšuje lastnosti masnega transporta. Omogoča tudi možnost izvajanja dolgotrajnih elektrokemijskih meritev (~1000 h) za merjenje resničnega profila stabilnosti katalizatorja. Za oceno razgradnje elektrokatalizatorjev, optimiziranih v nastavitvi GDE, bo uporabljena modificirana lebdeča elektroda (MFE), kot jo je razvila naša ekipa, v povezavi z transmisijsko elektronsko mikroskopijo na identičnih lokacijiah (IL-TEM) . Ta edinstvena kombinacija nam bo omogočila, da dosežemo pogoje testiranja, podobne GDE, in neposredno preiščemo elektrodo s TEM, z možnostjo sledenja spremembam, ki jih povzroča reakcija, na istem mestu vzorca. Poleg tega bodo študije raztapljanja elektrod omogočene z meritvami masne spektrometrije z induktivno sklopljeno plazmo (ICP-MS) in situ in ex-situ. Tako bomo do konca projekta Borocat izčrpno vzpostavili bistvene znanstvene dokaze v podporo 2D boridenov kot pomembne alternative za neposredno vgradnjo v komercialne sisteme AEMWE.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.
Faze projekta in opis njihove realizacije
1. Faza- Eksperimentalna izdelava 2D boridenov. Ta faza obravnava izdelavo, karakterizacijo in optimizacijo predlaganih boridenskih elektrokatalizatorjev. Na začetku bodo različne faze 2D boridenov na osnovi Mo, in sicer MoB2 in Mo2B2, sintetizirane in optimizirane z uporabo staljene soli. Optimizirana metoda bo razširjena na izdelavo drugih predlaganih boridenov na osnovi Fe, W in Cr z uporabo ustreznih kovinskih soli. Poleg tega bodo razviti borideni optimizirani, zlasti glede debeline pločevine, kristaliničnosti in zaključka površine, da se opazuje učinek na njihove fizikalne, kemijske in elektrokemične lastnosti. Razvite katalizatorje bomo karakterizirali, da bomo pridobili temeljno razumevanje njihovih strukturnih, morfoloških in kemijskih lastnosti.
2. Faza- Raziskave HER/OER, pomembne za okolje AEMWE. Ta faza se ukvarja z ugotavljanjem delovanja HER/OER in stabilnosti 2D boridenov. Pri tem se bo na podlagi meritev povišane gostote toka in podaljšanih ur testiranja ugotavljala primernost razvitih katalizatorjev za delovanje AEMWE. Izveden bo prvostopenjski elektrokemijski pregled, da se ugotovi osnovna HER/OER aktivnost razvitih materialov in njihova kratkoročna stabilnost (~100 h). Pregledani borideni bodo nadalje raziskani v nastavitvi GDE pri povišanih gostotah toka, ki se približujejo 1 A/cm2. Preizkusi vzdržljivosti se bodo izvajali v dolgih časovnih obdobjih, ki se bodo postopno povečevala do 1000 ur.
3. Faza- Mehanske in razgradne raziskave. Najbolj aktivni boridenski katalizatorji, identificirani iz faze 2, bodo raziskani v sklopu MFE, ki bo omogočil neposredno oceno morfoloških in kemičnih sprememb v katalizatorju z uporabo IL-TEM. Preskus stabilnosti bo izveden v podobnih pogojih kot preskusi v nastavitvi GDE. Raztapljanje 2D-boridenov med delovanjem bo preučeno z ICP-MS, tako ex-situ kot in-situ. Za študije ex-situ bomo postopno spremljali količino raztopljenih spojin z analizo njihove vsebnosti v raztopini elektrolitov pred, med in po preskusih elektrokemijske stabilnosti v nastavitvi GDE. Študije in situ bodo izvedene v postavitvi EFC-ICP-MS v klasični postavitvi s 3 elektrodami. Uporabljena bo doma izdelana pretočna celica PEEK, kjer bo delovna elektroda sestavljena iz plasti katalizatorja, nanešenega na steklasti ogljikov substrat.
Bibliografske reference
1. N. M. Santhosh, S. Gupta, V. Shvalya, M. Košiček, J. Zavašnik, U. Cvelbar; “Advancing Oxygen Evolution Catalysis with Dual-Phase Nickel Sulfide Nanostructures”, Energy & Fuels, 39, 2, 1375–1383 (2025) COBISS.SI ID – 221574659
2. T. Kanwar, P. Arun, R. Silviya, A. Bhide, S. Gupta, R. Patel, R. Fernandes, N. Patel; Optimized trimetallic CoNiFe phospho-boride electrocatalyst for overall seawater electrolysis, Journal of Power Sources, 633, 236427 (2025) COBISS.SI-ID – 225746947
3. R. Bhabal, A. Bhide, S. Gupta*, R. Fernandes, N. Patel; “Maximizing Bifunctionality for Overall Water Splitting by Integrating H2 Spillover and Oxygen Vacancies in CoPBO/Co3O4 Composite Catalyst”, Small Science, 4: 2400343 (2024) COBISS.SI-ID – 214980355
4. A. Bhide, S. Gupta, R. Bhabal, M. Patel, M. Bahri, R. Fernandes, N. Patel; “Unveiling the kinetics of oxygen evolution reaction in defect-engineered B/P-incorporated cobalt-oxide electrocatalysts”, Materials Today Energy 44 (2024) COBISS.SI ID – 204254211
5. R. Silviya, A. Bhide, S. Gupta*, R. Bhabal, K. Mali, B. Bhagat, M. Spreitzer, A. Dashora, N. Patel, R. Fernandes; “Bifunctional Amorphous Transition-Metal Phospho-Boride Electrocatalysts for Selective Alkaline Seawater Splitting at a Current Density of 2 A/cm2”, Small Methods, 2301395 (2024) COBISS.SI-ID – 183153667